基于51單片機 PCF8591數(shù)字電壓表課程設(shè)計

1、課程名稱： 微機原理課程設(shè)計 題 目： 數(shù)字電壓表 摘要單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當于一個微型的計算機（最小系統(tǒng)），和計算機相比，單片機缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。其中我們用于學習用的最多的是STC89C52單片機，STC

2、89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但也做了很多改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。STC89C52具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。本設(shè)計就是以單片機STC89C52為核心，附以外圍電路，實現(xiàn)數(shù)字電壓表的功能，并運用軟件Proteus進行仿真來得到實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機、仿真、中斷、數(shù)字電壓

3、表、數(shù)碼管顯示目錄一、任務(wù)要求41.1 設(shè)計任務(wù)41.2 設(shè)計要求41.3 發(fā)揮部分41.4 創(chuàng)新部分4二、方案總體設(shè)計與論證5三、硬件設(shè)計63.1 單片機晶振部分63.2 單片機復(fù)位部分63.3 電源模塊部分73.4 A/D轉(zhuǎn)換部分73.5 數(shù)碼管顯示部分83.6 單片機STC89C5210四、軟件設(shè)計134.1 程序設(shè)計總方案134.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計134.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序134.4 中斷14五、系統(tǒng)仿真與調(diào)試15六、設(shè)計總結(jié)與心得體會186.1 設(shè)計總結(jié)186.2 心得體會18七、參考文獻19一、任務(wù)要求1.1 設(shè)計任務(wù)使用所學的單片機以及編程的知識，利用PCF8591A/D轉(zhuǎn)換芯

4、片把電阻轉(zhuǎn)換為電壓并使用四位數(shù)碼管顯示出來。1.2 設(shè)計要求利用所學的軟硬件知識，使用KEIL uVision4軟件編寫能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電壓表功能的程序。使用軟件將數(shù)字電壓表的硬件電路的模擬電路在70mm*90mmPCB板模板上繪制出來，然后根據(jù)lochmaster30軟件所繪制的模擬電路在70mm*90mmPCB板上焊接出來。檢查電路焊接完好后把編寫好的程序下載到單片機內(nèi)驗證編寫的程序，觀察數(shù)字電壓表的顯示情況是否與實驗要求相符。1.3 發(fā)揮部分使用PCF8591A/D轉(zhuǎn)換芯片通過電阻的調(diào)節(jié)改變電壓并在數(shù)碼管上顯示出來，并且使用一個LED實時的把電壓的大小體現(xiàn)出來，電壓變高LED就變亮，電壓變低

5、LED就變暗。1.4 創(chuàng)新部分本實驗需求測量0-5V電壓，發(fā)揮創(chuàng)新，將測量電壓的大小增大，設(shè)置成可調(diào)擋的形式?？蓽y量5V、10V、20V電壓等。由于時間關(guān)系，程序只寫了測量5V電壓的，稍后會更新程序。本實驗采用的是四路檢測問做法，盡可能發(fā)揮了它的功能。二、方案總體設(shè)計與論證本次步進電機控制實驗以單片機為主體，P0口接上拉電阻驅(qū)動數(shù)碼管的段碼，P2口連接數(shù)碼管的位碼，P2口的高四位從低到高分別控制第一、二、三、四個數(shù)碼管亮或者滅。P1.0口和P1.1口分別接PCF8591芯片的SCL和SDA引腳。SCL和SDA引腳分別為I2C總線的時鐘線、數(shù)據(jù)線。AIN0口接藍白臥式可調(diào)電阻，當可調(diào)電阻滑動時，

6、電阻的變化引起電壓的變化，經(jīng)過PCF8591芯片的實時轉(zhuǎn)換，通過單片機處理實時的在數(shù)碼管上顯示出來。同時也能夠通過外接在芯片的AOUT口的LED體現(xiàn)電壓的大小。AOUT口為芯片的D/A轉(zhuǎn)換輸出端。外加復(fù)位和晶振電路等組成的最小系統(tǒng)。EA引腳接高電平。進行本實驗之初具有兩套方案：方案一：使用附加發(fā)光二極管的亮與暗來體現(xiàn)電壓的大小。此方法擁有體現(xiàn)電壓大小的效果更明確的優(yōu)勢。但是硬件電路會復(fù)雜一點。方案二：不使用附加發(fā)光二極管的亮與暗來體現(xiàn)電壓的大小。此方法具有硬件電路簡單的優(yōu)勢，節(jié)約了成本。但是體現(xiàn)效果不明顯。經(jīng)過衡量，覺得附加LED體現(xiàn)會使電壓大小的體現(xiàn)效果更加明了。所以選擇方案一。使用數(shù)碼管顯

7、示附加LED來體現(xiàn)不電壓的大小。設(shè)計變化框圖如圖1所示：圖1 變化框圖設(shè)計系統(tǒng)功能圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)功能圖總體方案工作原理：STC89C52是集成40個I/O口的單片機，擁有12MHZ的晶振周期，電路擁有可控復(fù)位電路。PCF8591芯片可實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的變化。移動滑動變阻器，電壓的變化模擬量通過PCF8591芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸送到單片機中，通過單片機處理，并在數(shù)碼管上顯示出來。三、硬件設(shè)計3.1 單片機晶振部分如圖3所示，為單片機的晶振電路部分。其中C1、C2為22pF的電容，它是振蕩回路交聯(lián)電容，如果沒這兩個電容的話，振蕩部分會因為沒有回路而停振。電路就不能正常工作。Y1就是12M

8、HZ的晶振。一般來說單片機內(nèi)部有一個帶反饋的線性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振蕩器）和電容就可組成振蕩器，晶振結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的?？梢哉f晶振就是單片機的心臟，為單片機工作提供動力。圖3 單片機晶振電路部分3.2 單片機復(fù)位部分如圖4所示，為單片機的復(fù)位電路部分。復(fù)位電路，就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。當電源低于單片機正常工作電壓，影響單片機工作；程序跑飛，時鐘失步等情況下需要使單片機復(fù)位。該復(fù)位電路為按鍵復(fù)位，按鍵復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當

9、人為按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到RST端。按鍵復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。圖4 單片機復(fù)位電路部分3.3 電源模塊部分如圖5所示，為單片機的電源模塊部分。電源模塊包括一個四腳直排針(P0)，一個藍白自鎖開關(guān)(S5)，一個1K限流電阻(R2)和一個發(fā)光二極管(L0)。電源模塊能夠為電路提供電源。圖5 電源模塊部分3.4 A/D轉(zhuǎn)換部分如圖6所示，為A/D轉(zhuǎn)換部分。其中R3為藍白臥式電位器，調(diào)節(jié)電阻可使VO輸入芯片的電壓發(fā)生變化R4為LED的限流電阻，L1為電壓大小體現(xiàn)的發(fā)光二極管。圖6 A/D轉(zhuǎn)換部分PCF85

10、91是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。如圖7為PCF8591內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：如圖7為PCF8591內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8為PC

11、F8591引腳圖：如圖8為PCF8591引腳圖AIN0AIN3：模擬信號輸入端。A0A3：引腳地址端。VDD、VSS：電源端。SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地。AGND：模擬信號地。AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端。VREF：基準電源端。3.5 數(shù)碼管顯示部分數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。

12、共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。本實驗用的是四位八段共陰數(shù)碼管。圖9為共陰極數(shù)碼管電路結(jié)構(gòu)。圖9 共陰數(shù)碼管電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，為本實驗的數(shù)碼管顯示部分。圖10 數(shù)碼管顯示部分如圖11所示，為四位共陰數(shù)碼管的引腳圖。圖11 四位共陰數(shù)碼管引腳圖如圖11所示，其中A1,A2,A3,A4分別是數(shù)碼管從左到右的位選，dp為共地端，在使用時，共陰極數(shù)碼管應(yīng)該將它接地。其中，a,b,c,d,e,f,g,dp對應(yīng)

13、的段選分別為如圖12對應(yīng)段選。圖12 數(shù)碼管的段選數(shù)碼管要顯示數(shù)字就需要通過PO口輸入高低電平控制每個LED燈的亮滅，公共端接地線P0口接1K的上拉電阻。由于并未用到小數(shù)點顯示，所以DP引腳懸空。如表1所示為數(shù)碼管顯示數(shù)字的實現(xiàn)：顯示字型dp，g,f,e,d,c,b,a字符碼00 0 1 1 1 1 1 10x3f10 0 0 0 0 1 1 00x0620 1 0 1 1 0 1 10x5b30 1 0 0 1 1 1 10x4f40 1 1 0 0 1 1 00x6650 1 1 0 1 1 0 10x6d60 1 1 1 1 1 0 10x7d70 0 0 0 0 1 1 10x0780

14、 1 1 1 1 1 1 10x7f90 1 1 0 1 1 1 10x6f表1 數(shù)碼管的顯示3.6 單片機STC89C52STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但也做了很多改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。STC89C52具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。如圖13所示為STC89C52的引腳圖。圖13

15、單片機STC89C52以下為STC89C52的管腳說明：1） P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。 2） P1口：P1口是一個內(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P

16、1口作為低八位地址接收。3） P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。4） P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TT

17、L門電流。當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）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行輸入口）；P3.1 TXD（串行輸出口）；P3.2 /INT0（外部中斷0）；P3.3 /INT1（外部中斷1）；P3.4 T0（記時器0外部輸入）；P3.5T1（記時器1外部輸入）；P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。5） RST：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

18、期的高電平時間。6） ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(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。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，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。7） /PSEN：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

19、期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。8） /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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） XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。10） XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用

20、外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。四、軟件設(shè)計數(shù)字電壓表程序編寫是通過時下最流行的KEIL uVision4一體化集成編程軟件完成，在KEIL環(huán)境下編寫程序并生成二進制文件。軟件流程圖如圖4所示。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，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序。4.1 程序設(shè)計總方案程序流程圖是人們對解決程序問題的方法，思路或者算法的一種描述。流程圖的優(yōu)點是：采用簡單規(guī)范的符號，畫法簡單。結(jié)構(gòu)清晰，邏輯性強。便與描述，容易理

21、解。程序流程圖畫法不可隨意，一旦隨意就會使程序結(jié)構(gòu)雜亂無章，這樣的程序令人難以理解和接受，并且容易出錯。因此程序必須遵守三個結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)。在流程圖中，不同的圖形代表著不同的含義。圖14為本程序設(shè)計總方案： 圖14 程序設(shè)計總方案4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計初始化程序，所謂初始化，是對將要用到的STC89C52單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等4.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應(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15所示。圖15 轉(zhuǎn)換

22、流程圖4.4 中斷中斷是CPU對系統(tǒng)發(fā)生的某個事件作出的一種反應(yīng)。引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源向CPU提出處理的請求稱為中斷請求。發(fā)生中斷時被打斷程序的暫停點成為斷點。CPU暫?，F(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)為響應(yīng)中斷請求的過程稱為中斷響應(yīng)。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回斷點的過程稱為中斷返回。中斷的實現(xiàn)實行軟件和硬件綜合完成，硬件部分叫做硬件裝置，軟件部分成為軟件處理程序。大體上可以把中斷全過程分為5個階段：中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。單片機有五個中斷源：外部中斷0(INT0)；定時器T0中斷；外部中斷1(INT1)；定時器T1中斷，串