單片機課程設(shè)計-電阻量測量

1、農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計說明書電阻量測量摘 要本設(shè)計基于單片機和AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電阻的測量。采用ADC0808，實現(xiàn)由模擬電壓轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號，通過單片機系統(tǒng)AT89C51處理后，由LCD顯示器顯示被測量電阻的阻值。測量范圍為15K，精度大于98%。其中穩(wěn)壓電源采用的是三端集成穩(wěn)壓器7805構(gòu)成的正5V直流電源，對單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器供電。本設(shè)計從硬件和軟件兩部分入手，其中硬件分為數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示三個模塊。數(shù)據(jù)采集通過我們對兩方案的分析與對比，決定采用橋式法測量被測電阻電壓，A/D轉(zhuǎn)換器使用常見的仿真器件ADC0808，數(shù)據(jù)顯示使用LCD1602。硬件設(shè)計完成后，用Kei

2、l編程，編寫每個模塊的程序。接著使用Proteus對設(shè)計的硬件進行仿真，記錄數(shù)據(jù)并進行了分析，得出誤差小，測量范圍大的結(jié)論。最后使用Altium Designer繪制仿真電路的原理圖和PCB板。 關(guān)鍵詞：AT89C51單片機，Proteus仿真，數(shù)據(jù)處理1目 錄第一章 緒論1第二章 總體設(shè)計2§2.1總體設(shè)計思路2第三章 硬件設(shè)計5§3.1直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計5§3.2電壓測量的設(shè)計5§3.3模數(shù)ADC轉(zhuǎn)換的設(shè)計7§3.4 液晶顯示電路的設(shè)計7第四章 軟件設(shè)計11§4.1 主程序工作流程圖11§4.2 程序設(shè)計11第五章

3、軟件仿真12§5.1 Protues仿真圖12§5.2 Altium Designer原理圖14第六章 設(shè)計結(jié)論16參考文獻17附錄19第一章 緒論隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，生產(chǎn)生活中人們對工具的要求越來越高。其中對我們?nèi)粘Ｋ褂玫碾娮璞淼木群托阅芤惨笤絹碓礁?，并且電阻表完全可以通過現(xiàn)代科技來實現(xiàn)智能化，測量不同阻值的電阻。測量不同阻值的電阻時，可以更換檔位。并且同時顯示出阻值和量程。目前市面上測量電子元器件參數(shù)R的儀表種類較多，方法和優(yōu)缺點也各有不同。一般的測量方法都存在計算復(fù)雜，不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化等缺點。將電阻參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓形式，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣處

4、理一方面使測量精度提高了，另一方面也便于使儀表實現(xiàn)智能化，并能很好的實現(xiàn)各個要求。本設(shè)計從硬件和軟件兩部分入手，其中硬件分為數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示三個模塊。數(shù)據(jù)采集我們采用橋式法測量被測電阻電壓，A/D轉(zhuǎn)換器使用常見的仿真器件ADC0808，數(shù)據(jù)顯示使用LCD1602。硬件設(shè)計完成后用Keil編程，具體程序在正文當中，最后對設(shè)計的電路進行仿真，記錄顯示數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)對比，得出結(jié)論。1第二章 總體設(shè)計§2.1總體設(shè)計思路本設(shè)計包括硬件和軟件設(shè)計兩個部分。模塊劃分為電壓測量（數(shù)據(jù)采集）、模數(shù)轉(zhuǎn)換、阻值顯示等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：電壓測量，電壓轉(zhuǎn)換電阻，阻值顯示及相關(guān)

5、的控制管理軟件組成。用戶終端完成信息采集、處理、數(shù)據(jù)傳送、顯示等功能。從設(shè)計的要求來分析該設(shè)計須包含如下結(jié)構(gòu)：電壓測量電路，電壓轉(zhuǎn)換電路，阻值顯示電路、單片機及相關(guān)的控制軟件組成。A/D轉(zhuǎn)換器：ADC0809是很常用的一款8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。而ADC0808是0809的簡化版，主要的不同點是0808的轉(zhuǎn)換輸出out0-7與常用的輸出端高低位是相反的，即0809的最低位是out0，0808的最低位是out7.ADC0808在實際中不常用，實際中常用的是0809，而0808最常用的是在proteus仿真里面，因為0809是沒有模型庫，無法仿真的。ADC 0808和ADC 0809除精度略有差別外(

6、前者精度為8位、后者精度為7位)，其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件，不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回檢測和過程控制、運動控制中應(yīng)用十分廣泛。1) 主要技術(shù)指標和特性（1）分辨率： 8位。（2）總的不可調(diào)誤差： ADC0808為±2LSB,ADC 0809為±1LSB。（3）轉(zhuǎn)換時間： 取決于芯片時鐘頻率，如CLK=500kHz時，TCONV=128s。（4）單一電源： +5V。（5）模擬輸入電壓范圍：

7、單極性05V；雙極性±5V,±10V(需外加一定電路)。（6）具有可控三態(tài)輸出緩存器。（7）啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式(正脈沖)，上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始工作。（8）使用時不需進行零點和滿刻度調(diào)節(jié)。2) 部分外部引腳介紹（1）IN0IN78路模擬輸入，通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來選通一路。（2）D7D0A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模擬通道選擇地址信號，ADDA為低位，ADDC為高位。（4）VR(+)、VR(-)正、負

8、參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準電壓。在單極性輸入時，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時，VR(+)、VR(-)分別接正、負極性的參考電壓。顯示器：選用LCD1602。工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。特性：3.3V或5V工作電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制

9、命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；內(nèi)建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM;8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM；微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中；操作控制。它們之間的構(gòu)成框圖如圖2-1總體設(shè)計框圖所示：AT89C51LCD顯示電壓轉(zhuǎn)換電阻（ADC0808）測量精度選擇電壓測量圖2-1 總體設(shè)計框圖處理器采用51系列單片機AT89C51。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。當測量一個電阻時，經(jīng)過電壓采集，電壓轉(zhuǎn)換為電阻，電阻顯示三個部分可以在LCD上顯示該被測電阻的阻值。當

10、被測電阻為100范圍以內(nèi)時，通過開關(guān)選擇測量量程，再次測量該電阻，以減小誤差。25第三章 硬件設(shè)計§3.1直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計對于一個完整的電子設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源電路的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。電子設(shè)備除用電池供電外，還采用市電（交流電網(wǎng)）供電。通過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的重要組成部分！本項目直流穩(wěn)壓電源為+5V。如下圖所示：直流穩(wěn)壓電源的制作一般有3種制作形式，分別是分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電源、線性集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。下圖穩(wěn)壓電源采用的是三端集成穩(wěn)壓器7805構(gòu)成的正5V直流電源。圖3-

11、1 三端固定式集成穩(wěn)壓電源電路圖§3.2電壓測量的設(shè)計電路的論證與對比方案一利用單穩(wěn)或電容充放電規(guī)律等，可以把被測電阻量的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即脈沖的寬度Tx與Rx成正比。只要把此脈沖和頻率固定不變的方波（以下稱為時鐘脈沖）相與，便可以得到計數(shù)脈沖，將它送給數(shù)字顯示器。如果時鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，便可實現(xiàn)測量電阻。計數(shù)控制電路輸出的脈沖寬度Tx應(yīng)與Rx成正比，其電路原理圖及具體555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的構(gòu)成及仿真如圖3-2所示。A/D轉(zhuǎn)換電路譯碼-驅(qū)動-顯示電路555單穩(wěn)態(tài)電路圖3-2 方案一原理圖用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路在正常工作條件下輸出脈沖的寬度Tx與Rx關(guān)系是：Tx=R*Cx*

12、ln3所產(chǎn)生的時間誤差可能達到百分之十五，再加上其他原因產(chǎn)生的誤差，測量是的時間延遲太大。 方案二用ADC0808電阻測量，以已知的電阻作為基準電阻。和被測電阻進行分壓，分壓比例得出電阻比例。R1R2=V1V2用ACD0808測量電阻時間誤差為10%以下，分辨率高，輸出能與TTL電平兼容。其原理圖如圖所示。譯碼-驅(qū)動-顯示電路A/D轉(zhuǎn)換電路簡易外圍電路圖3-3 方案二原理圖方案的對比與比較由于課程設(shè)計的要求是電阻測量需要簡單的外圍檢測電路，將電阻轉(zhuǎn)換為電壓。測試：誤差10%。通過比較以上兩個方案，可知方案二相對來說比較適合。所以選用方案二作為實驗方案。如圖3-4所示為被測電阻電壓測量。電壓經(jīng)過

13、已知電阻R1和被測電阻Rx接到地。通過OUT輸出被測電阻Rx上的電壓。送到ADC0808的IN0口。圖3-4 被測電阻電壓測量圖§3.3模數(shù)ADC轉(zhuǎn)換的設(shè)計由電壓測量得到的電壓經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換可得到8位的電壓值，經(jīng)過歐姆定律（即電壓之比等于電阻之比）可得到被測電阻的阻值的大小。公式如下OUTUi=RxR1+Rx本設(shè)計用到的R1的阻值為600和300。由被測電阻得到的電壓經(jīng)ADC0808的26腳IN0輸入，經(jīng)過內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，在OUT17輸出數(shù)字電壓量，經(jīng)過上述公式的轉(zhuǎn)變，在P2口上的顯示的數(shù)字量為被測電阻的阻值數(shù)字量。如圖3-5所示為被測電阻電壓量轉(zhuǎn)換為阻值量。IN0ADC0808

14、OUT1OUT7OUTP2圖3-5 被測電阻電壓量轉(zhuǎn)換為阻值量圖§3.4 液晶顯示電路的設(shè)計經(jīng)過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的電阻值數(shù)字量，在MCU的P2口輸入，MCU系統(tǒng)處理后在P0口由LCD1602顯示出來該被測電阻的阻值。如圖3-6所示為被測電阻阻值顯示。D0D7LCD1602P0AT89C51P2ADC OUT1OUT7圖3-6 被測電阻阻值顯示圖單片機時鐘電路的設(shè)計：本系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘信號，用于外接一個12MHz石英晶體振蕩器和2個30pF微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該

15、反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us，故而一個機器周期為1us。如圖3-7所示為時鐘電路。圖3-7 時鐘電路圖單片機復(fù)位電路的設(shè)計：確定單片機工作的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。復(fù)位方法一般有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位，單片機在時鐘電路工作以后, 在RESET端口持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復(fù)位操作6。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復(fù)位

16、信號持續(xù)時間應(yīng)不小于2us。本設(shè)計采用的是外部手動按鍵復(fù)位電路。如圖3-8所示為復(fù)位電路。圖3-8 復(fù)位電路圖由時鐘電路和復(fù)位電路連接的單片機最小系統(tǒng)如下圖所示：圖3-9 單片機最小系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路的選擇及說明：硬件電路的設(shè)計如上文圖中所示，從以上的分析可知本設(shè)計中要用到如下器件：AT89C51、ADC0808轉(zhuǎn)換器、LCD1602、按鍵等一些單片機外圍應(yīng)用電路，以及單片機的手工復(fù)位，單片機電源電路等。其中R3，R6電阻為已知電阻，R4，R5為不同測量精度下的未知電阻，開始工作時可在LCD上觀察到被測電阻的阻值。電路設(shè)有2個按鍵，S1鍵作為阻值測量精度的選擇鍵，S2鍵作為電路復(fù)位鍵。第四章 軟

17、件設(shè)計§4.1 主程序工作流程圖按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序流程圖如下圖所示開始系統(tǒng)初始化（重新）放置電阻選擇測量精度開關(guān)S1，重測此電阻初次顯示無正常顯示<300最終顯示正常顯示結(jié)束 圖4-1 主程序工作流程圖§4.2 程序設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換程序、SMC1602驅(qū)動程序、主函數(shù)見附錄。第五章 軟件仿真§5.1 Proteus仿真圖本設(shè)計通過利用Proteus仿真，將所編寫的程序用Keil軟件編譯。本設(shè)計所要求達到的目標是測量一個電阻，在誤差允許范圍內(nèi)，通過LCD1602顯示出該電阻的阻值。仿真圖如下圖所示：圖5-1 Proteus電路仿真圖表5-

18、1 仿真測量電阻阻值實際電阻（）仿真測量（600）硬件測量（600）仿真測量（300）硬件測量（300）1.220111.520112.622225.444646.3746610999101414121312474848474749484849495151515052908989909210098981001002202182222202232402402452382463003003002972973303273383323374704694774724805105085165135225505505675505691K993102799610662K120842233209023373K2

19、9853042302631773K333233426334235253K53535377135253950§5.2 Altium Designer原理圖除仿真之外，本設(shè)計又使用Altium Designer繪制了硬件電路的原理圖，如下圖所示：圖5-2 硬件電路的原理圖其中電源電路的設(shè)計如圖5-3所示圖5-3 電源電路圖本設(shè)計使用USB接口給電路提供+5V電壓，與使用Proteus仿真電路有所不同。電路中所有的高電平全部接在VCC端，地接在USB接口的4號腳上。通電時紅燈LED-R亮。經(jīng)過對原理圖編譯，更新后產(chǎn)生的PCB板見附錄，在此只展示了PCB板的頂層。第六章 設(shè)計結(jié)論本設(shè)計研究了

20、一種基于單片機技術(shù)的電阻測量。由電路知識可以容易測出一個電阻上的電壓。由于測量的電壓是模擬量，故用ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由單片機系統(tǒng)處理，再將數(shù)據(jù)傳送給顯示器即可完成電阻的阻值測量和顯示。由于數(shù)字量在數(shù)值上是離散的，通過此種方法得到的阻值存在著誤差，為了盡可能的減小此誤差，在選擇已知電阻上，試用了很多電阻。通過大量數(shù)據(jù)與實際電阻的阻值相比較，以及實驗室能提供的電阻，選用了600和300的已知電阻，用不同的量程可以盡可能的減小誤差。表5-1中給出了部分電阻的硬件電路測量結(jié)果，從中可以得知，同一電阻，用不同的量程測量得到不同的阻值，存在的誤差也很明顯。本設(shè)計只采用了兩種已知電阻，也就是2個量

21、程測量電阻，測量范圍從15K，精度大于98%。若提高測量精度，只需增加更大的量程，即可完成大電阻的阻值測量。由于硬件電路的連接，元器件不理想等原因，實際測量電阻的阻值與仿真得到的阻值還是有一定誤差的。雖然硬件電路能正常工作，但程序以及元器件的選擇不足，使得這次設(shè)計并沒有達到很好的測量效果，對微歐姆級和K歐姆級電阻無法測量，還是感到不理想。通過此次設(shè)計，尤其在硬件電路的設(shè)計的方面，使我對單片機系統(tǒng)有了更好的認識。在以后的學(xué)習(xí)中，會更加注重設(shè)計原理與硬件電路的相結(jié)合，做好每一個設(shè)計，達到理想的要求。參考文獻1 史翔，張岳濤.基于AT89C51單片機微電阻測量系統(tǒng)J. 甘肅科技，2011年8月2 周

22、瑞景. Proteus在MCS-51&ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用百例M. 北京：電子工業(yè)出版社，20103 李全利.單片機原理及接口技術(shù)M.2版. 北京：高等教育出版社，20134 王東峰，王會良.單片機C語言應(yīng)用100例M.北京：電子工業(yè)出版社，20125 彭偉. 單片機C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例基于8051+Proteus仿真.北京：電子工業(yè)出版社，20106 張毅剛 彭喜元,彭宇.單片機原理及應(yīng)用.北京:高等教育出版社,2010.57 郭天祥 新概念51單片機C語言教程.北京:電子工業(yè)出版社,2009.18 張毅剛 基于Proteus的單片機課程的基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計 北京：人民郵電出版

23、社，20129 Alan B. Marcovitz Introduction to logic Design.北京：電子工業(yè)出版社，2013附錄硬件電路PCB板各模塊程序：A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)：#include <at89x51.h>#define START P3_4 /ATART，ALE接口。0->1->0:啟動AD轉(zhuǎn)換。#define EOC P3_3 /轉(zhuǎn)換完畢由0變1.#define OUTPORT P2 #define K1 P1_0/AD轉(zhuǎn)換函數(shù)，返回轉(zhuǎn)換結(jié)果。/轉(zhuǎn)換結(jié)果是3位數(shù)unsigned int uiADTransform()float uiResult

24、;START=1; /啟動AD轉(zhuǎn)換。START=0;while(EOC=0); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。uiResult=OUTPORT; /輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果。P1=0xFF;if(K1=1)uiResult=uiResult*600/(255-uiResult); /已知電阻為600歐姆，計算未知電阻，測量大電阻，0-9999歐姆else uiResult=uiResult*300/(255-uiResult); /已知電阻為300歐姆，計算另外的電阻，測量大電阻，0-9999歐姆 return uiResult;SMC1602驅(qū)動程序：#include "SMC1602.h"voi

25、d vWriteCMD(unsigned char ucCommand) vDelay();/先延時。LCDE=1;/然后把LCD改為寫入命令狀態(tài)。LCDRS=0;LCDRW=0;LCDPORT=ucCommand;/再輸出命令。LCDE=0;/最后執(zhí)行命令。void vWriteData(unsigned char ucData) vDelay(); /先延時。LCDE=1; /然后把LCD改為寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)。LCDRS=1;LCDRW=0;LCDPORT=ucData; /再輸出數(shù)據(jù)。LCDE=0; /最后顯示數(shù)據(jù)。void vShowOneChar(unsigned char ucChar

26、)switch(ucChar)case ' ': vWriteData(0x20);break;case ':': vWriteData(0x3A);break;case '(': vWriteData(0x28);break;case ')': vWriteData(0x29);break;case '0': vWriteData(0x30);break;case '1': vWriteData(0x31);break;case '2': vWriteData(0x32);brea

27、k;case '3': vWriteData(0x33);break;case '4': vWriteData(0x34);break;case '5': vWriteData(0x35);break;case '6': vWriteData(0x36);break;case '7': vWriteData(0x37);break;case '8': vWriteData(0x38);break;case '9': vWriteData(0x39);break;case 'R': vWriteData(0x52);break;case 'a': vWriteData(0x61);break;case 'c': vWriteData(0x63);break;case 'e': vWriteData(0x65);break;case 'i': vWriteData(0x69);break; case 'n': vWriteDat