淮陰工學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)--簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)目的和要求 1.1設(shè)計(jì)目的測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校期間必須接受的一項(xiàng)工程訓(xùn)練，在課程設(shè)計(jì)過程中，在教師指導(dǎo)下，運(yùn)用工程的方法，通過一個(gè)簡(jiǎn)單課題的設(shè)計(jì)和練習(xí)，可使學(xué)生初步體驗(yàn)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法，了解必須提交的各項(xiàng)工程文件，也達(dá)到鞏固、充實(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的目的1. 2設(shè)計(jì)任務(wù)利用單片機(jī)AT89C52與ADC0809設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電壓表，要求簡(jiǎn)易電壓表可以測(cè)量0-5V范圍內(nèi)的8位輸入電壓值，并且在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示和單路選擇顯示。1.3設(shè)計(jì)要求：(1）根據(jù)設(shè)計(jì)要

2、求，選擇AT89C2單片機(jī)為核心控制器件。（2）A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809實(shí)現(xiàn)，與單片機(jī)的接口為P1口和P2口的高四位引腳。（3）電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。（4）LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。二、設(shè)計(jì)方案運(yùn)用單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字電壓表中包含三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸入/輸出模塊。在數(shù)據(jù)采集保持模塊中，基本結(jié)構(gòu)大部分都一樣，主要是對(duì)電壓信號(hào)采樣前，用放大器進(jìn)行預(yù)處理，然后通過保持器保持采樣。 目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度。本次以簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，系

3、統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C52再對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號(hào)。硬件電路設(shè)計(jì)由6個(gè)部分組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及測(cè)量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖2-1所示。時(shí)鐘電路 復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電壓輸入顯示系統(tǒng)AT89C52 P1 P2 P2 P0 2-1數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖三、程序設(shè)計(jì)3.1 程序設(shè)計(jì)總方案 根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個(gè)程

4、序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，如圖3-1所示。圖3-1數(shù)字式直流電壓表主程序框圖3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)3.2.1 初始化程序所謂初始化，是對(duì)將要用到的MCS_51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時(shí)器等。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對(duì)輸入的模塊電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖3-2所示。圖3-2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖3.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí)，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的

5、亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時(shí)，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對(duì)LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時(shí)間為1ms。在本設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，主要采用軟件定時(shí)的方式，即用定時(shí)器0溢出中斷功能實(shí)現(xiàn)11s定時(shí)，通過軟件延時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)5ms的延時(shí)。圖3-3顯示子程序四、單元硬件設(shè)計(jì)4.1 AT89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C52是此次課程設(shè)計(jì)的核心部分。其管腳圖4-1如下：圖4-1 AT89C52管腳圖AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有8KB的Flash存儲(chǔ)器，且允許在系統(tǒng)內(nèi)改寫或用編程器編程。另外，AT89C52的指令系

6、統(tǒng)和引腳與80C52完全兼容。AT89C52各管腳功能如下：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。；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；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；P3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

7、作輸入；P3口管腳功能： P3.0是RXD（串行輸入口）；P3.1是TXD（串行輸出口）；P3.2是/INT0（外部中斷0）；P3.3是/INT1（外部中斷1）；P3.4是T0（記時(shí)器0外部輸入）；P3.5是T1（記時(shí)器1外部輸入）；P3.6是/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）；P3.7是/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）；P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。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)，地址鎖存允許輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器

8、周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。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。4.2A/D轉(zhuǎn)換器選擇A/D轉(zhuǎn)換器是核心器件，它關(guān)系到最后數(shù)字電壓表的精確度。所以A/D芯片的選擇是設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。常用的A/D芯片ADC0808，ADC0809，ADC0832，TLC2543等幾種。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，與微機(jī)直接接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路

9、開關(guān)，可以對(duì)8路0-5V輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于ADC0809設(shè)計(jì)時(shí)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。ADC0808主要特性：8路8位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(shí)間：128s；轉(zhuǎn)換精度：0.2%；單個(gè)+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0- +5V,無需外部零點(diǎn)和滿度調(diào)整；低功耗，約15mW。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理：圖4-2逐次逼近法原理4.3 ADC0809的外部引腳特征圖4-3 ADC0809的管腳圖ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)

10、8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖7）。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)

11、束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。4.4復(fù)位電路和時(shí)鐘電路4.4.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)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(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí)器件復(fù)位。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖4-4是52系列單片機(jī)統(tǒng)常用的

12、上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，它們都能工作。圖4-4 復(fù)位電路4.4.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對(duì)應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘電路還需附加其他電路。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，如圖4-5所示。圖4-5時(shí)鐘電路

13、電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是3010pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12MHz。4.5LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.5.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件6。在單片機(jī)中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。LED七段數(shù)碼顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管

14、組成顯示字段，其中7個(gè)長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖4-6所示:圖4-6 LED引腳排列4.5.2 LED顯示器的選擇在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號(hào)不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)計(jì)中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，簡(jiǎn)稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個(gè)位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖3-8所示，是一個(gè)共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中a，b，c，e，f，g為4位LED各段

15、的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點(diǎn)引出端，4位一體LED數(shù)碼顯示管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個(gè)單獨(dú)的LED組成，每個(gè)LED的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后，引出到器件的外部。圖4-5-2 4位LED引腳對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的LED顯示器，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計(jì)要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)部連接在一起，所以必須使用動(dòng)態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，用一個(gè)I/O接口控制）顯示。4.6總體電路設(shè)計(jì)經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)過程，可設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖4-6所示。圖4-6 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表電路圖五. 設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，了解了AD0809的作用以及其

16、的接口作用，用Proteus進(jìn)行仿真，了解了Proteus軟件的基本使用方法，用keil轉(zhuǎn)換偉福識(shí)別語言，使該軟件能夠識(shí)別C語言，也加深了對(duì)單片機(jī)模擬仿真軟件的認(rèn)識(shí)和理解；也在實(shí)際操作連接外電路的過程中，遇到了許多問題，意識(shí)到自己知識(shí)的匱乏，自己的動(dòng)手能力也亟待提高，無疑這對(duì)以后的學(xué)習(xí)是種無形的激勵(lì)。同時(shí)在尋求解決問題，查找資料，向老師請(qǐng)教的同時(shí)，提高了自己做設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，也學(xué)會(huì)了如何利用圖書資源和自身知識(shí)去轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用，為以后的學(xué)習(xí)提高奠定了基礎(chǔ)，總之這次實(shí)驗(yàn)我受益匪淺。附錄 程序代碼全部軟件程序如下：#include#define uchar unsigned char#define

17、uint unsigned int#define key_state0 0 /鍵盤掃描的各個(gè)狀態(tài)#define key_state1 1#define key_state2 2#define key_state3 3sbit rs=P12;/1602液晶寫命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志,0時(shí)寫命令sbit rw=P11;/1602液晶寫入/讀出標(biāo)志,0時(shí)寫入數(shù)據(jù)sbit ep=P10;sbit input=P14;sbit output=P13;sbit cs=P15;sbit clk=P16;sbit key=P20;sbit flag_1=P21;/定義電壓表檔位相關(guān)標(biāo)志sbit flag_2=P22;s

18、bit flag_3=P23;sbit flag_4=P24;uchar code tab0=V ; /顯示的單位及有關(guān)的字符uchar code tab1=MV;uchar code tab2=Power:;uchar code tab3=Aver_V:;/平均電壓值標(biāo)志符uchar t;void delay(int z)/延時(shí)函數(shù)int x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=10;y0;y-);void write_com(uchar com)/往1602液晶寫命令函數(shù)rs=0;P0=com;delay(5);ep=1;delay(5);ep=0;void write_dat(u

19、char dat)/往1602液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)rs=1;P0=dat;delay(5);ep=1;delay(5);ep=0;void init_1602()/對(duì)1602液晶的初始化函數(shù)rs=0;rw=0;write_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c);delay(1);write_com(0x06);delay(1);write_com(0x01);delay(1);void init_timer0()/定時(shí)計(jì)數(shù)器0初值化函數(shù)，TMOD=0x01;/方式一TH0=(65536-50000)/256;/每50ms中斷一次TL0=(65536-50000)%256

20、;IE=0x82;/打開中斷TR0=0;/定時(shí)器首先不可工作void display(uchar x,uchar y,uint dat)/顯示電壓值的函數(shù),x行y列開始顯示uint add;uchar i,a5;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break; add=add+y; write_com(add); for(i=0;i5;i+)ai=dat%10;dat=dat/10; write_dat(a4+0x30); write_dat(a3+0x30); write_dat(a2+0x30); write_dat(.)

21、; write_dat(a1+0x30); write_dat(a0+0x30);void display_zifu(uchar x,uchar y,uchar *str)/顯示字符函數(shù),x行y列開始顯示uint add;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break; add=add+y;write_com(add);while(*str!=0)write_dat(*str);str+;uint read_AD(uchar con_way)/讀取AD轉(zhuǎn)換值操作函數(shù)uint dat=0;uchar i;cs=0;clk=0;c

22、on_way=4;for(i=0;i12;i+)con_way=1;/*選擇0通道，在輸入該控制數(shù)據(jù)的同時(shí)輸出前一次AD轉(zhuǎn)結(jié)果*/ input=CY;dat=100)/當(dāng)電壓值大于1V時(shí),用V顯示,否則用mV顯示display_zifu(0,1,tab2);display(0,7,dat);display_zifu(0,13,tab0);elsedisplay_zifu(0,1,tab2);display(0,7,dat*1000);display_zifu(0,13,tab1); read_key(); /當(dāng)鍵盤按下時(shí)，計(jì)算后五秒的平均電壓值if(t=20)t=0;flag+;if(flag

23、=1)dat1=dat;if(flag=2)dat2=dat;if(flag=3)dat3=dat;if(flag=4)dat4=dat;if(flag=5)dat5=dat;dat_aver=(dat1+dat2+dat3+dat4+dat5)/5; display(1,7,dat_aver);display_zifu(1,13,tab0);dat_aver=0; if(flag=8)flag=0;write_com(0x01);TR0=0; void timer0() interrupt 1/定時(shí)器中斷函數(shù)TH0=(65536-50000)/256;/重新放入初始值TL0=(65536-50000)%25