單片機(jī)課程設(shè)計(jì)電壓表

1、數(shù) 字 電 壓 表單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2011 年 3 月 29 日數(shù)字電壓表電路設(shè)計(jì)報(bào)告一、題目及設(shè)計(jì)要求采用51系列單片機(jī)和ADC設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，輸入為05V線性模擬信號(hào)，輸出通過LED顯示，要求顯示兩位小數(shù)。二、主要技術(shù)指標(biāo)1、數(shù)字芯片A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)2、單片機(jī)控制的數(shù)碼管顯示技術(shù)3、單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)三、方案論證及選擇主要設(shè)計(jì)方框圖如下：數(shù)碼管顯示單片機(jī)處理模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓采集 1、主控芯片方案1：選用專用轉(zhuǎn)化芯片INC7107實(shí)現(xiàn)電壓的測量和實(shí)現(xiàn)，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點(diǎn)是京都比較低，內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換和控制部分不可控制。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格

2、低廉。方案2：選用單片機(jī)AT89C51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴；優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換京都高，且轉(zhuǎn)換的過程和控制、顯示部分可以控制。 基于課程設(shè)計(jì)的要求和實(shí)驗(yàn)室能提供的芯片，我選用了：方案2。2、顯示部分方案1：選用4個(gè)單體的共陰極數(shù)碼管。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較便宜；缺點(diǎn)是焊接時(shí)比較麻煩，容易出錯(cuò)。方案2：選用一個(gè)四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管，外加四個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)。這個(gè)電路幾乎沒有缺點(diǎn)；優(yōu)點(diǎn)是便于控制，價(jià)格低廉，焊接簡單。基于課程設(shè)計(jì)的要求和實(shí)驗(yàn)室所能提供的儀器，我選用了：方案2。四、電路設(shè)計(jì)原理模擬電壓經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路篩減后，經(jīng)隔離

3、干擾送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。同時(shí)通過串行通訊與上位通信。硬件電路及軟件程序。而硬件電路又大體可分為A/D轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路，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)使用匯編語言編程，利用Keil和PROTEUS 軟件對(duì)其編譯和仿真。一般I/O接口芯片的驅(qū)動(dòng)能力是很有限的，在LED顯示器接口電路中，輸出口所能提供的驅(qū)動(dòng)電流一般是不夠的尤其是設(shè)計(jì)中需要用到多位LED，此時(shí)就需要增加LED驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路有多種，常用的是TTL或MOS集成電路驅(qū)動(dòng)器，在本設(shè)計(jì)中采用了74LS244驅(qū)動(dòng)電路。 本實(shí)驗(yàn)采用

4、AT89C51單片機(jī)芯片配合ADC0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個(gè)簡易的數(shù)字電壓表，原理電路如圖1所示。該電路通過ADC0808芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)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D0D7傳送給AT89C51芯片的P0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，并通過其P1口傳送給數(shù)碼管。同時(shí)它還通過其三位I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3產(chǎn)生位選信號(hào)，控制數(shù)碼管的亮滅。另外，AT89C51還控制著ADC0808的工作。其ALE管腳為ADC0808提供了1MHz工作的時(shí)鐘脈沖；P2.4控制ADC080

5、8的地址鎖存端(ALE)；P2.1控制ADC0808的啟動(dòng)端(START)；P2.3控制ADC0808的輸出允許端(OE)；P2.0控制ADC0808的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(EOC)。數(shù)據(jù)處理及控制模塊AT89C51P0P2顯示模塊4位一體LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)采集模塊ADC0808控制信號(hào)輸出顯示AnalogDigitalLED位控制信號(hào)P2P31、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖如下所示，三個(gè)地址位ADDA,ADDB,ADDC均接高電平+5V電壓，因而所需測量的外部電壓可由ADC0808的IN7端口輸入。由于ADC0808在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要有CLK信，本設(shè)計(jì)中利用AT89C51的定時(shí)中斷產(chǎn)生一個(gè)100KHZ的脈沖

6、，由P1.4口送給ADC0808的時(shí)鐘端，通過軟件給其輸入一個(gè)正脈沖，可立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。在軟件設(shè)計(jì)中，由于我們對(duì)單片機(jī)知識(shí)還沒能很熟練的掌握，用中斷方式較復(fù)雜，且這個(gè)程序CPU工作量不大，查詢方式對(duì)速度不會(huì)產(chǎn)生影響，所以我們采用查詢方式，確保仿真的進(jìn)度和準(zhǔn)確度。系統(tǒng)原理圖51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)顯示A/D電壓放大電壓輸入在A/D轉(zhuǎn)換開始之前，逐次逼近寄存器的SAR的內(nèi)容為0，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，SAR存放“試探”數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后，它的內(nèi)容即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。邏輯控制與定時(shí)電路在START正脈沖啟動(dòng)后工作，沒來一個(gè)CLK脈沖，該電路就可能告知向SAR中傳送一次試探值，對(duì)應(yīng)輸出U0與U1

7、比較，確定一次逼近值，經(jīng)過8次逼近，即可獲得最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。此處，EOC端口的信號(hào)顯示ADC0808的狀態(tài)，開始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，EOC為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出高電平。2、 數(shù)據(jù)處理及控制A/D轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)的P1.6口接收到一高電平，立馬通過P2將OE置1，ADC0808的三態(tài)輸出鎖存器被打開，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過與D0D7相連的P0口進(jìn)入AT89C51。AT89C51根據(jù)公式1-1將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，然后利用程序獲取模擬量的每一位，分別通過P2口輸出到LED上。與此同時(shí)，AT89C51會(huì)通過P2.0P2.3口選擇用哪一段LED顯示所傳出的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)P2.0P2.3=1110

8、，則LED接收到的數(shù)據(jù)會(huì)在第四段LED上顯示。 另外，AT89C51一旦獲得了數(shù)據(jù)后便會(huì)將ST置0，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，知道LED獲得新的數(shù)據(jù)并顯示出來，ST才會(huì)重新置1.由于AT89C51轉(zhuǎn)換速率很快（微妙量級(jí)），所以不會(huì)影響其接收新的數(shù)據(jù)。 四、主要元器件的介紹 1、AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8為單片機(jī)。將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C51有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)

9、品的需求。主要功能特性：1、 低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。2、 兼容MCS51指令系統(tǒng)，8K可反復(fù)擦寫（>1000次）Flash ROM。3、 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率0-24MHz。4、 32個(gè)雙向I/O口，256B內(nèi)部RAM。5、 2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道。6、 2個(gè)外部中斷源，共6個(gè)中斷源。7、 2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位。2、ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片簡介 ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)

10、換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時(shí)采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時(shí)采用ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。引腳功能（外部特性）ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。各引腳功能如下： 15和2628（IN0IN7）：8路模擬量輸入端。 8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。 22（ALE）：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 6（START）： AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 7（EOC）： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)

11、束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10（CLK）：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：參考電壓輸入端 11（Vcc）：主電源輸入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。3、四位共陰極數(shù)碼管簡介 數(shù)碼管有兩種：一種共陰極、另一種為共陽極，本次課程設(shè)計(jì)用的是共陰極。下面比較詳細(xì)說明共陰極與共陽極的共同點(diǎn)與區(qū)別：圖(b)的左邊為共陰

12、極數(shù)碼管，也就是數(shù)碼管的陰極管接地。那時(shí)某段亮，這段就必須接高電平。共陰極數(shù)碼管09的C51編碼為：1、 uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x7f,0x6f;2、 uchar code table=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef;其中1不帶小數(shù)點(diǎn)，2帶小數(shù)點(diǎn)。共陽極就是數(shù)碼管的每段都接高電平，這樣要是哪段亮就這段就得接地。四、部分電路介紹1、晶振電路接12MHz晶振，根據(jù)芯片手冊(cè)，適合并聯(lián)30pf微調(diào)電容，從而構(gòu)成并聯(lián)諧振，幫助和穩(wěn)定輸出波形。2、復(fù)位電路

13、AT89C51單片機(jī)要求至少兩個(gè)高電平，以便單片機(jī)做好準(zhǔn)備工作。當(dāng)上電時(shí)，由于電容的電壓不能突變，會(huì)輸出高電平，當(dāng)電容充電到一定程度，就會(huì)輸出低電平，單片機(jī)利用輸出高電平的這段時(shí)間復(fù)位。電阻和電容的值選擇要合適。在這要求R1<<R2，所以選取R1=1，R2=10。3、 模擬輸入電路通過可變電阻一端接電源+5v，一端接地GND，通過改變電阻的阻值，從而改變所測電壓值，實(shí)現(xiàn)電壓的模擬信號(hào)輸入。4、 ADC0808芯片與單片機(jī)接口電路ADC0808的輸出接到P1口，OUT1對(duì)應(yīng)的是最高位，START與ALE可以接在一起。在這里，START接P3.0，OE接P3.1，EOC接P3.2，Cl

14、OCK接P3.4。5、顯示電路通過P0口控制四位共陰極數(shù)碼管段選，通過P2口的低四位控制位選。值得注意的是P0需要接上拉電阻，否則P0會(huì)處于高阻態(tài)。總電路如下：設(shè)計(jì)原理：將模擬量通過IN0輸入，經(jīng)過ADC0808芯片轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量輸出到單片機(jī)P0口，經(jīng)過單片機(jī)處理后，送到四位共陰極數(shù)碼管上顯示。仿真結(jié)果如下：根據(jù)上述分析及原理，可設(shè)計(jì)程序流程圖如下：設(shè)計(jì)程序如下：#include<absacc.h>#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uchar unsigned char#define uint un

15、signed intsbit START=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit P07=P07;sbit CLK=P34;uchar data led4;uint data tvdata; uchar code tv=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar code a=0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; void delay(void) /延時(shí)程序 uint i; for(i=0;i<10;i+);void ledxianshi(void) /顯示模塊 uchar k,i; i

16、f(tvdata>5000) tvdata=5000; led0=tvdata%10; led1=tvdata/10%10; led2=tvdata/100%10; led3=tvdata/1000; for(k=0;k<4;k+) P2=tvk; i=ledk; P0=ai; if(k=3) P07 =1; delay(); void main(void) ET0=1; EA=1; TMOD=0x02; TH0=216; TL0=216; TR0=1; while(1) START=1; START=0; /啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 while(EOC=0); OE=1; tvdata=P1;

17、tvdata*=20-0.01; OE=0; ledxianshi(); delay(); void t0(void) interrupt 1 using 0CLK=CLK;六、硬件制作與測試1、主要儀器及使用方法主要儀器：5v直流電源，剝線鉗，數(shù)字萬用表，通用版電路板，電烙鐵，鑷子，USB轉(zhuǎn)串口線。其中5v電源可以從電腦的USB接口引出，使用電烙鐵時(shí)注意不要手直接觸摸。調(diào)試電路的方法和技巧：（1）目測 檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點(diǎn)，有無虛焊（2）用萬用表測試 先用萬用表符合目測中有疑問的點(diǎn)，再檢查各種電源線 與地線之間是否有短路現(xiàn)象（3）加電檢測 給板子加電，檢測所有的插座或是器件

18、的電源端的電壓 是否符合要求的值（4） 注意事項(xiàng) 在通電檢查前，一定要確保電路板沒有短路2、硬件制作步驟（1）將單片機(jī)的最小系統(tǒng)焊接出來，進(jìn)行調(diào)試，檢驗(yàn)是否能下載程序、進(jìn)行電路復(fù)位、晶振是否起振。（2）擴(kuò)展部分的焊接，在這我采用了ADC0809作為擴(kuò)展芯片，原因是ADC0808和ADC0809的功能、引腳幾乎都相同，用74ls244驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。（3）焊接完后對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，檢查結(jié)果是否正確。焊接的電路圖如下：七、設(shè)計(jì)過程中的問題及解決方案（1）單片機(jī)的最小系統(tǒng)完成后，接上發(fā)現(xiàn)顯示燈不亮。 檢查發(fā)光二極管是否接地或接電源，若都接了則檢查晶振是否起振，電路是否短路或斷路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)忘記將發(fā)光二極管接地。（2）通電后發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示亮度不均勻 檢查與數(shù)碼連接電路是否有誤、短路或短路，若沒有則檢查74ls244驅(qū)動(dòng)是否問題，經(jīng)過仔細(xì)發(fā)現(xiàn)及測試，發(fā)現(xiàn)74ls244壞了，換了個(gè)芯片后即可顯示均勻。（3）下載程序到單片機(jī)后，通電運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)怎么改變電壓都沒有變化且顯示5 檢查ADC0809所對(duì)應(yīng)的各個(gè)引腳有沒有接錯(cuò)，若沒有則通過將P1口置0，觀察各個(gè)線路的顯示結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ADC0809芯片有問題，換了芯片后可正常顯示。（4）發(fā)現(xiàn)每個(gè)數(shù)碼管顯示相同的數(shù)字 檢驗(yàn)段掃描連接是否正確，若無誤，在檢查程序是否正確，最后發(fā)現(xiàn)延時(shí)函數(shù)有一個(gè)地方寫錯(cuò)，以致不能掃描，顯示相同的數(shù)，修改程序后，即可進(jìn)行掃描。