單片機(jī)課程設(shè)計(jì)(直流數(shù)字電壓表)

1、南京信息工程大學(xué) 單片機(jī)原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 倪陽(yáng) 肖照飛 學(xué)生學(xué)號(hào)： 20112341905 20112341910 指導(dǎo)老師： 葛化敏 成 績(jī)： 二一四年 六 月 二十 日一、設(shè)計(jì)任務(wù)、目的與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)利用單片機(jī)AT89S52和ADC0809設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，能夠測(cè)量0-5V之間的直流電壓值，四位數(shù)碼管顯示，要求使用的元器件數(shù)目盡量少。本電路主要采用AT89S51芯片和ADC0809芯片來(lái)完成一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字電壓表，能夠?qū)斎氲?5 V的模擬直流電壓進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)一個(gè)4位一體的7段LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。該

2、電壓表的測(cè)量電路主要由三個(gè)模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示控制模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0809來(lái)完成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89S51來(lái)完成，其負(fù)責(zé)把ADC0809傳送來(lái)的數(shù)字量經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；另外它還控制ADC0809芯片的工作。1.2 設(shè)計(jì)目的通過(guò)制作簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表，加深對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，提高對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用能力，提高收集文獻(xiàn)、資料的能力，從而達(dá)到綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的能力。 1.3設(shè)計(jì)要求電路通

3、電或按復(fù)位鍵時(shí)，通過(guò)改變電位器的阻值改變模擬輸入電壓，不斷的將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)LED顯示出所測(cè)得的模擬電壓。在測(cè)試中測(cè)試的電壓值必須和實(shí)際的電壓值不超過(guò)0.5V的電壓。在改變電壓時(shí)，能夠準(zhǔn)確的側(cè)量出電壓的變化值。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，對(duì)8路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809采集到的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)碼管顯示其數(shù)字電壓值。電壓表的測(cè)量電路主要由三個(gè)模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示控制模塊。2.2 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表測(cè)量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成，A/D轉(zhuǎn)換由集成電路A

4、DC0809完成。ADC0809具有8路模擬輸入端口，地址線(第23-25腳)可決定對(duì)哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。第22腳位地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。第6腳位測(cè)試控制，當(dāng)輸入一個(gè)2寬高電平脈沖時(shí)，就開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。第7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，第7腳輸出高電平。第9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出。第10腳為ADC0809的時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)第30腳嘚分頻晶振頻率，再通過(guò)14024二分頻得到1MHz時(shí)鐘，單片機(jī)的P1、P3.0-P3.3端口作為4位LED數(shù)碼管顯示控制，P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示

5、轉(zhuǎn)換按鈕。P3.6端口用作單路顯示時(shí)選擇顯示的通道。P0端口用作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入，P2端口用作ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。這里主要是利用ADC0809模數(shù)串口芯片，ADC0809芯片的基準(zhǔn)電壓腳外接電壓為5V，則最大可以測(cè)得的電壓為5V，ADC0809芯片的模擬輸入腳通過(guò)電位器接5V電壓，進(jìn)行模擬采樣，通過(guò)調(diào)整電位器的值改變模擬量。輸入的模擬量經(jīng)過(guò)ADC0809芯片的內(nèi)部8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成8為二進(jìn)制數(shù)，其最小的分辨率為0.0196（VREF=0.0196V)，D為轉(zhuǎn)化的數(shù)字量，再通過(guò) 可以求得模擬電壓，最后通過(guò)LED就可將所測(cè)得電壓顯示出來(lái)。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1電

6、源部分電路主要是要求能提供穩(wěn)定可靠的電壓，使整個(gè)系統(tǒng)能正常的工作。采用220V的工頻交流電壓，而單片機(jī)的工作電壓是直流+5V，為此，先通過(guò)一個(gè)普通的變壓器降低電壓，再通過(guò)橋式整流，然后再通過(guò)7805芯片的進(jìn)一步穩(wěn)壓，確保+5V電源的穩(wěn)定、可靠。而且7805集成穩(wěn)壓器是常用的固定輸出+5V電壓的集成穩(wěn)壓器。它的內(nèi)部含有限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端，使用十分方便，可以在任何有交流電壓的地方使用，不需另帶電池。通過(guò)整流濾波以后輸出直流電壓，為了確保整個(gè)電路能正常工作，考慮到不接負(fù)載或電源電壓有波動(dòng)時(shí)電容

7、能承受的耐壓，必須加電容。發(fā)光二極管D2點(diǎn)亮表示電源電路正常工作，其電源電路如圖所示： 3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。如果按照工作原理劃分，ADC主要有4種類(lèi)型，即雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)比較式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比如ICL71XX系列等，它們通常帶有自動(dòng)較零、七段碼輸出等

8、功能。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它們通常具有8路模擬選通開(kāi)關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。本設(shè)計(jì)中采用具有逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的ADC0809芯片。ADC0809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(jì)算機(jī)直接接口。ADC0809轉(zhuǎn)換器的系列芯片是ADC0808，可以相互替換。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括8路模擬選通開(kāi)關(guān)、通道地址鎖存器與譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存器。多路開(kāi)關(guān)接8路模擬量輸入，可對(duì)8路05V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,

9、輸出具有TTL三態(tài)鎖存器,可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。多路模擬開(kāi)關(guān)可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，并共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存與譯碼，如表3.2所示。表3.2 ADC0809通道選擇表 C(ADDC)B(ADDB)A(ADDA)選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7各引腳功能如下：1)IN7IN0模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量的要求主要有：信號(hào)單極性，電壓范圍05V，若信號(hào)過(guò)小，還需進(jìn)行放大。另外，模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，其值應(yīng)保持不變，因

10、此，對(duì)變化速度快的模擬輸入量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。2)A、B、C地址線。A為低位地址，C為高位地址，用于對(duì)8路模擬通道進(jìn)行選擇。3)ALE地址鎖存允許信號(hào)。由低至高電平正跳變將通道地址鎖存至地址鎖存器中。 4)START啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。START上跳沿時(shí)所有內(nèi)部寄存器清0；START下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。5)D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。6)OE輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)上輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻態(tài)；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。7)CLOCK時(shí)鐘信號(hào)。AD

11、C0809內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，要求頻率范圍10kHz1.2MHz。通常使用頻率為500 kHz的時(shí)鐘信號(hào)。8)EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。EOC0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。該狀態(tài)信號(hào)既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。9)VCC+5V電源。10)REF(+)、REF(-)參考電壓。參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為REF(+)=+5V，REF(-)=0V。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上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位

12、。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.3 接口電路的設(shè)計(jì)接口電路是ADC0809輸出的BCD碼轉(zhuǎn)換為七段譯碼輸出，主要有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和單片機(jī)芯片組成。 圖3.3 單片機(jī)控制部分原理圖3.3.1時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件要想?yún)f(xié)調(diào)一致地工作，必須在統(tǒng)一口令時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)有兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖3.5是內(nèi)部時(shí)鐘方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部有一個(gè)

13、構(gòu)成振蕩器的增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸入端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。在該圖中，電容C1和C2取20PF，晶體的振蕩頻率取12MHz,晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。實(shí)際連接如圖所示：3.3.2 復(fù)位電路部分AT89S51的復(fù)位電路如圖所示。當(dāng)單片機(jī)一上電，立即復(fù)位。電容C和電阻R1實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位也是使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常狀態(tài)的一種操作。3.4顯示電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管，LED點(diǎn)陣，1602液晶，12864液晶等。數(shù)碼管是最常用的一種

14、顯示器件，它是由幾個(gè)發(fā)光二極管組成的8字段顯示器件，其特點(diǎn)是價(jià)格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅(qū)動(dòng)每光，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長(zhǎng)。但數(shù)碼管只能是顯示09的數(shù)據(jù)。不能夠顯示字符。這也是數(shù)碼管的不足之處。LED點(diǎn)陣顯示器件是由好多個(gè)發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長(zhǎng)，耐濕，冷，熱等特點(diǎn)，LED點(diǎn)陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英文字符，中文字符等。 1602液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16*2即32個(gè)字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大

15、小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。使用時(shí)直接編寫(xiě)軟件程序按一定的時(shí)序驅(qū)動(dòng)即可。它的特點(diǎn)是顯示字跡清楚，價(jià)格相對(duì)便宜。 12864液晶也是一種工業(yè)字符型液晶，它不僅能夠顯示1602液晶所可以顯示的字符，數(shù)字等信息，而且還可以顯示8*4個(gè)中文漢字和一些簡(jiǎn)單的圖片，顯示信息也非常的清楚。使用時(shí)也直接編寫(xiě)軟件程序按一定的時(shí)序驅(qū)動(dòng)即可。不過(guò)它的價(jià)格比1602液晶貴了很多。綜合上述，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和價(jià)格的考慮，選擇數(shù)碼管顯示器。3.5 STC89C52RC結(jié)構(gòu)與控制原理在本次課題設(shè)計(jì)中我們選擇了STC89C52芯片。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的

16、低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(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。 主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫(xiě)Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能P0-P3口結(jié)構(gòu)P0口功能 ：P0口具有兩種功能：第一，P0口可以作為通用I/O接口使用，P0.7P0.0用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)時(shí)可以得到

17、鎖存，不需外接專(zhuān)用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖。第二，P0.7P0.0在CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)用于傳送片外存儲(chǔ)器de低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)P1口 功能  ：P1口的功能和P0口de第一功能相同，僅用于傳遞I/O輸入/輸出數(shù)據(jù)。 P2口的功能 ：P2口的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，即它可以作為通用I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，作為地址總線用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址。 P3口功能 ：P3口有兩個(gè)功能：第一功能與其余三個(gè)端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每個(gè)引腳都不同。 表3.5 P3口第二功能引腳名稱(chēng)功能P3.0RXD串行數(shù)

18、據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送口P3.2INT0外中斷0輸入P3.3INT1外中斷1輸入P3.4T0計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫(xiě)選通信號(hào)P3.7RD外部RAM讀選通信號(hào)四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)初始化中主要對(duì)STC89C52，ADC0809的管腳和數(shù)碼管的位選及所用到的內(nèi)存單元進(jìn)行初始化設(shè)置。準(zhǔn)備工作做好后便啟動(dòng)ADC0809對(duì)IN0腳輸入進(jìn)的05V電壓模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的0255十進(jìn)制數(shù)字量。在數(shù)據(jù)處理子程序中，運(yùn)用標(biāo)度變換知識(shí)，編寫(xiě)算法將0255十進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0.05.0V的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序進(jìn)行顯示。整個(gè)主程序

19、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(gè)程序流程框圖如圖4.1所示：初始化開(kāi)始ST、OE端口拉低ST上升沿清除AD緩存器ST下降沿，AD開(kāi)始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束？P1口讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)除以51，商為電壓整數(shù)部分，余數(shù)乘以10后，再除以51，為電壓小數(shù)相應(yīng)位部分，電壓小數(shù)相應(yīng)位加5調(diào)整余數(shù)>25?四位處理完？NY定時(shí)每隔500ms轉(zhuǎn)換一次P2口為位選P0口為段選查詢數(shù)碼管顯示表四位顯示完？返回程序開(kāi)始圖 4.1 程序流程圖NY4.2 系統(tǒng)源程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned in

20、tdouble dist,speed,len,temp,cha;sbit rs=P17;sbit rw=P16;sbit e=P15;sbit st=P14;sbit oe=P13;double volt2;uint num;int a,b,c,volt1;uchar volt0;uchar table="the voltage is V"uchar table1="0123456789."void delay(uint z) /延時(shí)子程?uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write

21、_com(uchar com)rs=0;P2=com;e=1;delay(5);e=0;void write_dat(uchar dat)rs=1;P2=dat;e=1;delay(5);e=0;void init()rw=0;e=0;write_com(0x38);write_com(0x0f);write_com(0x06);write_com(0x01); void main() EA=1; EX0=1; IT0=1; init();write_com(0x80);for(num=0;num<14;num+)write_dat(tablenum); write_com(0x80+0

22、x46); write_dat(table15);while (1) st=0; st=1; st=0; volt1=(int)volt0; volt2=volt1/255.0*435; volt1=(int)volt2; write_com(0x80+0x40); a=volt1/100; b=volt1/10-a*10; c=volt1%10; write_dat(table1a); write_dat(table110); write_dat(table1b); write_dat(table1c);void inte () interrupt 0 oe=1; volt0=P0; oe=0; 5、 設(shè)計(jì)實(shí)物圖片展示六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)（心得體會(huì)）經(jīng)過(guò)近2周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，終于完成了我的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于此次課程設(shè)計(jì)，有許多的感觸與體會(huì)，遇到的難題多，學(xué)習(xí)到的知識(shí)也就更多。第一，硬件電路遇到了ADC0809無(wú)內(nèi)部時(shí)鐘，需外接外部時(shí)鐘，如何解決這個(gè)問(wèn)題，我們小組進(jìn)行了多次討論，最終確定了在程序中提供時(shí)鐘信號(hào)，大大降低了硬件電路的復(fù)雜度。第二，則是解決程序設(shè)計(jì)的問(wèn)題，而程序設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈活的