單片機-簡易數(shù)字電壓表設(shè)計

1、-科技大學課程設(shè)計課程設(shè)計名稱：簡易數(shù)字電壓表設(shè)計學生姓名：系部：機電工程系專業(yè)及班級：機械設(shè)計制造及自動化二班*：指導(dǎo)教師：2021年 12 月 20 日. z-目錄前言1一、課程設(shè)計的目的和要求21.1、課程設(shè)計的目的21.2、課程設(shè)計的根本要求2二、總體設(shè)計22.1、根本工作原理22.2、硬件總體設(shè)計32.3、軟件總體設(shè)計3三、硬件設(shè)計33.1模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC080933.2 數(shù)據(jù)處理及控制芯片AT89S5153.3AT89S51與ADC0809的連接83.4 4位一體7段LED 數(shù)碼管83.5 整機電路及工作原理8四、軟件設(shè)計94.1 主程序設(shè)計94.2 各子程序設(shè)計10五、完畢語1

2、0六、參考文獻11. z-前言近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的開展，單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格廉價，工作可靠，使用方便等特點，因此特別適合于與控制有關(guān)的系統(tǒng)，越來越廣泛地應(yīng)于自動控制，智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個領(lǐng)域，單片機往往是作為一個核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件構(gòu)造，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。而51系列單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種，通過本次課程設(shè)計進一步對單片機學習和應(yīng)用，從而更熟悉單片機的原理和相關(guān)設(shè)計并提高了開發(fā)軟、硬件的能力。1、 課程設(shè)計的目的和要求1.1、

3、 課程設(shè)計的目的?單片機與接口技術(shù)?課程設(shè)計是在教學及實驗根底上，對課程所學理論知識的深化和提高。因此，要求學生能綜合應(yīng)用所學知識，設(shè)計與制造出具有較復(fù)雜功能的小型單片機系統(tǒng)，并在實踐的根本技能方面進展一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地穩(wěn)固和應(yīng)用“單片機課程中所學的根本理論和根本方法，并初步掌握小型單片機系統(tǒng)設(shè)計的根本方法。培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設(shè)計規(guī)定功能的單片機系統(tǒng)的能力；培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報告的能力。1.2、 課程設(shè)計的根本要求1.簡易數(shù)字電壓表可以測量0-5V的8路輸入電壓值，并在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示或路選擇顯示。2.其測量最小分辨率為0.02V。用歡動電阻模擬電壓傳感

4、器輸出的模擬量，用ADC0809進展模數(shù)轉(zhuǎn)換。2、 總體設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計：a、控制模塊選用AT89C51單片機。b、放大模塊選擇OP07芯片實現(xiàn)。c、A/D轉(zhuǎn)換模塊選擇ADC0809芯片，從分利用其在儀表中的應(yīng)用特性。d、顯示模塊選擇與控制模塊相配套的LCD液晶顯示。2.1、根本工作原理設(shè)計采用AT89S51單片機芯片配合ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個簡易的數(shù)字電壓表，原理框圖如圖1所示。該電路通過ADC0809芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V 的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89S51芯片的P0口。AT89S51負責把接收到的數(shù)字量經(jīng)過

5、數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P1口經(jīng)三極管驅(qū)動，再傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅。另外，AT89S51還控制著ADC0809的工作。其ALE 管腳為ADC0809提供了1MHz 工作的時鐘脈沖；P2.3控制ADC0809的地址鎖存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的啟動端(START)；P2.5控制ADC0809的輸出允許端(OE)；P3.7控制ADC0809的轉(zhuǎn)換完畢信號(EOC)。2.2、硬件總體設(shè)計、系統(tǒng)組成方案硬件電路設(shè)計由6個局部組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED 顯

6、示系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計如圖1所示。圖1 硬件電路設(shè)計、擴展單元編址、鍵盤、顯示功能的定義2.3、軟件總體設(shè)計、存儲單元的分配、標志位的定義、主程序框圖及清單帶有注釋3、 硬件設(shè)計3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它可以和微型計算機直接接口。ADC0809轉(zhuǎn)換器的系列芯片是ADC0808，可以相互替換。、ADC0809部邏輯構(gòu)造圖2 ADC0809的內(nèi)部邏輯構(gòu)造及引腳圖ADC0809的部邏輯構(gòu)造如圖2所示。圖中多路模擬開關(guān)可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進展轉(zhuǎn)換。地址鎖存

7、與譯碼電路完成對A 、B 、C 三個地址位進展鎖存與譯碼。、ADC0809的引腳ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖2所示。1.IN0IN7：8路模擬量輸入通道。2.A 、B 、C ：模擬通道地址線。這3根地址線用于對8路模擬通道的選擇，其譯碼關(guān)系如表1所示。其中，A 為低地址，C 為高地址，引腳圖中為ADDA ，ADDB 和ADDC 。3.START ：轉(zhuǎn)換啟動信號。START 上升沿時，復(fù)位ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開場進展A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START 應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為ST 。4.D7D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，

8、可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。5.OE ：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。6.CLK ：時鐘信號。ADC0809的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz 的時鐘信號。7.EOC ：轉(zhuǎn)換完畢信號。EOC=0,正在進展轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換完畢。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。8.Vcc ： +5V電源，GND ：地。9.Vref ：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進展比較，作為逐次逼近的基準。其

9、典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。3.1.3 ADC0809的工作原理首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近存放器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進展。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換完畢，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門翻開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。圖3 ADC0809信號的時序配合注意：ALE 信號常與START 信號連在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地

10、址信號，在其后沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，圖3為ADC0809信號的時序配合圖。3.2 數(shù)據(jù)處理及控制芯片AT89S51AT89S51是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位單片機。AT89S51片含有4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)部 RAM，32個I/O 口線，看門狗(WDT)，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時/計數(shù)器, 一個5向量兩級中斷構(gòu)造，一個全雙工串行通信口，片振蕩器及時鐘電路。同時,S51可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停頓CPU 的工作，但允許 RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的容

11、，但振蕩器停頓工作并制止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。由于將多功能8位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.1 主要性能參數(shù)1. 與MCS-51產(chǎn)品指令系列完全兼容；2.4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲器；3.1000次擦寫周期；5.5 V工作電壓圍；5. 全靜態(tài)工作模式：0Hz 33MHz ；6. 三級程序加密鎖；7.128字節(jié)部RAM ；8.32個可編程I/O口線；9.2個16位的定時/計數(shù)器；10.6個中斷源；11. 全雙工串行UART 通道；12. 低工耗空

12、閑和掉電模式；13. 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)；14. 看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針；15. 掉電標識和快速編程特性；16. 靈活的在系統(tǒng)編程(ISP-字節(jié)或頁寫模式) 。3.2.2 AT89S51的引腳AT89S51芯片為40引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖4所示。1.P2口：P2口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動4個TTL 邏輯門電路。對P2口管腳寫入“1后，被部上拉電阻拉高，可用作輸入。P2口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部接有上拉電阻的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進展存取時，P2口輸出地址的高八位。在8位地址外

13、部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的容，在整個期間不改變。P2口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。2.P3口：P3口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口的輸出緩沖器可驅(qū)動4個TTL 邏輯門電路。對P3口管腳寫入“1后，被部上拉電阻拉高，可用作輸入。P3口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部接有上拉電阻的緣故。P3口除了一般I/O線的功能外，還具有更為重要的第二功能，如表1所示。P3口同時為FLASH 編程和編程校驗接收一些控制信號。圖4 AT89S51的引腳圖表1 P3口的第二功能1VCC ：電源電壓；2GND ：接地；3P0口：P0口是一組8位漏極開路雙向I/

14、O口，每位引腳可驅(qū)動8個TTL 邏輯門路。對P0口的管腳寫“1時，被定義為高阻抗輸入。在外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，它可以被定義為數(shù)據(jù)總線和地址總線的低八位。在FLASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口；當FLASH 進展校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。4P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口的輸出緩沖器可驅(qū)動4個TTL 邏輯門電路。對P1口管腳寫入“1后，被部上拉電阻拉高，可用作輸入。P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部接有上拉電阻的緣故。在FLASH 編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P1口還具有第二功能，如表3-2所示。5RS

15、T ：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST 腳兩個機器周期的高電平時間。6 ALE/RPOG：當外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想制止ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOV* ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE 制止，置位無效。7/P

16、SEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。8/EA/VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器0000H-FFFFH ，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET ；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源VPP 。9*TAL1：片高增益反向放大器的輸入及部時鐘工作電路的輸入。10*TAL2：片高增益反向放大器的輸出端。3.2.3 AT89S51的復(fù)位電路當單片機一上電，立即復(fù)位；另外，如果在運行中，外界干

17、擾等因素使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛，就可以通過按鍵使其復(fù)位。復(fù)位也是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)的一種操作。電容C 和電阻R1實現(xiàn)上電自動復(fù)位。增加按鍵開關(guān)S 和電阻R2又可實現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。R2的作用是在S 按下的時候，防止電容C 放電電流過大燒壞開關(guān)S 的觸點。因保證R1/R2 10。一般取C=10uF,R2=100，R1=8.2K。3.3AT89S51與ADC0809的連接圖5 AT89S51與ADC0809的連接電路AT89S51與ADC0809的連接電路如圖5所示。AT89S51與ADC0809的連接必須注意處理好3個問題：1. 在START 端送一個100ns

18、 寬的啟動正脈沖；2. 獲取EOC 端上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換的完畢標志；3. 給“三態(tài)輸出鎖存器分配一個端口地址，也就是給OE 端送一個地址譯碼器的輸出信號。3.4 4位一體7段LED 數(shù)碼管本設(shè)計的顯示模塊主要由一個4位一體的7段LED 數(shù)碼管(SM410564)構(gòu)成，用于顯示測量到的電壓值。每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g 和dp 端都各自連接在一起，用于接收AT89S51的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。1，2，3，4引腳端為其位選端，用于接收AT89S51的P3口產(chǎn)生的位選碼。3.5 整機電路及工作原理設(shè)計采用AT89S51單片機芯片配合ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個簡易

19、的數(shù)字電壓表。設(shè)計的硬件電路由主控局部(單片機AT89S51) 、采集模擬量局部A/D轉(zhuǎn)換一路ADC0804、顯示局部四位八段數(shù)碼管、報警電路蜂鳴器4個局部組成。各局部之間相互協(xié)作，構(gòu)成一個統(tǒng)一的有機整體，實現(xiàn)數(shù)字電壓表的功能。該電路通過ADC0809芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89S51芯片的P0口。AT89S51負責把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P1口經(jīng)驅(qū)動芯片74HC245驅(qū)動，再傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2產(chǎn)生位選信號，控

20、制數(shù)碼管的亮滅。另外，AT89S51還控制著ADC0809的工作。其ALE 管腳為ADC0809提供了1MHz 工作的時鐘脈沖；P2.3控制ADC0809的地址鎖存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的啟動端(START)；P2.5控制ADC0809的輸出允許端(OE)；P3.7控制ADC0809的轉(zhuǎn)換完畢信號(EOC)。4、 軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計初始化中主要對AT89S51，ADC0809的管腳和數(shù)碼管的位選及所用到的存單元70H,78H,79H,7AH 進展初始化設(shè)置。準備工作做好后便啟動ADC0809對IN0腳輸入進的05V 電壓模擬信號進展數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的0255十進

21、制數(shù)字量。在數(shù)據(jù)處理子程序中，運用標度變換知識，編寫算法將0255十進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0.005.00V 的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序進展顯示。整個主程序就是在A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理及顯示程序循環(huán)執(zhí)行。整個程序流程框圖如圖6所示。圖6 主程序流程框圖圖7 A/D轉(zhuǎn)換流程框圖4.2 各子程序設(shè)計轉(zhuǎn)換子程序啟動ADC0809對模擬量輸入信號進展轉(zhuǎn)換，通過判斷EOC P3.1引腳來確定轉(zhuǎn)換是否完成，假設(shè)EOC 為0，則繼續(xù)等待；假設(shè)EOC 為1，則把OE 置位，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲到70H 中。程序流程圖如圖7所示。4.2.2 數(shù)據(jù)處理子程序數(shù)據(jù)處理子程序主要根據(jù)標度變換公式，把0255十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為0.0

22、05.00V 。A* A 0+(Am-A0)*(N*-N0)/(Nm-N0)A*:模擬測量值; A0:模擬量輸入最小值; Am:模擬量輸入最大值;N*:摸/數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值; N0:摸數(shù)轉(zhuǎn)換后的最小值; Nm摸/數(shù)轉(zhuǎn)換的最大值。在本設(shè)計中，根據(jù)要求知：A0=0V，Am=5V，N0=0，Nm=255則公式1-1可化簡為：A*=A0+Am-A0*N*-N0/(Nm-N0)=5N*/255=N*/514.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn)三位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量所得的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在70H 存單元中，測量數(shù)據(jù)在顯示時需轉(zhuǎn)換成10進制BCD 碼放在78H 7AH 單元中，存放器R1用作顯

23、示數(shù)據(jù)地址指針。5、 完畢語基于單片機的數(shù)字電壓表使用性強、構(gòu)造簡單、本錢低、外接元件少。在實際應(yīng)用工作應(yīng)能好，測量電壓準確，精度高。系統(tǒng)功能、指標到達了課題的預(yù)期要求、系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮了可擴展性，經(jīng)過一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計主要實現(xiàn)了簡易數(shù)字電壓表測量電壓的功能。通過本次課程設(shè)計的鍛煉，我學到了很多有關(guān)儀表的設(shè)計方法與工作原。在設(shè)計的過程中，出現(xiàn)了很多錯誤，這讓我明白了，對總體的把握固然重要，但對于一個實際的系統(tǒng)，很難在設(shè)計之初就把握所有細節(jié)，設(shè)計任何一個系統(tǒng)都需要耐心逐步去發(fā)現(xiàn)和解決問題。在尋求解決困難的過程中，激發(fā)了我今后努力學習的興趣，我想這將對我以后的學習產(chǎn)生積極的

24、影響。總體來說，這次實習使我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維。通過兩個星期的學習讓我把書本上的知識轉(zhuǎn)換成實際可操作的東西，讓我體會到成功的喜悅和快樂。6、 參考文獻1 蔡美琴等編著，MCS-51系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用，高等教育，2004.42 譚浩強編?C 語言程序設(shè)計第二版?清華大學3 朱定華編著?微機原理、匯編與接口技術(shù)?清華大學4 堂敏.煥平主編?單片機原理與應(yīng)用? :理工大學，2007.5 廣弟等?單片機根底?航空航天，2001.76 樓然苗等?51系列單片機設(shè)計實例?航空航天，2003.37 瑞新等?單片機原理及應(yīng)用教程?機械工業(yè)，

25、2003.7 68 朝青等編著?單片機原理及接口技術(shù)?航空航天大學，2004.1 9 霍孟友等?單片機原理與應(yīng)用?機械工業(yè)，2004.10 許泳龍等?單片機原理及應(yīng)用?機械工業(yè)，2005.111 馬忠梅等?單片機的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計?航空航天大學，2003修訂版。附錄/* writer:shopping.w */*include *define uint unsigned int*define uchar unsigned charuchar code LEDData1=0*3f,0*06,0*5b,0*4f,0*66,0*6d,0*7d,0*07,0*7f,0*6f;uchar code LEDData2=0*bf,0*86,0*db,0*cf,0*e6,0*ed,0*fd,0*87,0