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文檔簡介
1、單片機課程設(shè)計報告簡易數(shù)字電壓表一、設(shè)計任務(wù)與要求1.電壓表的測量范圍為0-5V;2.測量精度約為20mV。二、方案設(shè)計與論證方案一:選擇MC14433A/D轉(zhuǎn)換器、CD4511等元器件設(shè)計電路:方案二:用單片機設(shè)計電路:設(shè)計采用STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809和共陰數(shù)碼管為主要硬件,分析了數(shù)字電壓表Proteus軟件仿真電路設(shè)計及編程方法。將單片機應(yīng)用于測量技術(shù)中,采用ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,用STC89C52實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。通過數(shù)碼管以掃描的方式完成顯示。方案比較:方案1:3為半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433轉(zhuǎn)換精度為讀數(shù)的0.05%1字,并能很方便地
2、判斷出是否超欠量程,以便于量程的自動切換功能的實現(xiàn),其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有輸入阻抗高,功耗低,電源電壓范圍寬,精度高等特點,并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能。缺點是工作速度低,且外圍電路需配基準(zhǔn)電源,短譯碼驅(qū)動器和位驅(qū)動器,電路較復(fù)雜。方案2:設(shè)計電路簡單。易于控制,且性能穩(wěn)定;單調(diào)試過程需要一定的編程基礎(chǔ),可利用Proteus軟件仿真電路設(shè)計和調(diào)試。Proteus軟件是一種電路分析和實物模擬仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上,可以進行仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路,是集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能強大,具
3、有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優(yōu)點,因此可用此軟件方便調(diào)試電路。經(jīng)過以上兩種方案的特點比較,方案二中的電路設(shè)計采用比較常見的元器件,對這種方案有一定的專業(yè)基礎(chǔ),故采用第二種方案。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算1A/D轉(zhuǎn)換模塊1.1ADC0809主要特性ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,帶有使能控制端,與微機直接接口,片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān),可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換,由于ADC0809設(shè)計時考慮到若干種模/數(shù)變換技術(shù)的長處,所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制,微控制器輸入通道的接口電路,智能儀器和機床控制等領(lǐng)域。ADC0809主要特性:8路8位
4、A/D轉(zhuǎn)換器,即分辨率8位;具有鎖存控制的8路模擬開關(guān);易與各種微控制器接口;可鎖存三態(tài)輸出,輸出與TTL兼容;轉(zhuǎn)換時間:128s;轉(zhuǎn)換精度:0.2%;單個+5V電源供電;模擬輸入電壓范圍0- +5V,無需外部零點和滿度調(diào)整;低功耗,約15mW。1.2ADC0809的外部引腳特征 ADC0809芯片有28條引腳,采用雙列直插式封裝,其引腳圖如圖1所示。圖1 ADC089引腳圖下面說明各個引腳功能:IN0-IN7(8條):8路模擬量輸入線,用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制(4條):ALE:地址鎖存允許輸入線,高電平有效,當(dāng)ALE為高電平時,為地址輸入線,用于選擇IN0-IN7上那一條
5、模擬電壓送給比較器進行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線,用于選擇8路模擬輸入中的一路,其對應(yīng)關(guān)系如表1所示:表1 ADC0809通道選擇表地址碼 對應(yīng)的輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START:START為“啟動脈沖”輸入法,該線上正脈沖由CPU送來,寬度應(yīng)大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC: EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線,該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束,數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。D1-D8:數(shù)
6、字量輸出端,D1為高位。OE:OE為輸出允許端,高電平能使D1-D8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。REF+、REF-:參考電壓輸入量,給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。Vcc、GND: Vcc為主電源輸入端,GND為接地端,一般REF+與Vcc連接在一起,REF-與GND連接在一起. CLK:時鐘輸入端。1.3ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程ADC0809由8路模擬通道選擇開關(guān),地址鎖存與譯碼器,比較器,8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次逼近型寄存器,定時和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中:(1)8路模擬通道選擇開關(guān)實現(xiàn)從8路輸入模擬量中選擇一路送給
7、后面的比較器進行比較。(2)地址鎖存與譯碼器用于當(dāng)ALE信號有效時,鎖存從ADDA、ADDB、ADDC 3根地址線上送來的3位地址,譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號,從8路模擬通道中選擇當(dāng)前模擬通道。(3)比較器,8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次逼近型寄存器,定時和控制電路組成8位A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)START信號有效時,就開始對當(dāng)前通道的模擬信號進行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完成后,把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到8位三態(tài)鎖存器,同時通過引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。(4)三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量,當(dāng)OE信號有效時,把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。ADC0809的工作流程為:(1)輸入3位地址,并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中
8、,經(jīng)地址譯碼器從8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。(2)送START一高脈沖,START的上升沿使逐次寄存器復(fù)位,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換,并使EOC信號為低電平。(3)當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時,轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中,并使EOC信號回到高電平,通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。(4)當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時,使OE為高電平,則從輸出端D0-D7讀出數(shù)據(jù)。2單片機系統(tǒng)2.1 STC89C52性能STC89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機,片內(nèi)含有8KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MC
9、S-51指令集和輸出管腳相兼容,由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的STC89C52是一種高效微控制器,它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。STC89C52功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容;數(shù)據(jù)保留時間:10年;全靜態(tài)工作:0-24MHz;三級程序存儲器鎖定;128*8B內(nèi)部RAM;32個可編程I/O口線;2個16位定時/計數(shù)器;5個中斷源;可編程串行UART通道;片內(nèi)震蕩器和掉電模式。 2.2 STC89C52各引腳功能STC89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4KB的Flash閃速存儲器,128B內(nèi)部RAM,32個I/O口線,兩個16位定時
10、/計數(shù)器,一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)震蕩器及時鐘電路,同時,STC89C52可降至0Hz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方式停止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中的內(nèi)容,但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復(fù)位。STC89C52采用PDIP封裝形式,引腳配置如圖3所示。STC89C52芯片的各引腳功能為:P0口:這組引腳共有8條,P0.0為最低位。這8個引腳有兩種不同的功能,分別適用于不同的情況,第一種情況是89C52不帶外存儲器,P0口可以為通用I/O口使用,P0.0-P0.7用
11、于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù),這時輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存,不需要外接專用鎖存器,輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖,增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性;第二種情況是89C52帶片外存儲器,P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址,然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出,在作為通用I/O使用時,需要在外部用電阻上拉。圖3 STC89C52的引腳圖P1口:這8個引腳和P0口的8個引腳類似,P1.7為最高位,P1.0為最低位,當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時,P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同,也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。P2口:這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第
12、一功能相同即它可以作為通用I/O口使用,它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合,用于輸出片外存儲器的高8位地址,共同選中片外存儲器單元,但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口:這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同,第二功能為控制功能,每個引腳并不完全相同,如下表2所示:表2 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 RXT(串行口輸入)P3.1 TXD(串行口輸出)P3.2/INT0(外部中斷0輸入)P3.3/INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0(定時器/計數(shù)器0的外部輸入)P3.5T1(定時器/計數(shù)器1的外部輸入)P3.6/WR(片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許) P3.
13、7/RD(片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許)Vcc為+5V電源線,Vss接地。ALE:地址鎖存允許線,配合P0口的第二功能使用,在訪問外部存儲器時,89C52的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時,89C52自動在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。/EA:片外存儲器訪問選擇線,可以控制89C52使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若/EA=1,則允許使用片內(nèi)ROM, 若/EA=0,則只使用片外ROM。/PSEN:片外ROM的選通線,在訪問片外ROM時,89C52自動在/PSEN線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖,作
14、為片外ROM芯片的讀選通信號。RST:復(fù)位線,可以使89C52處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C52復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。XTAL1和XTAL2:片內(nèi)震蕩電路輸入線,這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容,即用來連接89C52片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3復(fù)位電路和時鐘電路3.1 復(fù)位電路設(shè)計單片機在啟動運行時都需要復(fù)位,使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-52單片機有一個復(fù)位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后,只要該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復(fù)位。復(fù)位完成后,如果RST端繼續(xù)保持高電平
15、,MCS-52就一直處于復(fù)位狀態(tài),只要RST恢復(fù)低電平后,單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種,圖4是51系列單片機統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動復(fù)位組合電路,只要Vcc上升時間不超過1ms,它們都能很好的工作。圖4 復(fù)位電路3.2 時鐘電路設(shè)計單片機中CPU每執(zhí)行一條指令,都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時間節(jié)拍進行,而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機的時序。MCS-52單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器,用于構(gòu)成震蕩器,XTAL1為該放大器的輸入端,XTAL2為該放大器輸出端,但形成時鐘電路
16、還需附加其他電路。本設(shè)計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式,利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器,外部電路只需要一個晶振和2個電容即可,如圖5所示。圖5 振蕩電路電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定,也可以參考一些典型電路的參數(shù),電路中,電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用,通常的取值范圍是3010pF,在這個系統(tǒng)中選擇了30pF;石英晶振選擇范圍最高可選24MHz,它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率,在本系統(tǒng)中選擇的是6MHz,因而時鐘信號的震蕩頻率為6MHz。4 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計4.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段,7個長條形的發(fā)光二極管排列組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖6所示:圖6 LED引腳排列4.2 LED顯示器的選擇在本設(shè)計中,選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器,簡稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位,后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖7所示,是一個共陽極接法的4位LED數(shù)碼顯示管,其中a,b,c,e,f,g為4位LED各段的公共輸出端,1、2、3、4分別是每一
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