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文檔簡介
1、單片機(jī)/微機(jī)接口課程設(shè)計(jì)說明書目 錄2.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊22.3 單片機(jī)系統(tǒng)42.3.1 at89c51各引腳功能42.4 led顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.4.1 led基本結(jié)構(gòu)52.4.2 led顯示器的選擇62.4.3 led譯碼方式62.4.4 led顯示器與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)74.1 顯示結(jié)果84.2 誤差分析105.1 程序設(shè)計(jì)總方案115.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)115.2.1 初始化程序115.2.2 a/d轉(zhuǎn)換子程序115.2.3 顯示子程序12181 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求以mcs-51系列單片機(jī)為核心器件,組成一個(gè)簡單的直流數(shù)字電壓表。采用1路模擬量輸入,能夠測量0-5v之間的直流電壓值。電壓顯示
2、用4位一體的led數(shù)碼管顯示,至少能夠顯示兩位小數(shù)。 盡量使用較少的元器件2 設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)思路根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選擇at89c51單片機(jī)為核心控制器件。a/d轉(zhuǎn)換采用adc0808實(shí)現(xiàn),與單片機(jī)的接口為p1口和p2口的高四位引腳。電壓顯示采用4位一體的led數(shù)碼管。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2.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)實(shí)世界的物理量都是模擬量,能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(a/d轉(zhuǎn)換器),a/d轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路,按照各種a/d芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型,雙重積分型等等。雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能
3、力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。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adc0809、adc0808等,它們通常具有8路模擬選通開關(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)字量送到單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。一個(gè)n位的逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器只需要比較n次,轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于位數(shù)和時(shí)鐘周期,逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快,因而在實(shí)際中廣泛使用。adc0809芯片有28條引腳,采用雙列直插式封裝,其引腳圖如圖3所示。圖3 adc0809引腳圖下面說明各個(gè)引腳功能:in0-in7(8條):8路模擬量輸入線,用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制(4條):
4、ale:地址鎖存允許輸入線,高電平有效,當(dāng)ale為高電平時(shí),為地址輸入線,用于選擇in0-in7上那一條模擬電壓送給比較器進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。adda,addb,addc:3位地址輸入線,用于選擇8路模擬輸入中的一路,其對應(yīng)關(guān)系如表1所示: 表1 adc0809通道選擇表地址碼 對應(yīng)的輸入通道 c b a 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 start:start為“啟動脈沖”輸入法,該線上正脈沖由cpu送來,寬度應(yīng)大于100ns,上升沿清零sar,下降沿啟動adc工作。eo
5、c: eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線,該線上高電平表示a/d轉(zhuǎn)換已結(jié)束,數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。d1-d8:數(shù)字量輸出端,d1為高位。oe:oe為輸出允許端,高電平能使d1-d8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。ref+、ref-:參考電壓輸入量,給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。vcc、gnd: vcc為主電源輸入端,gnd為接地端,一般ref+與vcc連接在一起,ref-與gnd連接在一起. clk:時(shí)鐘輸入端。2.3 單片機(jī)系統(tǒng)2.3.1 at89c51各引腳功能at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4kb的flash閃速存儲器,128b內(nèi)部ram,32個(gè)i/o口線,兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)
6、構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路,同時(shí),at89c51可降至0hz靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式??臻e方式停止cpu的工作,但允許ram,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作,掉電方式保存ram中的內(nèi)容,但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。at89c51采用pdip封裝形式,引腳配置如圖5所示7。圖5 at89c51的引腳圖at89c51芯片的各引腳功能為:p0口:這組引腳共有8條,p0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功能,分別適用于不同的情況,第一種情況是89c51不帶外存儲器,p0口可以為通用i/o口使用,p0.0-p0.7用于傳送
7、cpu的輸入/輸出數(shù)據(jù),這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存,不需要外接專用鎖存器,輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖,增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性;第二種情況是89c51帶片外存儲器,p0.0-p0.7在cpu訪問片外存儲器時(shí)先傳送片外存儲器的低8位地址,然后傳送cpu對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。p0口為開漏輸出,在作為通用i/o使用時(shí),需要在外部用電阻上拉。p1口:這8個(gè)引腳和p0口的8個(gè)引腳類似,p1.7為最高位,p1.0為最低位,當(dāng)p1口作為通用i/o口使用時(shí),p1.0-p1.7的功能和p0口的第一功能相同,也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。p2口:這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用i/o口使
8、用,它的第一功能和p0口引腳的第二功能相配合,用于輸出片外存儲器的高8位地址,共同選中片外存儲器單元,但并不是像p0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。p3口:這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同,第二功能為控制功能,每個(gè)引腳并不完全相同,如下表2所示:表2 p3口各位的第二功能p3口各位第二功能p3.0 rxt(串行口輸入)p3.1 txd(串行口輸出)p3.2/int0(外部中斷0輸入)p3.3/int1(外部中斷1輸入)p3.4t0(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入)p3.5t1(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入)p3.6/wr(片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許) p3.7/rd(片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許)vc
9、c為+5v電源線,vss接地。ale:地址鎖存允許線,配合p0口的第二功能使用,在訪問外部存儲器時(shí),89c51的cpu在p0.0-p0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時(shí),89c51自動在ale線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。/ea:片外存儲器訪問選擇線,可以控制89c51使用片內(nèi)rom或使用片外rom,若/ea=1,則允許使用片內(nèi)rom, 若/ea=0,則只使用片外rom。/psen:片外rom的選通線,在訪問片外rom時(shí),89c51自動在/psen線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖,作為片外rom芯片的讀選通信號。rst
10、:復(fù)位線,可以使89c51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89c51復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。xtal1和xtal2:片內(nèi)震蕩電路輸入線,這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容,即用來連接89c51片內(nèi)osc(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。2.4 led顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.1 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
11、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8所示:圖8 led引腳排列2.4.2 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9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l
12、ed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9 4位led引腳對于這種結(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。2.4.3 led譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式,對于led數(shù)碼管顯示器,通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實(shí)現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序,通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼,譯碼程序通常為查
13、表程序3。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計(jì),led譯碼采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)。由于本設(shè)計(jì)采用的是共陰極led,其對應(yīng)的字符和字段碼如下表3.3所示。表3.3 共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼03fh106h25bh34fh466h56dh67dh707h87fh96fh2.4.4 led顯示器與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動led顯示器,所以,在一般情況下,必須采用專用的驅(qū)動電路芯片,使之產(chǎn)生足夠大的電流,顯示器才能正常工作7。如果驅(qū)動電路能力差,即負(fù)載能力不夠時(shí),顯示器亮度就低,而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞,因此,led顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問題。為了簡化
14、數(shù)字式直流電壓表的電路設(shè)計(jì),在led驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)上,可以利用單片機(jī)p0口上外接的上拉電阻來實(shí)現(xiàn),即將led的a-g段顯示引腳和dp小數(shù)點(diǎn)顯示引腳并聯(lián)到p0口與上拉電阻之間,這樣,就可以加大p0口作為輸出口德驅(qū)動能力,使得led能按照正常的亮度顯示出數(shù)字,如圖10所示。圖10 led與單片機(jī)接口間的設(shè)計(jì)3 硬件電路設(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)的簡易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖11所示。圖11 簡易數(shù)字電壓表電路圖此電路的工作原理是:+5v模擬電壓信號通過變阻器vr1分壓后由adc08009的in0通道進(jìn)入(由于使用的in0通道,所以adda,addb,addc均接低電平),經(jīng)
15、過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道d0-d7傳送給at89c51芯片的p1口,at89c51負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼傳送給四位led,同時(shí)它還通過其四位i/o口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3產(chǎn)生位選信號控制數(shù)碼管的亮滅。此外,at89c51還控制adc0809的工作。其中,單片機(jī)at89c51通過定時(shí)器中斷從p2.4輸出方波,接到adc0809的clock,p2.6發(fā)正脈沖啟動a/d轉(zhuǎn)換,p2.5檢測a/d轉(zhuǎn)換是否完成,轉(zhuǎn)換完成后,p2.7置高從p1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給led顯示出來3。簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成,就可以選
16、取相應(yīng)的芯片和元器件,利用proteus軟件繪制出硬件的原理,并仔細(xì)地檢查修改,直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能,還需要有相應(yīng)的軟件配合,才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4 主要參數(shù)計(jì)算與分析4.1 顯示結(jié)果1. 當(dāng)in0口輸入電壓值為0v時(shí),顯示結(jié)果如圖12所示,測量誤差為0v。 圖12 輸入電壓為0v時(shí),led的顯示結(jié)果2.當(dāng)in0輸入電壓值為1.50v時(shí),顯示結(jié)果如圖13所示。測量誤差為0.01v。圖13 輸入電壓為1.50v時(shí),led的顯示結(jié)果3. 當(dāng)in0口輸入電壓值為3.50v時(shí),顯示結(jié)果如圖14。測量誤差為0.01v。圖14 輸入電壓為3.50v時(shí),led的顯
17、示結(jié)果4.2 誤差分析通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表,如下表4所示:表4 簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/v簡易電壓表測量值/v絕對誤差/v0.000.000.000.500.510.011.001.000.001.501.510.012.002.000.002.502.500.003.003.000.003.503.500.004.004.000.004.995.000.01由于單片機(jī)at89c51為8位處理器,當(dāng)輸入電壓為5.00v時(shí),adc0809輸出數(shù)據(jù)值為255(ffh),因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為0.0196v(5/
18、255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196v,從上表可看到,測試電壓一般以0.01v的幅度變化。 從上表可以看出,簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-0.01v,這可以通過校正adc0808的基準(zhǔn)電壓來解決。因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時(shí)直接用5v的供電電源作為電壓,所以電壓可能有偏差。當(dāng)要測量大于5v的電壓時(shí),可在輸入口使用分壓電阻,而程序中只要將計(jì)算程序的除數(shù)進(jìn)行調(diào)整就可以了。5 軟件設(shè)計(jì)5.1 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)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序,如圖15所示。開始初始化調(diào)用a/d轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯
19、示子程序結(jié)束圖15 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖5.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)5.2.1 初始化程序所謂初始化,是對將要用到的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9。5.2.2 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16所示。開始啟動轉(zhuǎn)換a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束?輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束圖16 a/d轉(zhuǎn)換流程圖5.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示,在采用動態(tài)掃描顯示方式時(shí),要使得led顯示的比較
20、均勻,又有足夠的亮度,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led進(jìn)行動態(tài)掃描一次,每一位led的顯示時(shí)間為1ms10。在本設(shè)計(jì)中,為了簡化硬件設(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)。6 調(diào)試過程 軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯(cuò)誤,錯(cuò)誤主要包括邏輯和功能錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤有些是顯性的,而有些是隱形的,可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。proteus軟件可以對基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真,用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如led/lcd、鍵盤、rs232終端等動態(tài)
21、外設(shè)模型來對設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。proteus支持的微處理芯片包括8051系列、avr系列、pic系列、hc11系列及z80等等。proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、pcb設(shè)計(jì),更為顯著點(diǎn)的特點(diǎn)是可以與u visions3 ide工具軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試8。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主,其中,系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是proteus軟件,而程序方面,采用的是匯編語言,用keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。7 結(jié)論經(jīng)過一段時(shí)間的努力,課程設(shè)計(jì)-基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)計(jì)中的不足之處仍然存在。這次設(shè)計(jì)是我第一次設(shè)計(jì)電路,并用proteus實(shí)現(xiàn)了仿真。在這過程中,我對電路
22、設(shè)計(jì),單片機(jī)的使用等都有了新的認(rèn)識。通過這次設(shè)計(jì)學(xué)會了proteus和keil軟件的使用方法,掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計(jì)、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程,積累了不少經(jīng)驗(yàn)?;趩纹瑱C(jī)的數(shù)字電壓表使用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、外接元件少。在實(shí)際應(yīng)用工作應(yīng)能好,測量電壓準(zhǔn)確,精度高。系統(tǒng)功能、指標(biāo)達(dá)到了課題的預(yù)期要求、系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了可擴(kuò)展性,經(jīng)過一定的改造,可以增加功能。本文設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了簡易數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能,詳細(xì)說明了從原理圖的設(shè)計(jì)、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。通過本次設(shè)計(jì),我對單片機(jī)這門課有了進(jìn)一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本
23、次設(shè)計(jì)采用了at89c51單片機(jī)芯片,與以往的單片機(jī)相比增加了許多新的功能,使其功能更為完善,應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。設(shè)計(jì)中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809,以前在學(xué)單片機(jī)課程時(shí)只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設(shè)計(jì),對它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過程中遇到很多問題,硬件上的理論知識學(xué)得不夠扎實(shí),對電路的仿真方面也不夠熟練。 總之這次電路的設(shè)計(jì)和仿真,基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能要求。在以后的實(shí)踐中,我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方面的理論知識,并理論聯(lián)系實(shí)際,爭取在電路設(shè)計(jì)方面能有所提升。8 參考文獻(xiàn)1胡健.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004年10月2王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)
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