數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院（系）：電子與電氣工程系專業(yè)：電子信息工程數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)HardwareDesignofDigitalVoltmeter總計(jì)：21頁表格：3個(gè)插圖：11幅學(xué)院（系）：電子與電氣工程系專業(yè)：電子信息工程數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)［摘要］在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，常需用高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和顯示等功能。本文中數(shù)字電壓表由主控模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管（LED）顯示模塊、看門狗電路幾個(gè)模塊組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)完成后，與軟件設(shè)計(jì)相配合，達(dá)到真正的設(shè)計(jì)目的。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表可以測(cè)量0～5V的8路輸入電壓值，并在四位LED數(shù)碼管上輪流顯示，還可以方便地進(jìn)行8路A／D轉(zhuǎn)換量的測(cè)量，遠(yuǎn)程測(cè)量結(jié)果傳送等功能。該設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表電路簡(jiǎn)單，所用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。［關(guān)鍵詞］單片機(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；LED數(shù)碼管HardwareDesignofDigitalVoltmeterAbstract:Inmoderndetectiontechnology,weutilizehigh-precisiondigitalvoltmeterspotdetection,thedetecteddataintomicro-computersystem,completethecalculation,storage,controlanddisplay.Digitalvoltagemeterinthisarticlefromthemaincontrolmodule,ADCmodule,thedigital(LED)displaymodule,thewatchdogcircuitcomposedofseveralmodules,digitalvoltagemeterhardwaredesign.Hardwaredesigniscomplete,andsoftwaredesignmatchedthedesigntoachievetherealobjective.Thisdigitalvoltmeterdesignedtomeasurethe80~5Vinputvoltage,andfourLEDdigitaltubedisplayrotationcanalsobeeasily8A/Dconversionvolumemeasurement,remotemeasurementresultstransmissionfunctions.Thedesignofthedigitalvoltmetercircuitissimple,theuseoffewercomponents,lowcost,regulationworkcanbeautomated.Keywords:Singlechipmicrocontroller;digitalvoltmeter;A/Dtransformation;lednumericalcodestube目錄1引言 11.1研究的目的和意義 11.2發(fā)展歷程 12系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 22.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 22.2顯示模塊 22.3復(fù)位和存儲(chǔ)模塊 22.4通訊模塊 32.5鍵盤模塊 32.6主要元件清單 33數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì) 33.1主控模塊 43.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計(jì) 53.2.1ADC0809芯片 63.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路 63.3數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 73.3.18位數(shù)碼管 73.3.2數(shù)碼管電路 83.4看門狗電路的設(shè)計(jì) 93.4.1X5045芯片 93.4.2X5045的工作原理 103.4.3看門狗電路 103.5RS232通信電路電路設(shè)計(jì) 113.6電源電路的設(shè)計(jì) 123.7鍵盤電路設(shè)計(jì) 133.8整體硬件電路設(shè)計(jì) 134系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 144.1系統(tǒng)開發(fā)所需的硬件資源 144.2系統(tǒng)硬件調(diào)試 144.2.1數(shù)碼管電路顯示調(diào)試 144.2.2A/D轉(zhuǎn)換調(diào)試 15結(jié)束語 16參考文獻(xiàn) 16附錄1 17附錄2 20致謝 211引言1.1研究的目的和意義數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）簡(jiǎn)稱DVM，DVM的高速發(fā)展，使它已成為實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量?jī)x器發(fā)展的主要方向之一，而高準(zhǔn)度的DC-DVC的出現(xiàn)，又使DVM進(jìn)入了精密標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域。這個(gè)課題的目的和意義在于使自己掌握對(duì)數(shù)字電壓表的理解，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應(yīng)用于電壓測(cè)量外，通過各種變換器還可以測(cè)量其它電量和非電量，測(cè)量是一種認(rèn)識(shí)過程，就是用實(shí)驗(yàn)的方法將被測(cè)量和被選用的相同參量進(jìn)行比較，從而確定它的大小。DVM廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域每期測(cè)量的準(zhǔn)確度和可信度取決于它的主要性能和技術(shù)指標(biāo)。所以我們要學(xué)習(xí)和掌握如何設(shè)計(jì)DVM就顯得十分重要。1.2發(fā)展歷程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為測(cè)量?jī)x器、儀表提供了新原理和新技術(shù)以及新型的元、器體，同時(shí)又對(duì)測(cè)量?jī)x表提出了更新、更高的要求。數(shù)字電壓表(簡(jiǎn)寫為DVM)就是在精密測(cè)量技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。數(shù)字式儀表是能把連續(xù)的被測(cè)量自動(dòng)地變成斷續(xù)的、用數(shù)字編碼方式的、并以十進(jìn)制數(shù)字自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果的一種測(cè)量?jī)x表。這是一種新型儀表，它把電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的成果與精密電測(cè)量技術(shù)密切的結(jié)合在一起。成為儀器、儀表領(lǐng)域中獨(dú)立而完整的一個(gè)分支。1952年，美國(guó)NLS公司首創(chuàng)四位數(shù)字電壓表，到現(xiàn)在的五十多年中經(jīng)過了不斷的改進(jìn)和提高。電壓表是從電位差計(jì)的自動(dòng)化考慮中研制成功的，開始是四位然后是五位、六位，而現(xiàn)在發(fā)展到七位、八位數(shù)碼顯示；從最初的一、二種工作原理發(fā)展到幾十種原理，從最早采用繼電器、電子管發(fā)展到全晶體管化、集成電路化、微處理器化；從一臺(tái)DVM只能測(cè)一、二種參數(shù)到能測(cè)十幾種參數(shù)的多用型；顯示器件也從輝光數(shù)碼顯示發(fā)展到等離子體、發(fā)光二極管、液晶顯示等。電壓表的體積和功耗越來越小，重量不斷減輕，價(jià)格也逐步下降，可靠性越來越高，量程范圍也逐漸擴(kuò)大。回顧一下DVM的發(fā)展過程，大致可以分為以下三個(gè)階段。(1)數(shù)字化階段20世紀(jì)50年代到60年代中期，DVM的特點(diǎn)是運(yùn)用各種原理實(shí)現(xiàn)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，即將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表的數(shù)字化。1952年，第一臺(tái)問世的數(shù)字電壓表是采用電子管的伺服比較式；1956年出現(xiàn)諧波式V/T(電壓/時(shí)間變換型)；1961年出現(xiàn)全晶體管化的逐次逼近比較式；1963年出現(xiàn)電壓/頻率（V/F）變換型（單積分式）；1966年出現(xiàn)雙積分式（雙斜式）等，這一時(shí)期的顯示位數(shù)是3.5-5.5位。(2)高精度階段由于精密電測(cè)量的需要，DVM開始向高準(zhǔn)確、高位數(shù)方向發(fā)展，出現(xiàn)了所謂復(fù)合型原理的儀表。如1971年日本研制的TR-6567（三次采樣積分式）；1973年英國(guó)研制的SM-215（兩次采樣電感分壓比較型）；1972年日本研制的TR-6501型DVM已達(dá)到了8位數(shù)。與此同時(shí)對(duì)積分方案進(jìn)行了改進(jìn)和提高，出現(xiàn)了如Dana公司的6900型（7位）、Solartron公司生產(chǎn)的7075型（8位），其準(zhǔn)確度可達(dá)到百萬分之幾。(3)智能化階段由于電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路（LSI）及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使人們不久就研制出微處理器數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)了DVM數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和可編程序，因?yàn)閹в写鎯?chǔ)器并使用軟件支持，所以可以進(jìn)行信息處理，可通過標(biāo)準(zhǔn)接口組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS）。例如，F(xiàn)luke公司的8506型、Solartron公司的7065型和7081型、Datron公司的1071和1281型，以及Fluke公司的最新產(chǎn)品8508A型等。它們除了完成原有DVM的各種功能外，還能夠自校、自檢，保證了自動(dòng)測(cè)量的高準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了儀器、儀表的智能化。當(dāng)前，智能式儀表發(fā)展十分迅速，而微處理式DVM在智能儀表中占的比重最大，智能化的DVM為實(shí)現(xiàn)各種物理量的動(dòng)態(tài)測(cè)量提供了可能。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊方案1：選用專用電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量和現(xiàn)實(shí)。缺點(diǎn)是精度比較低，且內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換和控制部分不可控制；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉。方案2：選用單片機(jī)AT89C51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴；基于設(shè)計(jì)的要求，優(yōu)先選用了方案2。2.2顯示模塊方案1：選用4個(gè)單體的共陰數(shù)碼管，將a—h全部連接起來，然后接到單片機(jī)口的I/O上進(jìn)行控制。缺點(diǎn)是焊接時(shí)比較麻煩，容易出錯(cuò)；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較便宜。方案2：選用一個(gè)四聯(lián)的共陰數(shù)碼管。這個(gè)電路幾乎沒有缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是便于控制，價(jià)格低廉，焊接簡(jiǎn)單?；谝陨戏桨负驮O(shè)計(jì)的要求，優(yōu)先選用了方案2。2.3復(fù)位和存儲(chǔ)模塊X5045是一種集上電復(fù)位、看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM四種功能于一身的可編程控制電路，它有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少電路板的占用面積，提高可靠性。因此這里選擇了X5045。2.4通訊模塊由于RS232是全雙工的，RS485是半雙工的，RS485與RS232僅僅是通訊的物理協(xié)議（即接口標(biāo)準(zhǔn)）有區(qū)別，RS485是差分傳輸方式，RS232是單端傳輸方式，但通訊程序沒有太多的差別。PC機(jī)上已經(jīng)配備有RS232，直接使用就行了，若使用RS485通訊，只要在RS232端口上配接一個(gè)RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換頭就可以了，不需要修改程序。出于經(jīng)濟(jì)角度考慮，這里選用RS232。2.5鍵盤模塊鍵盤部分有九個(gè)按鍵、九個(gè)1K的電阻、一個(gè)GAL22V10D鍵盤編碼芯片構(gòu)成，九個(gè)按鍵中K1到K8分別控制選擇通道1到8，第九個(gè)按鍵控制選擇掃描模式。2.6主要元件清單主要元件清單如表1所示：表1數(shù)字電壓表主要元件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量/個(gè)用途單片機(jī)AT89C511控制核心晶振12MHZ1晶振電路看門狗X50451看門狗電路電源VCC+5V/1A1提供+5V電源數(shù)碼管4位共陰1顯示電路A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC08091模/數(shù)轉(zhuǎn)換電位器1KΩ1調(diào)節(jié)電位3數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì)該題目設(shè)計(jì)單片機(jī)接口技術(shù)和電壓測(cè)量技術(shù)，包括數(shù)碼管顯示電路、看門狗電路和通信接口電路、A/D電路。通過A/D電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的測(cè)量，單片機(jī)處理后通過數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，看門狗電路實(shí)現(xiàn)控制，而通信接口電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量電量的通過功能，從而擴(kuò)大數(shù)字電壓表的應(yīng)用范圍和測(cè)量的距離，可以集成在不同的系統(tǒng)中、可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬的數(shù)字電壓通過單片機(jī)控制轉(zhuǎn)換顯示在七段數(shù)碼管上，測(cè)量的最小分辨率為0.019V，測(cè)量誤差約為0.02V。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和功能，系統(tǒng)分為主控模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管（LED）顯示模塊、看門狗電路幾個(gè)模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。主控模塊采用AT89C51，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809芯片，用于A/D轉(zhuǎn)換，顯示模塊采用4位七段共陰LED數(shù)碼管，看門狗電路采用X5045。單片機(jī)系統(tǒng)A/D單片機(jī)系統(tǒng)A/D看門狗EEPROM數(shù)碼管顯示模塊通信接口鍵盤圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.1主控模塊AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器[1]。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）在AT89C51中，P3端口還用于一些復(fù)用功能。其復(fù)用功能如表2所示。表2P3各端口引腳與復(fù)用功能表端口引腳復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，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禁止，置位無效。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常需要將檢測(cè)到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。然后在將處理的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的過程稱為D/A轉(zhuǎn)換。3.2.1ADC0809芯片(1)引腳功能說明如下：IN0～I(xiàn)N7:8個(gè)輸入通道的模擬輸入端。D0～D7:8位數(shù)字量輸出端。START:啟動(dòng)信號(hào)，加上正脈沖后，A/D轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行。ALE:地址鎖存信號(hào)。由低至高電平時(shí)，把三位地址信號(hào)送入通道號(hào)地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開始后，EOC信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC返回高電平。這個(gè)信號(hào)可以作為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來查詢，也可以直接用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE:輸出允許控制端。CLK:時(shí)鐘信號(hào)。最高允許值為640kHz。VREF+和VREF-:A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。VCC:電源電壓。由于是CMOS芯片，允許的電壓范圍較寬，可以是+5～+15V。(2)主要性能指標(biāo)：分辨率為8位。最大不可調(diào)誤差：±1LSB。單電源+5V供點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓由外部提供，典型值為+5V，此時(shí)允許輸入模擬電壓為0～5V。具有鎖存控制的8路模擬選通開關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出電平與TTL電平兼容。功耗15mW。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘的頻率范圍：10～1280KHz，當(dāng)CLK=500KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為128us[2]。3.2.2A/DADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，28引腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除A/D轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開關(guān)部分。ADC0809與AT89C51連接可采用查詢方式，也可以采用中斷方式，圖2為中斷方式連接的電路圖。由于ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與AT89C51接口。AT89C51的P2.0～P2.3管腳分別連接ADC0809的25至22管腳，起到地址鎖存作用；AT89C51的P0.7～P0.0管腳分別連接ADC0809的OUT1～OUT8管腳，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后送入AT89C51中。AT89C51的P3.3管腳與ADC0809的EOC管腳相連，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志。由P2.3控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端（START）和ALE端，低三位地址線加到ADC0809的ADDA、ADDB和ADDC端。啟動(dòng)ADC0809的工作過程是：先送通道號(hào)地址到ADDA、ADDB和ADDC端；由ALE信號(hào)鎖存通道號(hào)地址后，讓START有效，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完畢，EOC端發(fā)出一正脈沖，申請(qǐng)中斷。在中斷服務(wù)程序中，使OE端有效，打開輸出鎖存器三態(tài)門，8位數(shù)據(jù)便讀入到CPU中，數(shù)據(jù)采集完畢。圖2ADC0809接線電路3.3數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管在儀器儀表中主要是顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便的和單片機(jī)系統(tǒng)連接，數(shù)碼管的體積小、輸出內(nèi)容的器件重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示元器件。3.3.18位數(shù)碼管8段數(shù)碼管屬于LED發(fā)光器件的一種。LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點(diǎn)陣。8段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：a、b、c、d、e、f、g、dp10根管腳，每一段有一根管腳。其中P為小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管常用的有另外兩根管腳為一個(gè)數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通，從電路上，數(shù)碼管又可分為共陰和共陽兩種。本系統(tǒng)采用的是共陰極，如圖3所示。(a)共陰極(b)共陽極圖3LED7段顯示數(shù)碼管3.3.2數(shù)碼管電路用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)在發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示數(shù)碼管的8個(gè)筆畫段a——h同名端連在一起，而每一個(gè)顯示數(shù)碼管的公共極COM各自獨(dú)立的受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于COM段，而這一段是由I/O控制的，由單片機(jī)決定何時(shí)顯示哪一位了。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示數(shù)碼管的COM端，使各個(gè)顯示數(shù)碼管輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)數(shù)碼管件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間，本系統(tǒng)采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示。本系統(tǒng)采用的是4數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管與單片機(jī)的接線圖如圖4所示。P1口用作段選口，P3.4、P3.5、P3.6、P3.7位用作位選。圖4數(shù)碼管接線圖3.4看門狗電路的設(shè)計(jì)看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用X5045硬件看門狗電路。3.4.1X5045芯片X5045是美國(guó)Xicor公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片[6]。SO：串行數(shù)據(jù)輸出腳，在一個(gè)讀操作的過程中，數(shù)據(jù)從SO腳移位輸出，在時(shí)鐘的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)改變。SI：串行數(shù)據(jù)輸入腳，所有的操作碼、字節(jié)地址和數(shù)據(jù)從SI腳寫人，在時(shí)鐘的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被鎖定。SCK：串行時(shí)鐘，控制總線上數(shù)據(jù)輸入和輸出的時(shí)序。/CS：芯片使能信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，芯片不被選擇，SO腳為高阻態(tài)，除非一個(gè)內(nèi)部的寫操作正在進(jìn)行，否則芯片處于待機(jī)模式；當(dāng)引腳為低電平時(shí)，芯片處于活動(dòng)模式，在上電后，在任何操作之前需要CS的一個(gè)從高電平到低電平的跳變。/WP：當(dāng)WP引腳為低時(shí)，芯片禁止寫入，但是其他的功能正常；當(dāng)WP引腳為高電平時(shí)，所有的功能都正常；當(dāng)CS為低時(shí)，WP變?yōu)榈涂梢灾袛鄬?duì)芯片的寫操作，但是如果內(nèi)部的寫周期已經(jīng)被初始化后，WP變?yōu)榈筒粫?huì)對(duì)寫操作造成影響。RESET：復(fù)位輸出端。VCC：電源端。VSS：接地端。3.4.2X5045的工作原理X5045是一種集上電復(fù)位、看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM四種功能于一身的可編程控制電路，它有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少電路板的占用面積，提高可靠性。(1)上電復(fù)位X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESET引腳有效。該信號(hào)可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當(dāng)VCC超過器件的Vtrip限值時(shí)，電路將在200ms(典型)延時(shí)后釋放RESET以允許系統(tǒng)開始工作。(2)低電壓檢測(cè)工作時(shí)，X5045對(duì)VCC電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小Vtrip以下時(shí)，系統(tǒng)即確認(rèn)RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當(dāng)RESET被確認(rèn)后，該RESET信號(hào)將一直保持有效，直到電壓跌到低于1V。而當(dāng)VCC返回并超過Vtrip達(dá)200ms時(shí)，系統(tǒng)重新開始工作。(3)看門狗定時(shí)器看門狗定時(shí)器的作用是通過監(jiān)視WDI輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)CS/WDI引腳以避免RESET信號(hào)激活而使電路復(fù)位，所以CS/WDI引腳必須在看門狗超時(shí)時(shí)間終止之前受到由高至低信號(hào)的觸發(fā)。3.4.3看門狗電路X5045硬件連接圖如圖5所示。AT89C51的P2.4～P2.7分別連接X5045的B4～B7管腳，AT89C51的RESET與X5045的7管腳相連，當(dāng)程序進(jìn)入“跑飛”狀態(tài)或系統(tǒng)上電時(shí)，起復(fù)位左右；另外，還有按鍵手動(dòng)復(fù)位。X5045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間?？撮T狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過X5045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。X5045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPR0M的工作設(shè)置有關(guān)?？撮T狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間，系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時(shí)，則看門狗定時(shí)時(shí)間很快增長(zhǎng)到預(yù)置時(shí)間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。實(shí)踐證明，采用該電路的數(shù)據(jù)采集的性能穩(wěn)定可靠。X5045看門狗電路具有多功能、反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢哉fX5045是一種性價(jià)比較高的電路芯片，并可非常方便地與許多常用CPU系列器件接口，非常適用于智能儀器、實(shí)時(shí)控制、微型化等場(chǎng)合。圖5看門狗電路接線圖3.5RS232通信電路電路設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與下載，本設(shè)計(jì)中采用MAX232實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，使用+5V單電源供電。外部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成，功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電壓，滿足RS232串口對(duì)電平的要求。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）[11]。圖6采用MAX232接口串行通信電路3.6電源電路的設(shè)計(jì)為了給電路提供穩(wěn)定的電源，本設(shè)計(jì)中采用圖7電源電路給各部分電路提供電源。圖7電源電路這是一個(gè)輸出+5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C0、C1分別為輸入端和輸出端濾波電容，C9電容濾除電源中的高頻雜波。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。主要給AT89C51、ADC0809、X5045、LED顯示模塊等芯片提供穩(wěn)定的+5V直流電源，具體的情況如表3所示。表3工作電壓元件名稱型號(hào)數(shù)量/個(gè)工作電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C511提供+5V電源A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC08091提供+5V電源看門狗X50451提供+5V電源MAX232MAX2321提供+5V電源數(shù)碼管4位共陰1提供+5V電源3.7鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤采用中斷方式的編碼鍵盤，僅當(dāng)有惟一一個(gè)鍵按下時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)并提供所按的鍵的編碼(4個(gè)二進(jìn)制位)。該電路由一片可編程邏輯芯片GAL22V10D控制。對(duì)按鍵的監(jiān)控由可編程邏輯芯片GAL22V10D完成。當(dāng)沒有鍵按下或有不只一個(gè)鍵按下時(shí)，該芯片的輸出中斷信號(hào)為高，不引起單片機(jī)中斷；當(dāng)有唯一一個(gè)鍵按下時(shí)，該芯片的輸出中斷信號(hào)為低，以引起單片機(jī)中斷并通過4位數(shù)據(jù)線提供按鍵的編碼信號(hào)，直到該鍵彈起或同時(shí)有其它鍵按下，鍵盤電路如圖8所示。圖8鍵盤電路3.8整體硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)硬件總體設(shè)計(jì)的方框圖，設(shè)計(jì)出實(shí)際電路圖見附錄2，電路中利用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制信號(hào)；通過ADC0809轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)輸出；并通過數(shù)碼管顯示電路，將某一時(shí)刻輸出的值顯示出來。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)開發(fā)所需的硬件資源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要硬件資源主要有：(1)AT89C51單片機(jī)、RS232、ADC0809等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需元器件，詳細(xì)的電子元器件需求根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要購(gòu)買。(2)電路板調(diào)試、焊接工具，常用的儀器有：萬用表、穩(wěn)壓電源、烙鐵等；(3)單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試仿真器。4.2系統(tǒng)硬件調(diào)試4.2.1數(shù)碼管電路顯示調(diào)試通過A/D電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的測(cè)量，看門狗電路實(shí)現(xiàn)控制，單片機(jī)處理后通過數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬的數(shù)字電壓通過單片機(jī)控制轉(zhuǎn)換顯示在七段數(shù)碼管上，如圖9所示，數(shù)據(jù)顯示正常，證明電路設(shè)計(jì)正確，顯示程序見附錄1。圖9數(shù)碼管顯示4.2.2A/D轉(zhuǎn)換調(diào)試對(duì)硬件電路完成設(shè)計(jì)并通過軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試，硬件仿真連線圖如圖10所示，燒入程序仿真，調(diào)試結(jié)果通過七段數(shù)碼管顯示出具體電壓數(shù)值，測(cè)得的電壓與實(shí)際電壓存在一定的誤差，與本設(shè)計(jì)中誤差值相符合，即設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，轉(zhuǎn)換程序見附錄1。圖10整體硬件仿真電路圖結(jié)束語本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)碼管顯示電路認(rèn)真的學(xué)習(xí)以及對(duì)單片機(jī)技術(shù)有了更進(jìn)一步的熟悉，實(shí)際操作和課本上的知識(shí)有很大聯(lián)系，但又高于課本，一個(gè)看似很簡(jiǎn)單的電路，要?jiǎng)邮职阉O(shè)計(jì)出來就比較困難了，因?yàn)槭窃O(shè)計(jì)要求我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)中注意這一點(diǎn)，要把課本上所學(xué)到的知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系起來，同時(shí)通過本次電路的設(shè)計(jì)，不但鞏固了所學(xué)知識(shí)，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上結(jié)合起來，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣，考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，和組織材料的綜合能力。通過這次設(shè)計(jì)不僅鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，而且提高了創(chuàng)新能力。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，在收獲知識(shí)的同時(shí)，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我們通過查找大量資料，請(qǐng)教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高，而且在與老師和同學(xué)的交流過程中，互動(dòng)學(xué)習(xí)，將知識(shí)融會(huì)貫通。更重要的是我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。不管怎樣，這些都是一種鍛煉，一種知識(shí)的積完全可以把這個(gè)當(dāng)作基礎(chǔ)東西，只有掌握了這些最基礎(chǔ)的，才可以更進(jìn)一步，取得更好的成績(jī)。參考文獻(xiàn)[1]李朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1995年7月[2]肖洪兵等編著.跟我學(xué)單片機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1997年9月[3]王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1999年7月[4]王忠誠(chéng).電子電路用元器件入門教程.北京：電子工業(yè)出版社.2006年5月[5]劉義濤.protelDXP設(shè)計(jì)及應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社.2000年6月[6]何立民.《單片機(jī)應(yīng)用文集》.北京航空航天大學(xué)出版社.1994.年6月[7]周興華編.手把手教你學(xué)單片機(jī).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1993年1月[8]胡宴如，耿蘇燕.模擬電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999年9月[9]AT89C51DATASHEEPPhilipsSemiconductors1999.dec[10]王幸之等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)「M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2000年[11]RS232/485轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)及原理.中國(guó)電子網(wǎng).[12]高有堂.電子電路設(shè)計(jì)制版與仿真[M]．鄭州:鄭州大學(xué)出版社，2005[13]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，PC-MCU串行通信的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，廣州.[14]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)-系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998[15]Nunan,D.DesigningTasksfortheCommunicativeClassroom.Cambridge:Cambridge[16]彭喜元.《單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)》.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2008年7月[17]周向紅.《51系列單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程》.北京航空航天大學(xué)出版社,2008年5月[18]張毅剛.《新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003附錄1(1)顯示仿真程序#include<REG51.H>unsignedcharcodeDIS_SEG7[8]={0X01,0X12,0X23,0X34,0X45,0X56,0X67,0X78};//voiddelay(unsignedintk){unsignedinti,j;for(i=0;i<k;i++){ for(j=0;j<121;j++){}; }}//voidmain(void){unsignedcharcnt; while(1) { for(cnt=0;cnt<4;cnt++) {P1=DIS_SEG7[cnt];Switch(cnt){case0：P3^4=1;break;case1:P3^5=1;break;case2:P3^6=1;break;case3:P3^7=1;break;default:;} delay(1);}}}(2)A/D轉(zhuǎn)換仿真程序#include

<stdio.h>#include

<reg51.h>

sbit

A1=P3^4;

//數(shù)碼管的位選信號(hào)

sbit

A2=P3^5;

sbit

A3=P3^6;

sbit

A4=P3^7;

sbit

OE=P3^0;

unsigned

int

aa;

//輸入的電壓值

unsigned

char

ADC0808;void

delay(unsigned

int

t);

//延時(shí)程序

vo