智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)作者姓名：xx專業(yè)名稱：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：xxx講師智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)-PAGEI-摘要隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面發(fā)生了巨大的變化，形成一種新一代的測(cè)量?jī)x器——智能儀器。目前大多數(shù)的傳統(tǒng)儀器都有了相應(yīng)的智能替代產(chǎn)品，還出現(xiàn)了不少全新的儀器類型和測(cè)試系統(tǒng)。論文主要介紹了利用A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、AT89S51單片機(jī)和LED數(shù)碼管構(gòu)成具有三位半顯示、4檔量程的智能數(shù)字電壓表。電壓表同時(shí)還具有標(biāo)定（AX+B），自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整和上下限報(bào)警（LMT）等功能。本次設(shè)計(jì)主要講述了電壓表的構(gòu)成和怎樣實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件部分的通信，以及主體部分的程序?qū)崿F(xiàn)。利用所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)來(lái)編寫(xiě)控制程序，利用電子電路的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)硬件之間的連接。智能數(shù)字電壓表具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。關(guān)鍵詞 ：數(shù)字電壓表AT89S51MC14433AbstractWiththetechnologicaldevelopmentofcomputerandmicroelectronics,andwiththeappearanceofsiglechipandfastdevelopment,Itmakesalotofchangeintraditionelectronicapparatusofmeasure.Anewkindofelectronicapparatusofmeasureisappear.Now,mostoftraditionaltestingmeasurehavesubstitutethatisaptitudeinstrument,alsocomefrommorenewapparatustypesandtestsystems.ThispapermainlyintroducethedigitalvoltagemeterconsistofA/DswithutensilthetypeisMC14433,thesinglechiptypeisAT89S51,anddisplayofLEDwhichishavethreebitdisplay.Thedigitalvoltagemeter’sfunctionishave4bitdisplay,demarcate(Ax+B),self-motionzeroadjust,andthelimitoffluctuate.Thispaperintroducehowtomakeofthedigitalvoltagemeterandhowtocometurethecommunicatebetweenofhardwarewithusethelanguageofsinglechip.Theadvantageofdigitalvoltagemeterishighprecision,theabilityofanti-jammingisverystrong,andtheabilityofdataprocessingisverystrongtoo.Keywords:digitalvoltagemeter,AT89S51,MC14433目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II目錄 III前言 11概述 31.1智能數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu) 31.2智能數(shù)字電壓表功能及技術(shù)指標(biāo) 42硬件電路設(shè)計(jì) 72.1MCS-51系列單片機(jī)介紹 72.1.1概述 72.1.2AT89S51單片機(jī) 102.2模擬部分電路設(shè)計(jì) 122.2.1輸入電路 132.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路 142.3人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 172.3.1鍵盤(pán)與接口 172.4.2LED顯示及接口 203程序設(shè)計(jì) 243.1主程序 243.2測(cè)量子程序 253.3鍵掃描子程序 263.3.10號(hào)鍵處理程序 283.3.21號(hào)鍵處理程序 293.3.32號(hào)鍵處理程序 303.3.43號(hào)鍵處理程序 303.4顯示測(cè)量子程序 31總結(jié) 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36附件智能數(shù)字電壓表原理總圖 37-前言在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量中，許多儀器都是在內(nèi)部進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。例如，在電壓表中串聯(lián)一個(gè)比較大的電阻，和電壓表本身的電阻構(gòu)成了電壓表的內(nèi)阻，根據(jù)內(nèi)阻大小的不同，它的量程也不同。這種儀器線路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度不高，抗干擾能力不強(qiáng)。在許多的領(lǐng)域中迫切的需要一種精度高，抗干擾能力強(qiáng)的儀器來(lái)代替它。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面發(fā)生了巨大的變化，形成一種新一代的測(cè)量?jī)x器——智能儀器。目前大多數(shù)的傳統(tǒng)儀器都有了相應(yīng)的智能替代產(chǎn)品，還出現(xiàn)了不少全新的儀器類型和測(cè)試系統(tǒng)。智能儀器實(shí)際上是一個(gè)專用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩部分組成，智能儀器的特點(diǎn)：1、智能儀器使用鍵盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)施對(duì)儀器的控制，從而使儀器的棉面板的布置和儀器內(nèi)部有關(guān)部件的安排不再相互限制和牽連智能儀器廣泛使用鍵盤(pán)，使面板的布置與儀器的功能部件的安排可以安全獨(dú)立地進(jìn)行，明顯改善了儀器前面板及有關(guān)功能部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣既有利于提高儀器技術(shù)指標(biāo)又方便了儀器的操作。2、微處理器的應(yīng)用極大的提高了儀器的性能。例如，智能儀器利用微處理的運(yùn)算和邏輯判斷功能，按照一定的算法可以方便地消除由于飄移、增益的變化和干擾等因素引起的誤差，從而提高了儀器的測(cè)量精度。智能儀器除具有測(cè)量功能外，還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，從而使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來(lái)。3、智能儀器運(yùn)用微處理器的控制功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電平、自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷等控制，有力地改善了儀器的自動(dòng)化測(cè)量水平。例如，智能儀器一般都具有自診斷功能，當(dāng)儀器發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位并能協(xié)助診斷故障的原因，甚至有些智能儀器還具有自動(dòng)切換備件進(jìn)行維修功能，極大地方便了儀器的維護(hù)。4、智能儀器具有友好的人—機(jī)對(duì)話能力，使用人員只需通過(guò)鍵盤(pán)打入命令，儀器就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量和處理能力，與此同時(shí)，智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴使用人員，使人—機(jī)之間的聯(lián)系非常密切。5、智能儀器一般都配有GP-IB或RS-232接口，使智能儀器具有可程控操作的能力。從而可以很方便地與計(jì)算機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)完成復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用了AT89S51作為電壓表的微處理芯片，MC14433A/D轉(zhuǎn)換器作為儀表的A/D轉(zhuǎn)換部分，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)智能數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，了解智能數(shù)字電壓表的工作原理、產(chǎn)生條件，通過(guò)對(duì)各部分模塊的工作原理、組成結(jié)構(gòu)的了解，通過(guò)設(shè)計(jì)方法、步驟、概念加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力和組合連慣。1概述隨著微處理技術(shù)的快速發(fā)展電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。微處理器在70年代初期問(wèn)世不就久，就被引進(jìn)到電子測(cè)量與儀器領(lǐng)域中，所占比重在各項(xiàng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中名列前矛，在這之后，隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步發(fā)展，電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)愈加緊密，形成了一種全新的微機(jī)化儀器，即“智能儀表”。電壓測(cè)量是電子測(cè)量中最基本的測(cè)量?jī)?nèi)容。這是因?yàn)槠渌娏亢头请娏康臏y(cè)量是先轉(zhuǎn)化為直流電壓爾后再進(jìn)行測(cè)量，所以電壓測(cè)量具有非常廣泛的意義。1.1智能數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)智能數(shù)字電壓表是指以微處理器為核心的數(shù)字電壓表，典型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。其中專用微機(jī)部分包括微處理器芯片、存放儀器監(jiān)控程序的存儲(chǔ)器ROM和存放測(cè)量及運(yùn)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器RAM等。用于測(cè)量的輸入/輸出設(shè)備有：輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)、顯示器及標(biāo)準(zhǔn)儀器接口電路等。儀器內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，外部設(shè)備與總線相連。圖1.1智能數(shù)字電壓表的結(jié)構(gòu)圖智能數(shù)字電壓表的測(cè)量大致分為三個(gè)主要階段：首先在微處理器的控制下，被測(cè)電壓通過(guò)輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器的處理轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量，存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；接著微處理器對(duì)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，例如計(jì)算平均值、減去零點(diǎn)漂移等；最后，顯示處理結(jié)果。上述整個(gè)過(guò)程都是在存放ROM中的監(jiān)控程序的控制下進(jìn)行的。1.2智能數(shù)字電壓表功能及技術(shù)指標(biāo)采用微處理器以后，儀器在外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)思想等方面都發(fā)生了重大變化。智能數(shù)字電壓表不再僅有測(cè)量功能，同時(shí)還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，這些數(shù)據(jù)處理功能是通過(guò)按不同的按鍵，輸入相應(yīng)的常數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的處理程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同型號(hào)的智能數(shù)字電壓表設(shè)置的處理功能有所不同，相同的處理功能其表達(dá)式也不一定相同，但一般可以用下列表達(dá)方式來(lái)代表：1．標(biāo)定（AX+B）R=AX+B式中：R最后的顯示結(jié)果；X實(shí)際測(cè)量值；A，B由面板鍵盤(pán)輸入的常數(shù)。利用這一功能，可將傳感器輸出的測(cè)量值，直接用實(shí)際的單位來(lái)顯示，實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。2．極限（LMT）即上下限報(bào)警功能。利用這一功能可以了解被測(cè)量是否超越預(yù)置極限的情況。使用前，應(yīng)先通過(guò)面板鍵盤(pán)輸入上下限H和下限值L。測(cè)量時(shí)，在顯示測(cè)量值x的同時(shí)，還將顯示標(biāo)志H，L或P，表明測(cè)量結(jié)果超上限、超下限或通過(guò)。3．自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整儀器零點(diǎn)漂移的大小以及零點(diǎn)是否穩(wěn)定是造成測(cè)量誤差的主要來(lái)源之一。消除這種影響最直接的辦法選擇優(yōu)質(zhì)輸入放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，但這種辦法代價(jià)高，而且也是有限度的。智能電壓表的自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整功能，可以較很好的解決這個(gè)問(wèn)題。自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整功能的原理圖可用圖1.2所示的原理框圖來(lái)說(shuō)明。首先微處理器通過(guò)輸出口控制繼電器吸合使儀器輸入端接地，啟動(dòng)一次測(cè)量并將測(cè)量值寸入RAM的某一確定單元中。此值便是儀器衰減器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等模擬部件所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移值Uos。接著微處理器通過(guò)輸出口又控制繼電器釋放，使儀器輸入端接被測(cè)信號(hào)，此時(shí)的測(cè)量值Uox應(yīng)是實(shí)際的測(cè)量值一Uos之和。最后微處理器再做一次減法運(yùn)算，使Ux=Uox-Uos，并將此差值做為本次測(cè)量的結(jié)果加以顯示。很顯然，上述測(cè)量過(guò)程有效地消除了硬件電路的零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖1.2自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的原理框圖智能數(shù)字電壓表除具有上述的數(shù)據(jù)處理能力和一些獨(dú)特的功能之外，還具有普通數(shù)字電壓表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，其主要技術(shù)指標(biāo)為：`（1）量程為擴(kuò)大測(cè)量范圍，智能數(shù)字電壓表借助于分壓器和輸入放大器分為若干個(gè)量程，其中既不放大也不衰減的量程為基本量程。（2）位數(shù)智能數(shù)字電壓表的位數(shù)是以完整的顯示位（能夠顯示0—9十個(gè)數(shù)碼的顯示位）來(lái)定義的。例如最大顯示位為9999，19999，11999的智能數(shù)字電壓表稱四位表。為區(qū)別起見(jiàn)，常常也把最大顯示數(shù)為19999，11999的智能數(shù)字電壓表稱為四位半數(shù)字電壓表。位數(shù)是表征數(shù)字電壓表性能的一個(gè)最基本的參量。通常將高于五位數(shù)字的數(shù)字電壓數(shù)字電壓表稱為高精度數(shù)字電壓表。（3）測(cè)量準(zhǔn)確度智能數(shù)字電壓表的測(cè)量準(zhǔn)確度常用絕對(duì)誤差的形式來(lái)表示，其表達(dá)式為：（1-1）式中智能數(shù)字電壓表的測(cè)量準(zhǔn)確度與量程有關(guān)，其中基本量程的測(cè)量準(zhǔn)確度最高。（4）分辨率分辨率即能顯示輸入電壓最小增量的能力，通常以使顯示器末位跳一個(gè)字所需輸入的最小電壓值來(lái)表示。分辨率與量程及位數(shù)有關(guān)，量程愈小位數(shù)愈多，分辨率就愈強(qiáng)。智能數(shù)字電壓表通常以儀器最小量程的分辨率來(lái)代表儀器的分辨率。（5）輸入阻抗Zi電壓表的輸入阻抗Zi是指從智能數(shù)字電壓表兩個(gè)輸入端子看進(jìn)去的等效電阻。輸入阻抗愈高，由儀表引入誤差愈小。同時(shí)儀器對(duì)被測(cè)電路的影響也就愈?。?）輸入電流Io輸入電流Io是指儀器內(nèi)部產(chǎn)生并表現(xiàn)于輸入端的電流，它的大小隨溫度和濕度的不同而變化，而與被測(cè)信號(hào)的大小無(wú)關(guān)，其方向是隨機(jī)的。這個(gè)電流將會(huì)通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻建立一個(gè)附加的電壓，而形成誤差電壓，所以輸入電流愈小愈好。2硬件電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中的智能數(shù)字電壓表由以下幾部分組成：（1）單片機(jī)：AT89S51，配備晶振和復(fù)位電路。（2）測(cè)量電路：A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表中不可缺少的部件，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器——MC14433芯片。（3）量程標(biāo)定電路：電壓表有0~0.2V、0~2V、0~20V、0~200V四檔量程，其中2V為基本量程；對(duì)于0~0.2V量程，必須對(duì)輸入電壓放大10倍；而對(duì)于0~20V量程，先衰減100倍然后再放大10倍。對(duì)于0~200V量程，必須對(duì)輸入電壓衰減100倍?？紤]到數(shù)字電壓表要具有較高的輸入阻抗，故采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器組成有源放大和衰減器，放大和衰減倍數(shù)由S、VT1、VT2控制，通過(guò)CD4066實(shí)現(xiàn)，通過(guò)P2.3、、P2.4、P2.2控制。（4）鍵盤(pán)/顯示電路：顯示電路采用四個(gè)數(shù)碼管，用串行輸入/輸出口控制在單片機(jī)的端口與數(shù)碼管之間用74LS164來(lái)實(shí)現(xiàn)串-并轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中設(shè)有11個(gè)按鍵，具體設(shè)置在后面一一介紹。2.1MCS-51系列單片機(jī)介紹2.1.1概述單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、可編程存儲(chǔ)器EPROM、并行及串行輸入輸出I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展、單片機(jī)內(nèi)還包含A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出部件、DMA通道、浮點(diǎn)運(yùn)算等新的特殊功能部件。由于它的結(jié)構(gòu)和功能都是按工業(yè)要求設(shè)計(jì)的，特別適合于工業(yè)控制及與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合，因而目前應(yīng)確切稱為微控制器（Microcontroller）。單片機(jī)的稱謂只是保留了其習(xí)慣稱呼。1.單片機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展單片機(jī)的發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國(guó)Intel公司首先推出4位微處理器以來(lái)，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段：第一階段（1971-1976）：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。1971年11月Inter公司首先設(shè)計(jì)出了具有4位微處理器4004，并有RAM、ROM和移位寄存器的第一臺(tái)MSC-4微處理器，不久以后又推出了8位微處理器Inter8008，其他各公司相繼推出的8位微處理器。這些雖說(shuō)還不是單片機(jī)，但從此拉開(kāi)了研制單片機(jī)的序幕。第二階段（1976-1980）：低性能單片機(jī)階段。以1976年Inter公司推出的MSC-48系列為代表的可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需求單片機(jī)。這種采用將CPU與計(jì)算機(jī)外圍電路集成到一塊芯片上的技術(shù)，標(biāo)志著單片機(jī)與通用CPU的分道揚(yáng)鑣，在構(gòu)成新型微控制方面取得了成功，為進(jìn)一步發(fā)展單片機(jī)開(kāi)辟了成功之路。第三階段（1980-1983）：高性能單片機(jī)階段。這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大，且尋址范圍可達(dá)64KB，個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。其典型為1980年Inter公司推出的MCS-51系列單片機(jī)，其它代表產(chǎn)品有Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。這類單片機(jī)拓寬了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，使之能用于智能終端、局部網(wǎng)絡(luò)的接口等。因而，它是目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的主流，各制造公司不斷地改進(jìn)和發(fā)展它。第四階段（1983-80年代末）：16位單片機(jī)階段。1983年Inter公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS-96系列，采用最新的制造工藝，使芯片的集成度高達(dá)12萬(wàn)只晶體管/片。CPU為16位，支持16位算術(shù)邏輯運(yùn)算，并具有32位除16位的除法功能。片內(nèi)RAM和ROM容量更進(jìn)一步增大；除兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器外，還可設(shè)定4個(gè)軟件定時(shí)器，具有8個(gè)中斷源；片內(nèi)帶有多通道高精度A/D轉(zhuǎn)換和高速輸入輸出部件（HSIO）；運(yùn)算速度和控制功能也有大幅度提高。具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。第五階段（90年）：?jiǎn)纹瑱C(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。如：CPU的位數(shù)有8位、16位、32位，而結(jié)構(gòu)上更進(jìn)一步采用雙CPU結(jié)構(gòu)或內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)，以提高處理能力和運(yùn)算速度；時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHZ，使指令執(zhí)行速度相對(duì)加快；提供新型的串行總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的基礎(chǔ)；增加新的特殊功能部件；半導(dǎo)體制造工藝的不斷改進(jìn)，使芯片向高集成化、低功耗方向發(fā)展等等。以上這些方面的發(fā)展，使單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、高級(jí)通信系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制、高級(jí)機(jī)器以及局域網(wǎng)絡(luò)等方面得到大量應(yīng)用。2.單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各領(lǐng)域均得到了廣泛運(yùn)用，按照單片機(jī)的特點(diǎn)，其應(yīng)用可分為單片機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用1片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用，這是目前應(yīng)用最多的一種方式。控制系統(tǒng)。用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，達(dá)到測(cè)量與控制的目的。如一般溫度控制、液面控制、簡(jiǎn)單生產(chǎn)線順序控制等。智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發(fā)展。如：溫度、壓力、留量、濃度等的測(cè)量、顯示、控制儀表，通過(guò)采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，不僅能完成測(cè)量，而且還具有運(yùn)算、誤差修正、線形化、零漂處理、監(jiān)控等功能，集測(cè)量、處理、控制功能于一體。機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化?？刂浦悄芑＿@種新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床、電腦銹機(jī)、醫(yī)療器械等。智能接口。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中。用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制管理，加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。智能民用產(chǎn)品。如在家用電器、玩具、游戲機(jī)、聲像設(shè)備、電子稱、收銀機(jī)、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中，單片機(jī)控制器的引入，不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng)，性能的得到提高。而且獲得了良好的使用效果。2.1.2AT89S51單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Inter公司于1980年推出的一種8位單機(jī)系列。該系列的基本產(chǎn)品是8051、8031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）是掩模型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去；8031片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器；8751的價(jià)格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的應(yīng)用。MCS-51系列單片機(jī)優(yōu)異的性能/價(jià)格比使得它從面市以來(lái)就獲得用戶的認(rèn)可。Inter公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即8051內(nèi)核，以出售或互換專利的方式授權(quán)給公司，如Atmel、Philips、ADI等。這些公司的這類產(chǎn)品也被稱為8051兼容芯片，這些8051兼容芯片在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了許多特性。本設(shè)計(jì)中采用的Atmel公司的AT89S51芯片，它與MCS51單片機(jī)指令兼容，同時(shí)它的內(nèi)部包含用作程序存儲(chǔ)器的4KB的基于FLASH技術(shù)的只讀存儲(chǔ)器。采用這款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存儲(chǔ)器導(dǎo)致電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，又克服了采用8751導(dǎo)致電路制作成本高的缺點(diǎn)。1.AT89S51單片機(jī)的特性Atmel公司的AT89D51芯片具有以下特性：指令集和芯片引腳與Inter公司但8051兼容；4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器；時(shí)鐘頻率為0~33MHz；128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器（RAM）；32個(gè)可編程輸入/輸出引腳；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)；全雙工串行通信接口；監(jiān)視定時(shí)器；2個(gè)數(shù)據(jù)指針；2.AT89S51單片機(jī)的封裝形式AT89S51單片機(jī)具有多種封裝形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC42和TQFP44。本次設(shè)計(jì)中采用的是PDIP40封裝形式，它的外形如圖2.1所示：圖2.1AT89S51單片機(jī)的引腳圖3.單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路指的是他可以正常工作的簡(jiǎn)單電路組成，AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路圖如圖2.3所示。該系統(tǒng)包含4個(gè)電路部分。（1）供電電路引腳VCC接+5V電源，引腳GND接地線。為提高電路的抗干擾能力，一個(gè)0.01μF的瓷片電容和一個(gè)10μF的電解電容通常被接在引腳VCC和接地線之間，（2）程序存儲(chǔ)器選擇電路如前所述，Atmel公司生產(chǎn)的8051兼容芯片具有多種容量的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的型號(hào)，因此在使用中不需要在擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，這樣在單片機(jī)應(yīng)用電路中引腳可以總是接高電平。（3）時(shí)鐘電路AT89S51芯片的時(shí)鐘頻率可以在0~33MHz范圍。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可以構(gòu)成振蕩器的放大電路。在這個(gè)放大電路的對(duì)外引腳XTAL2和XTAL1接上晶體和電容就可以構(gòu)成時(shí)鐘電路。圖2.2所示的時(shí)鐘電路有晶體CRY和電容C2與C3組成。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率取決于晶體CRY的頻率，如果采用面包板來(lái)組裝單片機(jī)應(yīng)用電路，晶體CRY的推薦值為12MHz以下。電容C2和C3的取值范圍為30PF~50PF。時(shí)鐘電路采用晶體的目的是提高時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性。（4）復(fù)位電路對(duì)于AT89S51芯片，如果引腳RST保持24個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，單片機(jī)就可以完成復(fù)位。通常為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，復(fù)位電路引腳RST保持1ms以上的高電平。只要引腳RST保持高電平，單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。當(dāng)引腳RST從高電平變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)從程序空間的0000H地址開(kāi)始執(zhí)行用戶程序圖2.2AT89S51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)電路圖2.2所示的復(fù)位電路有C1和R1組成。當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，由于C1兩端的電壓不能突變，因此引腳RST為高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。隨著C1充電，它兩端的電壓上升，使得引腳RST上的電壓下降，最終使單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)。2.2模擬部分電路設(shè)計(jì)在1.1所示的智能數(shù)字電壓表的框圖中，將輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分合稱為模擬部分，智能數(shù)字電壓表的許多技術(shù)指標(biāo)都由模擬部分來(lái)決定。2.2.1輸入電路圖2.3量程標(biāo)定電路原理輸入電路的主要作用是提高輸入阻抗和實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。其核心是是由輸入衰減器和放大器組成的量程標(biāo)定電路，如圖2-3所示。S為繼電器開(kāi)關(guān)，控制100：1衰減器接入電。VT1~VT3是場(chǎng)效應(yīng)管模擬開(kāi)關(guān)，控制放大器不同的增益。繼電器開(kāi)關(guān)，VT1，VT3在微機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)的控制下，形成不同的通、斷組態(tài)，構(gòu)成0.2V，2V，20V，200V四個(gè)量程幾自測(cè)狀態(tài)。各組分析如下：1.0.2V量程VT2導(dǎo)通，放大器被接成電壓負(fù)反饋放大器，其放大倍數(shù)及最大輸出電壓分別為：===10（2-1）=0.2×10=0.2V（2-2）2.2V量程VT1導(dǎo)通，放大器被接成跟隨器，放大倍數(shù)為到，此時(shí)=2×1=2V（2-3）3.20V量程繼電器開(kāi)關(guān)吸合S，使100：1衰減器接入，同時(shí)VT2導(dǎo)通，放大器被接成電壓負(fù)反饋放大電路，其放大倍數(shù)及最大輸出電壓為===10（2-4）=20××10=2V（2-5）4.200V量程繼電器S吸合，使100：1衰減器接入，同時(shí)VT1導(dǎo)通，放大電路接成跟隨器，放大倍數(shù)為1，此時(shí)=200××1=2V（2-6）電壓表的輸入阻抗Zi是指從智能數(shù)字電壓表兩個(gè)輸入端子看進(jìn)去的等效電阻。輸入阻抗愈高，由儀表引入誤差愈小。同時(shí)儀器對(duì)被測(cè)電路的影響也就愈小。由上述計(jì)算可見(jiàn)，送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0V-2V，同時(shí)由于電路被接成電壓負(fù)反饋形式并且采用了自舉電路，0.2V，20V兩擋的輸入阻抗高達(dá)10000MΩ，2V，200V擋量程由于接入衰減器，輸入阻抗降為10MΩ。輸入阻抗較大，儀器的誤差小。在本次設(shè)計(jì)中用P2.3控制繼電器S，用P2.4控制VT1，用P2.5控制VT2。當(dāng)VT2，VT3導(dǎo)通，繼電器S吸合時(shí)，電路組態(tài)為自測(cè)試狀態(tài)。此時(shí)放大器的輸出應(yīng)為-2V。儀器在自診斷時(shí)測(cè)量該電壓，并與存儲(chǔ)的數(shù)值相比較；若兩者之差在6%內(nèi)，即認(rèn)為放大器工作正常。2.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路智能數(shù)字電壓表所處理的對(duì)象是模擬量。而智能數(shù)字電壓表的核心微處理器能接受并處的是數(shù)字量，因此被測(cè)模擬量必須先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌谒腿胛⑻幚砥?.A/D的技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率與量化誤差分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨、輸入模擬量最小變化的技術(shù)指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，所以習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制或BCD碼位數(shù)來(lái)表示。量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器有限字長(zhǎng)數(shù)字量對(duì)輸入模擬量進(jìn)行離散取樣（量化）而引起的誤差，其大小在理論上為一個(gè)單位分辨力，所以量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，即提高分辨率可以見(jiàn)效量化誤差。（2）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映了一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與理想轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)表示。由于理想A/D轉(zhuǎn)換器也存在著量化誤差，因此，實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度所對(duì)應(yīng)的誤差指標(biāo)是不包括量化誤差在內(nèi)的。轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)有時(shí)以綜合誤差指標(biāo)的表達(dá)式給出。有時(shí)又以分項(xiàng)誤差指標(biāo)的表達(dá)方式給出。通常給出的分項(xiàng)誤差指標(biāo)有：偏移誤差、滿刻度誤差、非線形誤差、微分非線性誤差等。（3）轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器所允許的輸入電壓范圍。滿刻度指只是個(gè)名義值，實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入值總比滿刻度小（n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)）。這是因?yàn)?值也是個(gè)轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的一個(gè)。A/D轉(zhuǎn)換器的中種類繁多，用于智能數(shù)字電壓表的是積分式A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榉e分式A/D的核心部分是積分器，因此速度比較慢，其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，但抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01%或高。本設(shè)計(jì)中采用了MC14433作為智能數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器，下面介紹MC14433A/D芯片及其接口2.MC14433A/D芯片及其接口MC14433（國(guó)產(chǎn)5G14433）是采用CMOS工藝、具有零點(diǎn)漂移補(bǔ)償?shù)?位（BCD碼）單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，該電路只需外加二個(gè)電容和二個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。其主要技術(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)換速率（3~10）HZ，轉(zhuǎn)換精度±1LSB，模擬輸入電壓范圍0V~±1.999V或0V~±199.9mV，輸入阻抗大于100MΩ。MC14433采用24腳雙列直插式封裝，其結(jié)構(gòu)框圖與引腳圖如圖2-4所示，各引腳定義如下：VDD，VEE，VSS：VDD、VEE為正、負(fù)電源端，VSS為公共接地端，電壓范圍為±4.5V--±8V,一般取±5V。為提高電源抗干擾能力，正負(fù)電源端應(yīng)分別與VSS端跨接去耦電容。Ui：被測(cè)信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)地端UAG（模擬地）。UR：基準(zhǔn)電壓輸入端，其對(duì)應(yīng)地端為UAG。基準(zhǔn)電壓+2V或+200mV可由MC14433通過(guò)分壓提供。CLK1，CLK0：時(shí)鐘端，用于外接鐘頻電阻RC。Ri，C1，：外接積分電阻R1、積分電容C1端。，：外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。補(bǔ)償電容一般取值0.1μF。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)果標(biāo)志端，每一轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，該端輸出一脈寬為1/2時(shí)鐘周期的正脈沖。圖2.4MC14433的引腳圖DU：轉(zhuǎn)換更新控制端，平時(shí)為高電平，當(dāng)>時(shí)，輸出低電平。，，，：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。采用BCD碼，其中為1LSB，為MSB。，，，：多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)輸入輸出端。MC14433一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間約需1640個(gè)時(shí)鐘脈沖，若時(shí)鐘脈沖的頻率=66kHZ，則一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為T(mén)=N/=0.25s。由于MC14433的輸出不帶有三態(tài)輸出鎖存器，因此MC14433的輸出端必須通過(guò)具有三態(tài)輸出的并行I/O端口才能與微機(jī)數(shù)據(jù)總線相連。對(duì)于8051應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MC14433的-，-可以通過(guò)擴(kuò)展I/O口與之相連接，但也可以直接接到8051的口。圖2.5為MC144433與AT89S51接口的電路簡(jiǎn)圖。圖中的MC14433的所有外部連接器件，都已按規(guī)定要求接好，轉(zhuǎn)換器的輸出端直接連至8051的口，轉(zhuǎn)換器的EOC信號(hào)反向后，作為中斷信號(hào)送入8051的端。由于EOC與DU相連，所以每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的BCD碼及相應(yīng)的選通信號(hào)出現(xiàn)在-及-端。圖2.5MC14433與AT89S51的接口電路2.3人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)通常的智能儀表要有人機(jī)接口，即人與機(jī)器交換信息功能。這個(gè)功能有兩方面的含義：一是人對(duì)智能儀器進(jìn)行狀態(tài)干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入；二是智能儀器向人報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)與處理結(jié)果。實(shí)現(xiàn)智能儀器人機(jī)對(duì)話的部件有鍵盤(pán)、顯示器和打印機(jī)等，這些部件同智能儀表主替電路的連接是由人機(jī)接口電路來(lái)完成的。因此人機(jī)接口技術(shù)是智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.3.1鍵盤(pán)與接口鍵盤(pán)與微處理器的接口包括硬件和軟件兩部分。硬件是指鍵盤(pán)的組織，即鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)及其與主機(jī)的連接方式。軟件是指對(duì)按鍵操作的識(shí)別與分析，稱為鍵盤(pán)管理程序。雖然對(duì)不同的鍵盤(pán)組織其鍵盤(pán)管理程序存在很大的差異，但大體任務(wù)可分為下列幾項(xiàng)：（1）識(shí)鍵：判斷是否有鍵按下。若有，則進(jìn)行譯碼；若無(wú)，則等待或轉(zhuǎn)作別的工作。（2）譯鍵：識(shí)別出哪一個(gè)鍵被按下并求出被按下鍵的鍵值。（3）鍵值分析：根據(jù)鍵值，找出對(duì)應(yīng)處理程序的入口并執(zhí)行之。本設(shè)計(jì)中的人機(jī)接口中的鍵盤(pán)采用非編碼鍵盤(pán)原理中的獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一鍵一線，即每一個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根檢測(cè)線與主機(jī)相連，如圖2.6所示。圖中的上拉電阻保證按鍵斷開(kāi)時(shí)檢測(cè)線仍為高電平，當(dāng)某一按鍵被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線就變成低電平，而與他鍵相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線仍是高電平，從而很容易地識(shí)別出被按下的鍵。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各測(cè)試線相互獨(dú)立，所以按鍵識(shí)別容易，缺點(diǎn)是占用較多的檢測(cè)線，不便與組成大型鍵盤(pán)，在本設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)的需求不算太大，運(yùn)用獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。1.鍵盤(pán)的工作方式智能數(shù)字電壓表中CPU對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描時(shí)，要兼顧兩方面的問(wèn)題：一是要及時(shí)，以保證對(duì)用戶的每一次按鍵都能做出響應(yīng)；二是掃描不能占用過(guò)多的時(shí)間，CPU還有大量的其他任務(wù)去處理。因此，要根據(jù)CPU的忙、閑情況，選擇適當(dāng)?shù)逆I盤(pán)工作方式。鍵盤(pán)有三中工作方式：編程掃描方式、中斷工作方式、和定時(shí)掃描方式。在此次的論文設(shè)計(jì)中采用了中斷工作方式，那是因?yàn)樵谶@種方式下，當(dāng)鍵盤(pán)中有鍵按下時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷申請(qǐng)后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵功能處理程序。在這種工作方式下，當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)不進(jìn)行鍵掃描，因而提高了CPU的效率，同時(shí)也能確保對(duì)用戶的鍵操作作出迅速響應(yīng)。2.鍵盤(pán)按鍵的設(shè)置此設(shè)計(jì)中采用了雙功能鍵盤(pán)，一共設(shè)置了11個(gè)按鍵，當(dāng)shift鍵未按下時(shí)，各鍵為數(shù)字鍵。其另一種功能的安排如下：0或（0-0.2V）當(dāng)按下此鍵，智能數(shù)字電壓表的量程為0.2V。由P0.0控制。1或（0-2V）當(dāng)按下此鍵，智能數(shù)字電壓表的量程為2V。由P0.1控制。2或（0-20V）當(dāng)按下此鍵，智能數(shù)字電壓表的量程為20V。由P0.2控制。3或（0-200V）當(dāng)按下此鍵，智能數(shù)字電壓表的量程為200V。由P0.3控制。4或（自動(dòng)調(diào)零）當(dāng)按下此鍵智能數(shù)字電壓表進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零狀態(tài)。由P0.4控制。5或（+）當(dāng)按下此鍵，LED顯示器中顯示的數(shù)據(jù)加上下一次輸入的數(shù)由P0.5控制。6或（-）當(dāng)按下此鍵，LED顯示器中的顯示的數(shù)據(jù)減去下一次輸入的數(shù)。由P0.6控制。7或（確認(rèn)）當(dāng)所有的數(shù)都輸完后，按下此鍵，LED顯示的數(shù)立即送入微處理器。由P0.7控制。8或（Ax+B）當(dāng)按下此鍵，系統(tǒng)進(jìn)入標(biāo)定（Ax+B）狀態(tài)。由P2.7控制。9或（LMT）當(dāng)按下此鍵，系統(tǒng)進(jìn)入極限（LMT）即上下限報(bào)警狀態(tài)。由P2.6控制。Shift當(dāng)按下此鍵，鍵盤(pán)中的按鍵進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換。由P2.5控制。圖2.6鍵盤(pán)與AT89S51的連接圖2.4.2LED顯示及接口1.LED顯示原理LED即發(fā)光二極管，它是一種由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的PN結(jié)，由于參雜濃度很高，當(dāng)正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴復(fù)和，把多余的能釋放變?yōu)楣饽堋ED顯示器具有工作電壓低、體積小、壽命長(zhǎng)（約十萬(wàn)小時(shí)）、響應(yīng)速度快（小于1μs），顏色豐富（紅、黃、綠等）等特點(diǎn)，是智能儀器最長(zhǎng)用的顯示器。LED的正向工作壓降一般在1.2V~2.6V，發(fā)光工作電流在5mA~20mA，發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向電流成正比，故電路需串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛ED很適于脈沖工作狀態(tài)，在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態(tài)比直流工作狀態(tài)產(chǎn)生的亮度增強(qiáng)20%左右。在本設(shè)計(jì)中要用到4個(gè)七段LED數(shù)碼管來(lái)做為智能數(shù)字電壓表的顯示器。下面簡(jiǎn)單介紹七段LED數(shù)碼管及其顯示方式。2.七段LED數(shù)碼管七段LED顯示器由數(shù)個(gè)LED組成一個(gè)陣列，并封裝于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外殼中為適用于不同的驅(qū)動(dòng)電路，有共陽(yáng)極和共陰極兩種結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。用七段LED顯示器可組成0~9數(shù)字和多種字母，為了適應(yīng)各種裝置的需要，這種顯示中還提供有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以實(shí)際共有八段。為了顯示某個(gè)數(shù)或字符，就要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段，這就需要譯碼。譯碼有硬件譯碼和軟件譯碼。硬件譯碼中BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的七段字型碼（簡(jiǎn)稱段碼）這項(xiàng)工程由七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器完成，硬件譯碼電路的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)時(shí)間的開(kāi)銷(xiāo)較小，但硬件開(kāi)支大。軟件譯碼與硬件譯碼相比，軟件譯碼顯示電路省去了硬件譯碼器，其BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的段碼這項(xiàng)工作由軟件來(lái)完成，表2-1顯示出了段碼與數(shù)字、字母的關(guān)系。由表可知，共陽(yáng)極和共陰極的LED數(shù)碼管的段碼互為反碼。微處理器有較強(qiáng)邏輯控制能力，采用軟件譯碼并不復(fù)雜。采用軟件譯碼不僅可以使硬件電路簡(jiǎn)化，而且其譯碼邏輯可用編程來(lái)設(shè)定，不受硬件電路的限制。所以此次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了軟件譯碼的方式。表2-1LED顯示器字段碼字符共陰極段碼共陽(yáng)極段碼字符共陰極段碼共陽(yáng)極段碼03FHC0HA77H88H106HF9HB7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0HD5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8EH67DH82HH76H09H707HF8HP73H8CH87FH80HU3EHC1H96FH90H滅00HFFH3.基于串行輸入輸出口的數(shù)碼管電路AT89S51單片機(jī)中有4個(gè)8位的并行輸入輸出接口和一個(gè)串行輸入輸出接口。計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行通信有兩種方式：并行通信和串行通信。采用并行通信時(shí)，所有數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行輸入/輸出接口進(jìn)行傳送。并行通信的優(yōu)點(diǎn)時(shí)數(shù)據(jù)傳送速度快，所有的數(shù)據(jù)位同時(shí)傳送；缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，一個(gè)并行數(shù)據(jù)有多少位就有多少條傳輸線。采用串行通信模式時(shí)，所有的數(shù)據(jù)按一定的順序、通過(guò)一條傳輸線逐個(gè)地進(jìn)行傳送。串行模式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，僅需要一條傳輸線；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸慢。串行通信的模式又可以分為兩種模式：同步通信模式和異步通信模式。AT89S51的串行口的工作方式有工作方式0，工作方式1，工作方式2，工作方式3和工作方式4這四種方式。方式0為同步移位寄存器方式。在這種方式下，串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過(guò)引腳RXD進(jìn)行，引腳TXD用來(lái)傳送同步移位脈沖。串行口工作方式0的數(shù)據(jù)傳輸波特率不受電源控制寄存器中SMOD的影響。此次設(shè)計(jì)中的通信方式為為工作方式0。在本次設(shè)計(jì)中為了節(jié)省單片機(jī)的I/O端口，用串行輸入/輸出口來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與LED數(shù)碼管之間的通信。但采用串行通信，單片機(jī)中的數(shù)據(jù)不能直接傳送到數(shù)碼管中，因?yàn)閿?shù)碼管的輸入為8位的并行數(shù)據(jù)，因此需要一個(gè)串-并轉(zhuǎn)換芯片。此次設(shè)計(jì)中用到了74LS164，它的輸入為串行輸入，輸出為并行輸出。其功能表如表2-2所示表2-274LS164的功能表輸入輸出MRCLKDSADSBQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q70×××0000000010×1Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60Q701↑111Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q601↑0×0Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q601↑×00Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60應(yīng)用串行口工作方式0和74LS164的數(shù)碼管的顯示電路如圖2.7所示。完成串/并轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程需要8個(gè)單片機(jī)機(jī)器周期。4.LED的顯示按照顯示方式，七段LED顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示之分。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應(yīng)有各自的鎖存器、譯碼器（若采用軟件譯碼，譯碼器可省略）與驅(qū)動(dòng)器。用以鎖存各自待顯示數(shù)字的BCD碼或反碼。因此靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一次顯示輸出后能保持顯示不變，即在待顯數(shù)字需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。這種顯示占用機(jī)時(shí)少，顯示穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是，當(dāng)顯示的位數(shù)較多時(shí)，占用I/O口較多。在采用動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)中，微處理器或控制器應(yīng)定時(shí)地對(duì)各個(gè)顯示器進(jìn)行掃描顯示器件分時(shí)輪流工作，每次只能使用一個(gè)器件顯示，但由于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，仍感覺(jué)所有的器件都在同時(shí)顯示。此種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用I/O口少。缺點(diǎn)是占用機(jī)時(shí)長(zhǎng)，只要不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。但隨著大量集成電路的發(fā)展，目前已有能自動(dòng)對(duì)顯示器進(jìn)行掃描的專用顯示芯片，使電路即簡(jiǎn)單又站用機(jī)時(shí)少。在本次設(shè)計(jì)中，由于顯示器是采用的串行輸入/輸出的工作方式，并且還用到了串-并轉(zhuǎn)換接口芯片，故在此次設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)顯示。圖2-7串行輸出口的數(shù)碼管顯示電路。3程序設(shè)計(jì)3.1主程序本次設(shè)計(jì)通過(guò)欠/過(guò)量程標(biāo)志來(lái)控制程序，通過(guò)程序調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。主程序流程圖如圖3.1所示。以下是主程序：ORG0000HLJMPMAINORG0030HMAIN：CLR21H（清欠/過(guò)量程標(biāo)志）CLRP2.3CLRP2.4CLRP2.2YC1：LCALLDD1（調(diào)測(cè)量子程序）JB21H，YC1（有無(wú)欠/過(guò)量程標(biāo)志）LCALLDISP（調(diào)顯示程序）圖3.1數(shù)字電壓表主程序流程圖3.2測(cè)量子程序?qū)⑤斎腚妷核腿階/D轉(zhuǎn)換器中，首先判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束繼續(xù)執(zhí)行，反之，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。然后判斷輸入數(shù)據(jù)是否欠/過(guò)量程欠/過(guò)量程返回，反之將結(jié)果按千、百、十、個(gè)的順序讀取，分別放在33H~30H單元中。以下是測(cè)量子程序，流程圖如圖3.2所示DD1：JBP3.2，DD1；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束嗎LL1：MOVA，P1MOVXACC.4，LL1；千位是否選通JBACC.0，ERR；Q0=1，超出量程，置欠/過(guò)量程標(biāo)志LL2：JNBACC.3，LLQ；千位是1還是0CLRA；千位是0，送33H單元AJMPLLBLLQ：MOVA，#01H；千位是1，送33H單元MOV33H，ALLB：MOVA，P1；讀入結(jié)果，把百位放入32H單元JNBACC.5LLBANLA，#0FHMOV32H，ALLS：MOVA，P1；讀入結(jié)果，把十位放入31H單元JNBACC.6，LLSANLA，0FHMOV31H，ALLG：MOVA，P1；讀入結(jié)果，把個(gè)位放入30H單元JNBACC.7，LLGANLA，0FHMOV30H，ARETERR：SETB21HRET圖3.2測(cè)量子程序流程3.3鍵掃描子程序此次設(shè)計(jì)中的鍵盤(pán)掃描程序采用中斷方式，當(dāng)鍵被按下是才執(zhí)行有關(guān)操作。當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，11條測(cè)試線均為高電平，經(jīng)11與非門(mén)及反向后還是高電平，因而不會(huì)產(chǎn)生中斷。當(dāng)有鍵按下時(shí)，變?yōu)榈碗娖剑駻T89S51申請(qǐng)中斷。AT89S51響應(yīng)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，用掃描的方法尋找到中斷的功能鍵并執(zhí)行相應(yīng)鍵功能處理程序。能完成上述工作的程序清單如下，其流程圖如圖3.3所示。以下是鍵掃描子程序：KEYJMP：MOVR3，#0BH；設(shè)循環(huán)次數(shù)MOVDPTR，0EF01H；送A口地址MOVR4，#00H；計(jì)數(shù)器清零MOVA，@DPTR；讀入按鍵狀態(tài)KEYAD1：RRCA；狀態(tài)字右移一位JNCKEYAD2；C=0，轉(zhuǎn)KEYAD2INCR4DJNZR3，KEYAD13.3鍵掃描流程圖KEYRET：RETKEYAD2：MOVDPTR，#JMPTBLMOVA，R4RLAJMP@A+DPTR；轉(zhuǎn)相應(yīng)功能處理JMPTBL：AJMPSB0AJMPSB1AJMPSB2AJMPSB3AJMPSB4AJMPSB5AJMPSB6AJMPSB7AJMPSB8AJMPSB9AJMPSB10AJMPSB113.3.10號(hào)鍵處理程序首先0號(hào)鍵按下，此鍵第二功能為0~0.2V量程檔。先調(diào)測(cè)量子程序，再判斷是否欠/過(guò)量程，若無(wú)欠/過(guò)量程則調(diào)顯示子程序。若過(guò)量程則顯示“H”，若欠量程則顯示“L”。圖3.40號(hào)鍵處理程序流程圖以下是0號(hào)鍵的處理程序，流程圖如圖3.4所示SB0：SETBP2.2（0號(hào)鍵處理，0.2V量程檔）CLRP2.3CLRP2.4LALLDD1JB21H，PLC1LCALLDISPRETPLC1：MOVA，P1（欠量程顯示“L”，過(guò)量程顯示“H”）JNBACC.3，GLC1MOVA，#38HAJMPLP1GLC1：MOVA，#76HLP1：LCALLXSBZRET3.3.21號(hào)鍵處理程序1號(hào)鍵第二功能為0~2V量程檔，1號(hào)鍵的處理程序與0好鍵相同。以下是1號(hào)鍵處理程序，流程圖與0號(hào)鍵相似。SB1：SETB.P2.4（1號(hào)鍵處理，2V量程檔）CLRP2.3CLRP2.2LALLDD1JB21H，PLC1LCALLDISPRETPLC1：MOVA，P1（欠量程顯示“L”，過(guò)量程顯示“H”）JNBACC.3，GLC1MOVA，#38HAJMPLP1GLC1：MOVA，#76HLP1：LCALLXSBZRET3.3.32號(hào)鍵處理程序2號(hào)鍵第二功能為0~20V量程檔，其處理程序與0號(hào)鍵相同。以下是2號(hào)鍵的處理程序，流程圖與0號(hào)鍵相似SETBP2.3（2號(hào)鍵處理，20V量程檔）CLRP2.4SETBP2.2LALLDD1JB21H，PLC1LCALLDISPRETPLC1：MOVA，P1（欠量程顯示“L”，過(guò)量程顯示“H”）JNBACC.3，GLC1MOVA，#38HAJMPLP1GLC1：MOVA，#76HLP1：LCALLXSBZRET3.3.43號(hào)鍵處理程序3號(hào)鍵第二功能為0~200V量程檔，處理程序與0號(hào)鍵相同以下是3號(hào)鍵的處理程序，流程圖與0號(hào)鍵相似SETBP2.3CLRP2.2SETBP2.4LALLDD1JB21H，PLC1LCALLDISPRETPLC1：MOVA，P1（欠量程顯示“L”，過(guò)量程顯示“H”）JNBACC.3，GLC1MOVA，#38HAJMPLP1GLC1：MOVA，#76HLP1：LCALLXSBZRET3.4顯示測(cè)量子程序此次的顯示測(cè)量子程序采用串行口的工作方式，采用軟件譯碼。由于單片機(jī)中的數(shù)據(jù)采用16進(jìn)制，而我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中都采用十進(jìn)制，所以在程序中必須將16進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。以下是顯示測(cè)量值子程序DISP：MOVR0，#30HMOVA,@R0ANLA，#0FHMOV36H，AMOVA，@R0ANLA，#0F0HMOV35H，ALCALLHEXBCD（調(diào)用十六進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換程序）LCALLLED2（調(diào)用顯示程序）RETHEXBCD：SETBRS0（設(shè)置工作寄存器區(qū)1為當(dāng)前工作寄存器）CLRAMOVR4，AMOVR5，AMOVR6，AMOVR7，#10HMOV