單片機設計電壓傳感器

1、目錄目錄第第 1 1 章課題的設計要求、目的、意義章課題的設計要求、目的、意義 1 11.1 課題的設計要求：11.2 課題的設計目的與意義：1第第 2 2 章系統(tǒng)總體方案選擇與說明章系統(tǒng)總體方案選擇與說明 2 22.1 通道轉換方案設計 22.2 顯示部分方案設計 2第第 3 3 章系統(tǒng)結構框圖與工作原理章系統(tǒng)結構框圖與工作原理 3 33.1 系統(tǒng)結構框圖 33.2 工作原理 4第第 4 4 章各單元硬件設計說明與計算方法章各單元硬件設計說明與計算方法 5 54.1 單片機的選擇 54.2 時鐘電路與復位電路的設計 64.3LED 顯示電路設計與器件選擇 74.4 A/D 轉換電路和測量電路

2、的設計 9第第 5 5 章軟件設計與說明章軟件設計與說明 11115.1 系統(tǒng)軟件設計（流程圖）115.2 程序設計 12第第 6 6 章使用說明與調試結果章使用說明與調試結果 1313總結總結 1414參考資料參考資料 1515附錄附錄 1 1 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖 1616. . . . 1 / 22附錄附錄 2 2 程程序序清單清單 1717第第 1 1 章章 課題的設計要求、目的、意義課題的設計要求、目的、意義1.11.1 課題的設計要求：課題的設計要求：設計并制作用單片機控制一個數字式電壓表。本電壓表為多路模擬量輸入，圍為 05V，將采集的數據轉換成工程量在 LED 數碼顯示器上顯示

3、，測量最小分辨率為 0.0196V，測量誤差為0.02V。1.21.2 課題的設計目的與意義：課題的設計目的與意義：課程設計是讓我熟練掌握了課本上的一些理論知識，課程設計也是一個學習新知識、鞏固加深所學課本理論知識的過程，它培養(yǎng)了我們綜合運用知識的能力，獨立思考和解決問題的能力。加深我們對單片機原理與應用課程的理解。. . . . 2 / 22第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案選擇與說明系統(tǒng)總體方案選擇與說明實現數字電壓表的方案很多，目前廣泛采用的時基于 74 系列邏輯器件，本設計將介紹基于單片機實現的方案。2.12.1 通道轉換方案設計通道轉換方案設計方案一：考慮到 ADC0808 的 8 路

4、模擬量輸入本質上也是模擬開關，因此可以利用其 8 個模擬通道中的 3 個作為通道轉換器，即根據通道對應的電壓測量圍確定對應的電壓方法倍數設計對應的放大電路。方案二：利用手動開關實現通道轉換。該方案可簡化控制程序，消減系統(tǒng)開銷?？s短反應時間，不足之處在于操作麻煩。綜上所述：方案二所需元件少、成本低且易于實現，則選此方案。2.22.2 顯示部分方案設計顯示部分方案設計方案一：單片機的 P0、P2 口分別接 74LS248 和 ULN2003A 芯片來驅動四位數碼管方案二：直接用單片機的 P1、P2 口驅動數碼管，此處把ADC0808 的輸出端接 P1 口 ，因為 P1 口能夠驅動數碼管。綜上所述，

5、兩個方案都可行，但方案二所需元件少、成本低，則選擇此方案。. . . . 3 / 22第第 3 3 章章 系統(tǒng)結構框圖與工作原理系統(tǒng)結構框圖與工作原理3.13.1 系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)結構框圖根據項目要求，確定該系統(tǒng)的設計方案，圖 3-1 為該方案的硬件電路設計框圖。由 6 個部分組成，即單片機、時鐘電路、復位電路、LED 顯示電路、A/D 轉換器和測量電壓輸入電路。時鐘電路復位電路單片機LED 顯示電路A/D 轉換測量電壓輸入電路 圖 3-1 系統(tǒng)結構框圖. . . . 4 / 223.23.2 工作原理工作原理系統(tǒng)采用 12M 晶振產生脈沖做 AT89C51 的部時鐘信號，通過軟件設置單片機的

6、部定時器 T0 產生中斷信號。利用中斷設置單片機的 P2.4 口取反產生脈沖做 AT89C51 的時鐘信號。通過按鍵選擇八路通道中的一路，將該路電壓送入 ADC0808 相應通道，單片機軟件設置 ADC0808 開始 A/D 轉換，轉換結束 ADC0808 的 EOC端口產生高電平，同時將 ADC0808 的 EO 端口置為高電平，單片機將轉換后結果存到片 RAM。系統(tǒng)調出顯示子程序，將保存結果轉化為 0.00-5.00V 分別保存在片 RAM;系統(tǒng)調出顯示子程序，將轉化后數據查表，輸出到 LED 顯示電路，將相應電壓顯示出來，程序進入下一個循環(huán)。. . . . 5 / 22第第 4 4 章章

7、 各單元硬件設計說明與計算方法各單元硬件設計說明與計算方法根據設計要求與思路，確定該系統(tǒng)的設計方案。硬件電路由5 個部分組成，即單片機時鐘電路、復位電路、4 位顯示器電路、A/D 轉換電路和鍵盤與測量電路。4.14.1 單片機的選擇單片機的選擇系統(tǒng)設計使用 MCS-51 單片機 8051 芯片。8051 芯片由以下部分組成：中央處理器、256 單元的部數據存儲器、4KB 的程序存儲器、定時器/計數器、四個八位的 I/O 口，中斷控制系統(tǒng)與時鐘電路。圖 4.1 所示為采用雙列直插式封裝的 8051AH 芯片管腳圖。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD0

8、39P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51. . . . 6 / 22圖 4.1 80C

9、51 芯片管腳圖4.24.2 時鐘電路與復位電路的設計時鐘電路與復位電路的設計時鐘電路是計算機最核心的部分，它控制著計算機的工作MCS-51 單片機允許的時鐘頻率典型值為 12MHZ。80C51 單片機部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，分別是 80C51 的 19 腳和 18 腳。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接石英晶體與兩個電容就可以構成穩(wěn)定的自激振蕩器。石英晶振起振后要能在 XTAL2 線上輸出一個 3V左右的正弦波，使 MCS-51 片的 OCS 電路按石英晶振一樣頻率自激震蕩。通常，OCS 的輸出時鐘頻率 fosc

10、 為 0.5MHZ16MHZ，典型值為 12MHZ 電容器 C1 和 C2 通常取 30pF 左右，對震蕩頻率有微調作用。調節(jié)它們可以達到微調震蕩周期 fosc 的目的。單片機的 RST 管腳為主機提供一個外部復位信號輸入端口。復位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間應為 2 個機器周期以上。單片機的復位方式有上電自動復位和手工復位兩種。圖4-2 所示是 51 系列單片機常用的上電復位電路，只要 Vcc 上升時間不超過 1ms，它們都能很好地工作。復位以后，單片機各部件恢復到初始狀態(tài)。電阻電容器件的參考值:R1=200,R2=1K,C3=22F。RET 按鍵可以選擇專門的復位按鍵，也可以選擇

11、輕觸開關。電路圖如圖 4-2 所示。. . . . 7 / 22圖 4-2 時鐘電路與復位電路4.3LED4.3LED 顯示電路設計與器件選擇顯示電路設計與器件選擇單片機應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人機對話。這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數據輸入，以與應用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結果。顯示器、鍵盤電路就是用來完成人機對話活動的人機通道。LED 顯示器的驅動是一個非常重要的問題，此設計不采用段驅動芯片和位驅動芯片，直接由單片機的 P1，P2 口驅動，實驗證明可行。. . . . 8 / 22在應用系統(tǒng)中，設計要求不同，使用的 LED 顯示器的位數也不同，因此生產廠家就生產了多種位數、尺寸、型號

12、不同的 LED顯示器。在我們的設計中，選擇 4 位一體的共陰極時鐘型 LED 顯示器，采用動態(tài)顯示方式。圖 4-2 為本系統(tǒng) LED 顯示電路，采用P1 口作為 LED 的段碼輸出信號，P2 口的低四位作為 LED 位碼的輸出控制信號。圖 4-3 LED 顯示原理圖說明：1 位顯示轉換通道，2、3 和 4 位顯示電壓表數值。. . . . 9 / 224.44.4 A/DA/D 轉換電路和測量電路的設計轉換電路和測量電路的設計A/D 轉換器的功能是將模擬量轉換為與其大小成正比的數字量信號。能實現這種轉換的原理和方法很多，此設計采用 ADC0808轉換器。ADC0808 是一種逐次逼近型的 8

13、位 A/D 轉換器件，片有8 路模擬開關，可輸入 8 個模擬量，單極性，量程為 0+5V。 74LS373: 是帶有清除端的 8D 觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為 11 腳 CLK，采用上升沿鎖存。1D8D 為數據輸入端，1Q8Q 為數據輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用做 8 位地址鎖存器。用單片機的 P2.4 對應 ADC0808 的 ALE 端，P2.5 對應 EOC 端，P2.6 對應 OE 端,P3.3 對應 CLK 端，用軟件設定給定的值。ADDA、ADDB 和 ADDC 連接 74LS373 的輸出端，由 74LS373 輸出值選擇通道。IN0I

14、N7 分別 8 個被測電位器，根據選擇的通道，ADC0808 選擇測量相應通道的電位。電路圖如圖 4-4 所示。. . . . 10 / 22圖 4-4 A/D 轉換測量電路說明：0808 芯片的 IN0-IN7 分別接 8 個電位器，OUT1-OUT8接單片機 P0 口并與 74373 的 D0-D7 連接。74373 的 OE 接地，LE接單片機 P3.2 管腳，用程序控制其鎖存地址。0808 芯片的 CLK接 P3.3 用程序給其初始化脈沖。ST 和 ALE 接 P2.4,OE、EOC 分別接 P2.6、P2.5，編程控制以控制 0808 芯片。. . . . 11 / 22第第 5 5

15、 章章 軟件設計與說明軟件設計與說明5.15.1 系統(tǒng)軟件設計（流程圖）系統(tǒng)軟件設計（流程圖）圖 5.1 為程序軟件設計流程圖 其中(a)為主程序流程圖，（b）為 A/D 轉換子程序流程圖。開始初始化調用 A/D 轉換子程序調用顯示子程序開始開始模數轉換轉換是否完成取得模數轉換結果并轉化為工程量顯示轉化結果結束（a）主程序流程圖（b）A/D 轉換子程序流程圖調用延時程序其中 A/D 轉換子程序是將 0808 轉化后的數字量，需通過轉化子程序轉化成工程量并通過查表送到 P1 口送給 LED 顯示。. . . . 12 / 225.25.2 程序設計程序設計（1）初始化程序 給 ADC0808 時

16、鐘脈沖信號，并指向 0808 的 0通道啟動 A/D 轉換，通過延時等待 8 路采集完畢。（2）數據讀入 控制 0808 芯片的 ALE、START、EOC 和OE，STRT 為正脈沖時轉換開始， EOC 為低電平時 A/D 轉化結束，OE 為高電平時轉換結果送到數據線并被單片機讀入，ALE 為上升沿信號地址鎖存允許 CLR P2.4SETB P2.4 CLR P2.4 JNB P2.5,$ SETB P2.6 MOVX A,DPTR MOV ADC,A CLR P2.6（3）消抖 防抖動的時間是 10ms。（4）通道轉換 當判斷有按鍵按下后 P3.2 口置位即允許74373 地址鎖存，DPT

17、R 加 1 指向下一通道。. . . . 13 / 22第 6 章 使用說明與調試結果該數字電壓表可以同時測量 8 路直流數據，電壓表測量圍為0.005.00V，測量最小分辨率為 19.5mv。整個系統(tǒng)由一個按鈕控制，最左邊個 LED 顯示器是指向當前通道，即電位器編號。用 Proteus 仿真中點 PLAY 電壓表默認顯示第 8 通道即第 8 個電位器 RV8 的測量值。第一次按下按鈕后，改變測量通道即第 1 通道 RV1 的值，第2 下為第 2 通道，依次循環(huán)測量 8 個電位器的電壓值。選擇其中任意電位器并撥動其位置能改變其值，最大值為5V，最小值為 0V，在中間時為 2.49V，單片機能

18、讀出并正確顯示。經調試后該系統(tǒng)能達到目標要求。. . . . 14 / 22總結這次課程設計對我來說學到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作?，F在想來，也許學校安排的課程設計有著它更深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理論知識來運用到設計和創(chuàng)新，還讓我們知道了一個團隊凝聚在一起時所能發(fā)揮出的巨大潛能!在團隊中，我們互幫互助，對整個課程設計來說，這是至關重要的，缺少每一個人都會對我們的設計產生影響。還有要感指導老師在我們遇到困難時，給予我們的建議與鼓勵。 在一個星期后的今天我已明白課程設計對我來說的意義，它不僅僅是讓我們把所學的理論知識與實踐相結合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，更

19、重要的是同學間的團結，雖然我們這次花去的時間比別人多，但我相信我們得到的也會更多! 發(fā)現、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學習、工作和生活中。. . . . 15 / 22參考資料1 51 周向紅.系列單片機應用與實踐教程.：航空航天大學，2008 2 王迎旭.單片機原理與應用.：機械工業(yè), 2004 3 公茂法.單片機人機接口實例. :航空航天大學,2006. . . . 16 / 22附錄 1 系統(tǒng)原理圖. . . . 17 / 22附錄 2 程序清單ADC EQU 50HLED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HLED_3 EQ

20、U 33HORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP INT0ORG 0030HMAIN:LCALL CLK ;初始化MOV R4,#8MOV LED_3,R4START1:MOV DPTR,#7FF0H ;指向 0 通道 MOVX DPTR,A ;讀取轉換數值P3.4,AAA1 LCALL DELAY ;調用延時程序 LCALL DELAYLCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAY. . . . 18 / 22 LCALL DELA

21、Y P3.4,AAA1 ;判斷是否按下按鈕并開始轉換數值SETB P3.2 ;P3.2 給高電平鎖存地址INC R4CJNE R4,#9,AAA2MOV R4,#1AAA2: MOV LED_3,R4 ;顯示所選通道INC R5INC DPTR ;指向下一通道 MOV B,R5 ;顯示通道并重新鎖存地址 MOV P0,B CLR P3.2JNB P3.4,$AAA1: CLR P2.4 SETB P2.4CLR P2.4JNB P2.5,$SETB P2.6MOVX A,DPTR ;讀取轉換數據開始轉化為工程量 MOV ADC,A CLR P2.6LCALL CONV ;調用轉換子程序LCALL DISP ;調用顯示子程序LCALL DELAY ;調用延時程序LJMP START1CONV: MOV A,ADC ;數值轉換子程序MOV B,#51DIV ABMOV LED_2,A. . . . 19 / 22 MOV A,B CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 MUL A