數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1、摘 要數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為中央控制單元，通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換芯片與LCD1602液晶顯示器等擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量直流電壓并通過(guò)數(shù)字的方式顯示的功能。該設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了直流電壓的測(cè)量，單片機(jī)通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換芯片獲取需測(cè)量的電壓并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而LCD1602液晶顯示器則是將單片機(jī)處理后的電壓值在顯示屏上顯示出來(lái)，而且該電壓表還可以通過(guò)手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)量電壓的量程。而軟件則通過(guò)C語(yǔ)言編程，將所有模塊結(jié)合在一起完成數(shù)字電壓表。經(jīng)過(guò)測(cè)試，各模塊的功能均能正常實(shí)現(xiàn)，同時(shí)該電壓表還具有操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏和測(cè)量精確等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 電壓表； A/D轉(zhuǎn)換器Abstract

2、 The digital voltmeter is designed with an AT89C51 single-chip as its central control unit. By use of the ADC0809 converter chip and LCD 1602 display device. we can&

3、#160;realize the function of accurate measurement of DC voltage.The design mainly realized DC voltage measurement.with the help of ADC0809,the microcontroller can obtain the voltage

4、0;that we want to measure,and then convert it to the digital signal. The function of LCD1602 is display the result of the voltage.Moreover,you can adjust this voltmeter&#

5、160;manually.The software is programmed by C language.All the modules are combined to realize the function of the digital voltmeter.After testing ,each module of the voltmeter 

6、;is normal.Besides ,the advantages of this voltmeter can be various.Such as the simple operation ,accurate measurement,and  very sensitive response.Keywords: Micro Controller Unit；voltage meter；A/D Convert

7、ers目錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題概述11.1.1 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程 11.1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)11.2 課題的意義和目的31.3 本文所作的主要工作32 數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)42.2 系統(tǒng)概述42.2.1 設(shè)計(jì)方案52.2.2 工作過(guò)程簡(jiǎn)介52.2.3 軟件程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介52.3 小結(jié)53 數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì)73.1 A/D轉(zhuǎn)換電路73.1.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇73.1.2 ADC0809轉(zhuǎn)換原理介紹73.1.3 ADC0809芯片介紹83.1.4 ADC0809與單片機(jī)的接口方法103.2 單片機(jī)介紹103.2.1 單片機(jī)介紹1

8、03.2.2 采用AT89C51的原因103.2.3 AT89C51芯片主要性能參數(shù)103.2.4 功能介紹113.2.5 芯片管腳介紹及分配113.3 電壓顯示器件133.3.1 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能143.3.2 LCD1602與AT89C51單片機(jī)之間的連接153.4 小結(jié)154 單片機(jī)最小系統(tǒng)的介紹164.1 復(fù)位電路164.1.1復(fù)位電路的用途164.1.2復(fù)位電路的工作原理164.2 晶振電路174.3 P0口的上拉電阻184.4 31腳EA/Vpp接電源185 數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計(jì)195.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)195.1.1 C51簡(jiǎn)介195.1.2 程序流程圖195

9、.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)205.1.4 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)215.3 小結(jié)216 數(shù)字電壓表的抗干擾設(shè)計(jì)226.1 硬件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)226.1.1 供電系統(tǒng)抗干擾措施226.1.2 接地226.1.3 傳輸通道的抗干擾措施236.2 軟件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)236.3 小結(jié)247 電路制作及調(diào)試257.1 器件的選擇257.2 電源電路的設(shè)計(jì)257.3 換量程電路的設(shè)計(jì)257.4 焊接267.4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析278 結(jié) 論288.1 主要結(jié)論288.2 進(jìn)一步工作及展望29參考文獻(xiàn)29致 謝31附錄A321 緒論1.1 課題概述1.1.1 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程 34數(shù)

10、字電壓表簡(jiǎn)稱(chēng)DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的電壓表。從性能來(lái)看：數(shù)字電壓表的發(fā)展從一九五二年美國(guó)NLS公司由四位電子管數(shù)字電壓表精度千分之一到現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)8位數(shù)字電壓表。參數(shù)可測(cè)量直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等。測(cè)量自動(dòng)化程度不斷提高，可以和計(jì)算機(jī)配合顯示、計(jì)算結(jié)果、然后打印出來(lái)。目前世界上美國(guó)FLUKE公司，在直流和低頻交流電量的校準(zhǔn)領(lǐng)域居國(guó)際先進(jìn)水平。例如該公司生產(chǎn)的“4700A”多功能校準(zhǔn)器和“8505”危機(jī)數(shù)字多用電壓表，可用8位顯示，直流精度可達(dá)到±5/10-6，讀書(shū)分辨力為0.1V。帶有A/D變換模式、數(shù)據(jù)輸出接口形式IEEE-488。具有比率測(cè)量軟件校準(zhǔn)和有交流電

11、阻、電流選件。還具有高精度電壓校準(zhǔn)器“5400A”、“5200A”、“5450A”等數(shù)字儀表，都是作為一級(jí)計(jì)量站和國(guó)家級(jí)計(jì)量站使用的標(biāo)準(zhǔn)儀表。還有英國(guó)的“7055”數(shù)字電壓表采用脈沖調(diào)制技術(shù)。日本橫河公司的“2501”型采用三次采樣等等在不斷的蓬勃發(fā)展1。從發(fā)展過(guò)程來(lái)看：數(shù)字電壓表自1952年問(wèn)世以來(lái)，已有50多年的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是20世紀(jì)50年代問(wèn)世的電子管數(shù)字電壓表，第二代產(chǎn)品屬于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三代產(chǎn)品為20世紀(jì)70年代研制的中、小規(guī)模集成電路的數(shù)字電壓表。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼推出有大規(guī)模集成電路（LSI）或超大規(guī)模集成電路（VLSI）構(gòu)成

12、的數(shù)字電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產(chǎn)品。它們不僅開(kāi)創(chuàng)了電子測(cè)量的先河，更以高準(zhǔn)確度、高可靠性、高分辨力、高性?xún)r(jià)比等優(yōu)良特性而受到人民的青睞2。1.1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)數(shù)字電壓表作為電壓表的一個(gè)分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構(gòu)成數(shù)字電壓表的核心器件已從早期的中小規(guī)模電路跨入到大規(guī)模ASIC(專(zhuān)用集成電路)階段。數(shù)字電壓表涉及的范圍也從傳統(tǒng)的測(cè)量擴(kuò)展至自動(dòng)控制、傳感、通信等領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)電壓表的設(shè)計(jì)思路主要分為：用電流計(jì)和電阻構(gòu)成的電壓表；用中小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電壓表；用大規(guī)模ASIC(專(zhuān)用集成電路)構(gòu)成的電壓表。這幾種電壓表設(shè)計(jì)方式各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)

13、，分別適用于幾種特定的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)，也為很多新穎的電壓表的設(shè)計(jì)所借鑒和依據(jù)2。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)一日千里的發(fā)展，電壓表也必經(jīng)歷從單一測(cè)量向數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等多功能過(guò)度的這一歷程，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展必將出現(xiàn)智能化技術(shù)。因此，把電壓表和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的智能化電壓表就將成為21世紀(jì)的新課題。目前，數(shù)字化儀器與微處理器取得令人矚目的進(jìn)展，就其技術(shù)背景而言，一個(gè)內(nèi)藏微處理器的儀表意味著計(jì)算機(jī)技術(shù)向儀器儀表的移植，它所具有的軟件功能使儀器 呈現(xiàn)出有某種延伸，強(qiáng)化的作用。這相對(duì)于過(guò)去傳統(tǒng)的、純硬件的儀器來(lái)說(shuō)是一種新的突破，其發(fā)展?jié)摿κ志薮?，這已為70年代以來(lái)儀表發(fā)展的歷史所證實(shí)。概括起來(lái)

14、，具有微處理器的儀表具有以下特點(diǎn)：測(cè)量過(guò)程的軟件控制對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理功能是儀表最突出的特點(diǎn)；在儀器的測(cè)量過(guò)程中綜合了軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能，使一機(jī)多用或儀器的多功能化易于實(shí)現(xiàn)，成為這類(lèi)儀器的又一特點(diǎn)；以其軟件為主體的智能儀器不僅在使用方便、功能多樣化等方面呈現(xiàn)很大的靈活性3。下面從5個(gè)方面闡述新型數(shù)字儀表的發(fā)展趨向。(1)廣泛采用新技術(shù)，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新器件的不斷出現(xiàn)。首先是A/D轉(zhuǎn)換器：20世紀(jì)90年代世界各國(guó)相繼研發(fā)了新的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如，四斜率A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（美國(guó)）、余數(shù)再循環(huán)技術(shù)（美國(guó)）、自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)（英國(guó)）、固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)

15、換技術(shù)（英國(guó)）、約瑟夫森效應(yīng)基準(zhǔn)源（2個(gè)納米穩(wěn)定度）、智能化專(zhuān)用芯片（80C51系列，荷蘭）等，這些新技術(shù)使數(shù)字電壓表向高準(zhǔn)確度、高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展。另外，集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元器件，即可構(gòu)成完整的智能儀表，可以完成儲(chǔ)存、計(jì)算、比較、控制等多項(xiàng)功能4。(2)廣泛采用新工藝新一代數(shù)字儀表正朝著標(biāo)準(zhǔn)模塊化的方向發(fā)展。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，更多的數(shù)字儀表將由標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的模塊所構(gòu)成，給電路設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和維修帶來(lái)極大方便。(3)多從顯示儀表為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術(shù)難題；“數(shù)字/模擬條圖”雙顯示儀表已成為國(guó)際流行款式，它兼有數(shù)字儀表準(zhǔn)確度高、模

16、擬式儀表便于觀察被測(cè)量的變化過(guò)程及變化趨勢(shì)這兩大優(yōu)點(diǎn)。(4)提高安全性?xún)x器儀表在設(shè)計(jì)和使用中的安全性，對(duì)生產(chǎn)廠家和廣大用戶(hù)都至關(guān)重要。一方面廠家必須為儀表設(shè)計(jì)安全保護(hù)電路，并使之符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；另一方面用戶(hù)必須安全操作，時(shí)刻注意儀表上的各種安全警告指示。(5)操作簡(jiǎn)單化集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元件，即可構(gòu)成完整的智能儀表，可以完成儲(chǔ)存、計(jì)算、比較、控制等多項(xiàng)功能。這使的按鍵變少，操作簡(jiǎn)單。但是數(shù)字電壓表并不能完全取代指針式的電壓表，在反映電壓的連續(xù)變化和變化趨勢(shì)方面不如指針表的直觀。為克服這種缺憾，20世紀(jì)90年代初，一種“數(shù)字/光柱”的雙重顯示儀表已經(jīng)出現(xiàn)，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐

17、中5。綜上所述，十幾年來(lái)智能儀器雖然有了很大的發(fā)展，但總的看來(lái)，人們還是較習(xí)慣于從硬件的角度做工作，這是由于設(shè)計(jì)者的（硬件）技術(shù)背景，LSI器件不斷迅速更新的沖擊以及在現(xiàn)階段儀器硬件更新的數(shù)量還很大等因素所造成的。這種趨勢(shì)雖然仍會(huì)繼續(xù)下去，但從智能儀表的內(nèi)涵，從軟件的角度上看，軟件的作用還遠(yuǎn)未發(fā)揮出來(lái)，這里有許多的領(lǐng)域等待著去開(kāi)發(fā)。智能儀表最終必然會(huì)與人工智能聯(lián)系起來(lái)開(kāi)創(chuàng)出全新的儀器。從這個(gè)觀點(diǎn)看，目前的智能儀器尚處于“幼年時(shí)期”。所以，就儀表的發(fā)展看來(lái)電壓表會(huì)朝著具有微控制處理單元的智能儀表方向發(fā)展。1.2 課題的意義和目的數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展

18、成各種通用數(shù)字儀表、專(zhuān)用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫度計(jì)，濕度計(jì)，酸度計(jì)，重量，厚度儀等），幾乎覆蓋了電子電工測(cè)量，工業(yè)測(cè)量，自動(dòng)化儀表等各個(gè)領(lǐng)域。除此之外，數(shù)字電壓還有著傳統(tǒng)指針電壓表無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確，顯示范圍寬、分辨力高，轉(zhuǎn)入阻抗高，功耗小、抗干擾強(qiáng)等3。因此 對(duì)數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。但是傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)通常以大規(guī)模ASIC(專(zhuān)用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成，可是這種設(shè)計(jì)方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴(kuò)展，不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求6。而應(yīng)用微處理器（單片機(jī)）為核心單元的數(shù)字電壓表，其靈活性高、系統(tǒng)功

19、能擴(kuò)展簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。在這些背景下，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表是很有意義的。1.3 本文所作的主要工作 （1）對(duì)系統(tǒng)總體框架進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)，以模塊設(shè)計(jì)法為依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)。（2）設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，發(fā)揮單片機(jī)的處理功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示。（3）制作印刷電路板，使硬件電路的設(shè)計(jì)更加清晰，同時(shí)使系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)一不加強(qiáng)。（4）針對(duì)系統(tǒng)的總體框架和硬件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，更合理的去完成系統(tǒng)測(cè)電壓的目的。（5）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，使得

20、基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。2 數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)在日常維修、教學(xué)和科研中，電壓表是不可缺少的，傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)通常以大規(guī)模ASIC(專(zhuān)用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成，但是這種設(shè)計(jì)方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴(kuò)展，不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求。而應(yīng)用微處理器（單片機(jī)）為核心單元，其靈活性高、系統(tǒng)功能擴(kuò)展簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。本課題目的就是以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈活性好的直流數(shù)字電壓表。要求多量程，誤差為±0.1V。2.2 系統(tǒng)概述本課題所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表主要包括兩部分：硬件電

21、路及軟件程序。而硬件電路采用ATMEL公司的AT89C51作為主處理器，系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理輸出、驅(qū)動(dòng)顯示等幾個(gè)功能模塊組成。各部分電路的設(shè)計(jì)及原理將會(huì)在硬件電路設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹；程序的設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編程，利用Keil 軟件對(duì)其編譯和仿真，詳細(xì)的設(shè)計(jì)算法將會(huì)在程序設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。系統(tǒng)框圖（圖2.1）如下：A/D轉(zhuǎn)換單元數(shù)據(jù)處理單元顯示單元 被測(cè)電壓 圖2.1 硬件原理框圖被測(cè)直流電壓由A/D轉(zhuǎn)換單元采集后被量化，再由單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度變換，得到被測(cè)電壓的數(shù)值，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)次轉(zhuǎn)換結(jié)果求平均值，由單片機(jī)完成譯碼，并用液晶顯示器顯示。2.2.1 設(shè)計(jì)方案方案一：

22、使用STC89C51單片機(jī)，將A/D轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元糅合在單片機(jī)中，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)顯示單元使用數(shù)碼管顯示電壓值；方案二：使用ADC0809芯片對(duì)直流電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后用AT89C51單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將處理完成的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD1602液晶顯示器顯示。而方案一雖然需要的材料比較少，但太過(guò)簡(jiǎn)單，無(wú)法起到良好的學(xué)習(xí)作用，而且數(shù)碼管顯示太過(guò)簡(jiǎn)單，不能顯示量程的切換，方案二有很多的學(xué)習(xí)空間，多了一個(gè)ADC0809需要考慮的東西變多，考驗(yàn)我的能力，而且使用液晶顯示器能夠更清楚明白的顯示出量程和數(shù)值。2.2.2 工作過(guò)程簡(jiǎn)介電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)模擬的電壓量經(jīng)A/D

23、轉(zhuǎn)化后變?yōu)椴贿B續(xù)的離散的數(shù)字量并加以顯示7。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用分模塊設(shè)計(jì)，按照?qǐng)D2.1把電路分A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理輸出、顯示三個(gè)個(gè)單元，分別設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換器選用的是八位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。其次，計(jì)算機(jī)中的數(shù)字都是十六進(jìn)制數(shù)，而我們習(xí)慣于十進(jìn)制數(shù)的讀寫(xiě)，因此，在軟件設(shè)計(jì)中則要把十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。在顯示的時(shí)候也是如此。本裝置的輸出用LCD1602顯示，因此在軟件設(shè)計(jì)中還要解決數(shù)字輸出與LCD1602的接口問(wèn)題。硬件則需要將輸出線接到LCD1602上8。ADC0809通過(guò)IN0、IN1、IN2采集電壓信號(hào)并送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行一定的處理然后通過(guò)LCD1602顯示采集的

24、電壓值。2.2.3 軟件程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介開(kāi)機(jī)后首先初始化，使LCD1602顯示為“0.00”然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)等待查詢(xún)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，如果有信號(hào)則通過(guò)并行口讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后進(jìn)行標(biāo)度變化之后并存儲(chǔ)，就這樣連著讀取五次數(shù)據(jù)后選取中間的三次并求平均值，經(jīng)譯碼在LCD1602液晶顯示器上顯示。而量程的切換則通過(guò)手動(dòng)切換，具體方法和程序見(jiàn)程序設(shè)計(jì)部分和附錄A。2.3 小結(jié) 在電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中都采用了分模塊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法清晰的電路的功能，為設(shè)計(jì)和以后的調(diào)試和維修帶來(lái)了極大的方便。特別是在軟件設(shè)計(jì)中，這中方法曾強(qiáng)了程序的可移植性，為以后的功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。3 數(shù)字電壓表的硬件

25、設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇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(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3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。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ADC0

26、808、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，要求精度小于0.5%，則選用分辨率為8位的芯片，如ADC0809，ADC0801，ADC0808就能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本電路采用ADC0809。3.1.2 ADC0809轉(zhuǎn)換原理介紹ADC是一種基本的外圍擴(kuò)展器件，其種類(lèi)很多，工作原理也不僅相同，比較有代表性的是：?jiǎn)畏e分型，雙積分型，脈寬調(diào)制型和逐次比較型（逐次逼近型）。從產(chǎn)品性?xún)r(jià)比、轉(zhuǎn)換速度和精度等方面綜合分析，逐次比較型ADC是相對(duì)應(yīng)用比較廣的類(lèi)型之一。所以有著廣泛的應(yīng)用。逐次逼近型ADC實(shí)際采用的方

27、法上從高到底開(kāi)始逐位設(shè)定，比較模擬量輸出，再來(lái)確定原設(shè)定位的正確與否。逐次比較型ADC原理結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。其主要由采集保持電路、電壓比較器、逐次比較寄存器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC和鎖存器等部分組成。GOCPADIF=1被測(cè)電壓Ui逐次比較寄存器+ _Us寄存器模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字量輸出圖3.1 逐次比較型ADC結(jié)構(gòu)其工作原理如下：首先，被測(cè)模擬電壓Ui通過(guò)逐次比較寄存器，將傳遞進(jìn)的脈沖CP信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字量再經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器生成對(duì)應(yīng)的模擬量Us。當(dāng)獲得模擬量Us的數(shù)值達(dá)到并接近被測(cè)電壓所對(duì)應(yīng)Ui后，就可以檢測(cè)出電壓比較器完成最后的反轉(zhuǎn)。此時(shí)，逐次比較寄存器的計(jì)數(shù)值就是被測(cè)電壓Ui所對(duì)應(yīng)的數(shù)

28、字量，從而完成模擬量的轉(zhuǎn)換。以上的分析表明，逐次比較的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，歸根到底是數(shù)/模轉(zhuǎn)換，采用逐次與模擬量進(jìn)行比較后得到最終的數(shù)字標(biāo)定值。3.1.3 ADC0809芯片介紹ADC0809是一種8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。帶8個(gè)模擬量輸入通道，芯片內(nèi)有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為100s，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的引腳圖如圖3.2所示。圖 3.2 ADC0809引腳圖由圖3.3可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)，一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道IN0IN7

29、，允許8路模擬分量輸入，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)。IN0IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量的要求是信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)保持不變，如若模擬信號(hào)變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條，ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B，C為地址輸入線，用于選通IN0IN

30、7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表3.1所示。表3.1 地址通道對(duì)應(yīng)表地址編碼被選通道ABC000IN0001IN2010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 數(shù)字量輸出及控制線： 11條。START為上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換：在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持底電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。由于A

31、DC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHz，最大不能超過(guò)1280KHz。VREF（+），VREF（-）為參考電壓輸入，決定了輸入模擬量的范圍。一般情況VREF（-）接地，VREF（+）接+5V電源。3.1.4 ADC0809與單片機(jī)的接口方法 ADC0809的D0-D7口與單片機(jī)的P1口相連，將轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)字量輸入到單片機(jī)中，而A、B、C端口接入P3口，通過(guò)單片機(jī)查詢(xún)后控制ADC0809芯片的接入口，對(duì)應(yīng)的IN0、IN2、IN5。而且通過(guò)查詢(xún)法判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成。ADC0809的頻率則是由單片機(jī)給予。3.2 單片機(jī)介紹3.2.1 單片機(jī)介紹單片微型

32、計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，又稱(chēng)微型控制或嵌入式控制器，是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。單片機(jī)有著體積小，功耗低，功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置、智能化儀器儀表、過(guò)程控制和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。3.2.2 采用AT89C51的原因在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，它是由北京集成電路設(shè)計(jì)中心在MSC-51單片機(jī)的基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)，由美國(guó)生產(chǎn)的至今為止世界上最新型的高性能八位單片機(jī)。它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶(hù)可以用電的方式瞬間擦除、改

33、寫(xiě)，一般專(zhuān)為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。3.2.3 AT89C51芯片主要性能參數(shù)（1）與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （2）4K字節(jié)的可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器（3）1000次擦寫(xiě)周期（4）全靜態(tài)操作：0Hz24Hz（5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器（6）128×8字節(jié)內(nèi)部RAM（7）32個(gè)可編程I/O口線（8）2個(gè)16位定時(shí)/記數(shù)器（9）6個(gè)中斷源（10）可編程串行UART通道（11）底功耗空閑和掉電模式 3.2.4 功能介紹AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4K字節(jié)的

34、在線可重復(fù)編程快擦快寫(xiě)存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶(hù)?？捎?V電壓編程，而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫(xiě)相比，不易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求，改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片，適合許多

35、嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬2.7V-6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在0M Hz-24M Hz內(nèi)，比8751/87C51等51系列的6MHz-12 MHz更具有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。AT89C51芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外，AT89C51還具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8位內(nèi)部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個(gè)十六位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。3.2.5 芯片管腳介紹及分配VCC：電源GND：電源地P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，也既

36、地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（底8位）和數(shù)據(jù)總線服用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口 寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可操作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）

37、。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收底8位地址。P2口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)斷口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVE DPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVE RI指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)容也即特殊功能存儲(chǔ)器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容，在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。在Flash編程

38、或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉底的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.2所示：表 3.2 P3口第二功能表端口引腳第二功能 P3.0RXD（串行輸入口） P3.1TXD（串行輸出口） P3.2INT0（外部中斷0） P3.3INT1（外部中斷1） P3.4T0（定時(shí)/記數(shù)器0） P3.5T1（定時(shí)/記數(shù)器1）

39、P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接受一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RET引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的底8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外部輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄

40、存器（SFR）區(qū)中的8EH的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVE和MOVX指令A(yù)LE才會(huì)被激活，此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。PSEN：程序存貯允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，既輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持底電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如

41、EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該腳加上+12V的編程允許電源VCC，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.3 電壓顯示器件在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通用器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專(zhuān)用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單，不如

42、液晶顯示器美觀，且比較清楚明白，而LCD1602是其中比較有代表性的器件，所以我使用LCD1602。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。（2）數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。（4）功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部

43、的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。3.3.1 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別。（1）1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個(gè)字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm（2）引腳功能說(shuō)明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表3.3所示:表3.3 引腳接口說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引

44、腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極 第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為

45、低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。3.3.2 LCD1602與AT89C51單片機(jī)之間的連接 圖3.4 LCD1602與51單片機(jī)之間的連接圖其中D0-D7輸入端接單片機(jī)的P0輸出端，接收數(shù)據(jù)，V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，一般使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。而我直接在上下接一個(gè)

46、10K電阻與1K電阻，確定了對(duì)比度。RS與RW則接收來(lái)自單片機(jī)的操作命令，顯示相應(yīng)的字符。3.4 小結(jié)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，為保證電路造價(jià)和維修的方便，在設(shè)計(jì)中我盡可能的用電路制作中的常用元件。另外除了上述器件外，其他的元件如電阻，電容的選擇都是由一些典型電路經(jīng)測(cè)試調(diào)節(jié)確定的。所以電路顯得更于理解和分析，這一點(diǎn)給也將給最后的調(diào)試帶來(lái)很大的方便。4 單片機(jī)最小系統(tǒng)的介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。下面給出一個(gè)51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。圖4.1 51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路

47、圖4.1 復(fù)位電路4.1.1復(fù)位電路的用途 單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開(kāi)始執(zhí)行。 4.1.2復(fù)位電路的工作原理51單片機(jī)要復(fù)位只需要在第9引腳接個(gè)高電平持續(xù)2s就可以實(shí)現(xiàn)，那這個(gè)過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)的呢？在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動(dòng)的時(shí)候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會(huì)復(fù)位。所以可以通過(guò)按鍵的斷開(kāi)和閉合在運(yùn)行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。開(kāi)機(jī)的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)復(fù)位：在電路圖中，電容的的大小是10F，電阻的大小是

48、10K。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機(jī)的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時(shí)間是10K*10F=0.1s。也就是說(shuō)在單片機(jī)啟動(dòng)的0.1s內(nèi)，電容兩端的電壓時(shí)在03.5V增加。這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為從51.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1s內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V1.5V。在5V正常工作的51單片機(jī)中小于1.5V的電壓信號(hào)為低電平信號(hào)，而大于1.5V的電壓信號(hào)為高電平信號(hào)。所以在開(kāi)機(jī)0.1s內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（RST引腳接收到的高電平信號(hào)時(shí)間為0.1s左右）。按鍵按下的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)復(fù)位：在單片機(jī)啟動(dòng)0.1s

49、后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1s內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。4.2 晶振電路晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)。電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較

50、低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感 所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路，這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地 這

51、兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，需注意一般IC的引腳都有等效輸入電容。一般的晶振的負(fù)載電容為15pF或12.5pF，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22pF的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇 。如圖4.1，晶振是給單片機(jī)提供工作信號(hào)脈沖的，這個(gè)脈沖就是單片機(jī)的工作速度，比如12MHz晶振，單片機(jī)工作速度就是每秒12M。當(dāng)然，單片機(jī)的工作頻率是有范圍的，不能太大，一般24M就不上去了，不然不穩(wěn)定。晶振與單片機(jī)的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會(huì)產(chǎn)生偕波(也就是不希望存在的其他頻率的波)，這個(gè)波對(duì)電路的影響不大，但會(huì)降低電路的時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路的

52、穩(wěn)定性起見(jiàn)，ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個(gè)10pF-50pF的瓷片電容接地來(lái)削減偕波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響，所以晶振所配的電容在10pF-50pF之間都可以的。4.3 P0口的上拉電阻P0口作為I/O口輸出的時(shí)候時(shí)，輸出低電平為0 輸出高電平為高組態(tài)（并非5V，相當(dāng)于懸空狀態(tài)）。也就是說(shuō)P0 口不能真正的輸出高電平，給所接的負(fù)載提供電流，因此必須接上拉電阻（一電阻連接到VCC），由電源通過(guò)這個(gè)上拉電阻給負(fù)載提供電流。 由于P0口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，是開(kāi)漏的，不管它的驅(qū)動(dòng)能力多大，相當(dāng)于它是沒(méi)有電源的，需要外部的電路提供，絕大多數(shù)情況下P0口是必需加上拉

53、電阻的。 （1）一般51單片機(jī)的P0口在作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用時(shí)不接上拉電阻。  （2）作為一般的I/O口時(shí)用時(shí)，由于內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，故要接上上拉電阻。 （3）當(dāng)P0口用來(lái)驅(qū)動(dòng)PNP管子的時(shí)候，就不需要上拉電阻，因?yàn)榇藭r(shí)的低電平有效；（4）當(dāng)P0口用來(lái)驅(qū)動(dòng)NPN管子的時(shí)候，就需要上拉電阻的，因?yàn)榇藭r(shí)只有當(dāng)P0為1時(shí)候，才能夠使后級(jí)端導(dǎo)通。4.4 31腳EA/Vpp接電源STC89C51/52或其他51系列兼容單片機(jī)特別注意：對(duì)于31腳(EA/Vpp)，當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)接低電平時(shí)，復(fù)位后直接從外部ROM的000

54、0H開(kāi)始執(zhí)行。5 數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程如下：開(kāi)始時(shí)首先初始化1602LCD，使數(shù)碼管顯示為“0.000”，然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序啟動(dòng)ADC0809。單片機(jī)等待查詢(xún)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，如果有信號(hào)則通過(guò)并行口讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，就這樣連著讀取五次數(shù)據(jù)后求平均值。再將所求得的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算Dout100/51,將運(yùn)算后的結(jié)果除以10得到千分位，再把商除以10得到百分位，再除以10又分別得到十分位和個(gè)位，最后把個(gè)位，十分位，百分位和千分位經(jīng)譯碼后送至LCD1602液晶顯示器顯示，此時(shí)LCD1602液晶顯示器顯示的就是ADC0809采集的電壓值。5.1.1 C51簡(jiǎn)介C語(yǔ)

55、言是今年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到迅速推廣應(yīng)用的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。C語(yǔ)言功能豐富，表達(dá)力強(qiáng)，使用靈活方便，應(yīng)用面廣，目標(biāo)程序效率高，可移植性好，既具有高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，又有低級(jí)語(yǔ)言的許多特點(diǎn)。因此，C語(yǔ)言特別適合于編寫(xiě)系統(tǒng)軟件。C語(yǔ)言誕生后，許多原來(lái)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件，現(xiàn)在可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)了，而學(xué)習(xí)和使用C語(yǔ)言要比學(xué)習(xí)和使用匯編語(yǔ)言容易得多。51 的編程語(yǔ)言常用的有二種，一種是匯編語(yǔ)言，一種是C 語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而C 語(yǔ)言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語(yǔ)言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)匯編語(yǔ)言，而且C 語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高時(shí)

56、效性的代碼編寫(xiě)問(wèn)題。對(duì)于開(kāi)發(fā)周期來(lái)說(shuō)，中大型的軟件編寫(xiě)用C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)周期通常要小于匯編語(yǔ)言很多。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)步驟：（1）建立一個(gè)新的項(xiàng)目；（2）選擇所用單片機(jī)；（3）在新建立的項(xiàng)目中加入程序；（4）保存運(yùn)行；（5）編譯是否通過(guò)。5.1.2 程序流程圖系統(tǒng)軟件的總體框架如圖5.1所示