基于單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

PAGEPAGE-34-目錄150471、系統(tǒng)方案 -3-50501.1、方案比較與選擇 -3-102981.1.1、單片機(jī)選擇與論證 -3-298551.1.2、顯示器件選擇與論證 -3-312191.1.3、鍵盤(pán)形式選擇與論證 -4-209591.1.4排阻形式選擇與論證 -4-235752理論分析與計(jì)算 -8-HYPERLINK\l_Toc272432.1、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) -8-203951．分辨率 -8-13122．轉(zhuǎn)換精度 -8-192823．輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間（轉(zhuǎn)換速度） 2-8-4.溫度系數(shù)2.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.2.131617權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析 -9-26953、電路與程序設(shè)計(jì) -11-147723.1.1、總體框圖設(shè)計(jì) -11-HYPERLINK\l_Toc40793.1.2、顯示電路 -11-312403.1.3、權(quán)電路 -12-52263.1.4、按鍵電路 -13-84033.1.5、驅(qū)動(dòng)電路 -14-3.1.6、輸出電路204013.1.7、總電路 -16-152933.2、程序流程圖 -17-283723.2.2、液晶顯示子程序流程圖 -18-31473.2.3、輸出電路程序流程圖 -19-313344、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 -20-236874.1、測(cè)試方案 -20-289244.2、測(cè)試結(jié)果與測(cè)試分析 -20-641附錄 -21-8948附錄1：電路原理圖 -21-15749附錄2：源程序 -21-1、系統(tǒng)方案1.1、方案比較與選擇1.1.1、單片機(jī)選擇與論證方案一：AT89C51單片機(jī)。AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS８位單片機(jī)，片內(nèi)含4k字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。方案二：C8051F060單片機(jī)。C8051F060芯片是由Cygnal公司生產(chǎn)的，集成有高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核，具有內(nèi)置RAM，2個(gè)16位1Msps的ADC，芯片自身帶有CAN總線控制器、59個(gè)I/O口。它是高度集成的芯片，減少了外圍器件，進(jìn)而降低了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。基于對(duì)功能齊全性的考慮，和本次設(shè)計(jì)的要求我們運(yùn)用方案一。1.1.2、顯示器件選擇與論證方案一：數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短(<0．1μs)，高頻特性好，單色性好，亮度高。體積小，重量輕，抗沖擊性能好。壽命長(zhǎng)，使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。但顯示功能有限，只能顯示數(shù)字和個(gè)別字母。方案二：液晶顯示器。液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，顯示質(zhì)量高。其接口都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。方案三：陰極射線管顯示器。此種顯示器圖像色彩豐富，還原性好，有豐富的幾何失真調(diào)整能力。但不能長(zhǎng)期暴露在磁場(chǎng)下，會(huì)磁化或損壞，不能讓強(qiáng)光直射，會(huì)降低發(fā)光效率，不能在高溫下使用，工作性能和使用壽命會(huì)大打折扣。基于對(duì)顯示器功能的穩(wěn)定性和齊全性考慮，我們采用方案二。1.1.3、鍵盤(pán)形式選擇與論證方案一：獨(dú)立式按鍵。獨(dú)立按鍵的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少，操作速度較高的場(chǎng)合。方案二：行列式鍵盤(pán)。行列式鍵盤(pán)由行和列線交叉組成，一般適用于按鍵較多的場(chǎng)合。使用2×2矩形鍵盤(pán)，這樣鍵盤(pán)模塊僅使用8根線與處理器相連，節(jié)省了系統(tǒng)資源。由于我們功能比較少，矩形鍵盤(pán)占用電路板位置較大，因此選擇方案一。1.1.4排阻形式選擇與論證方案一：多個(gè)單個(gè)電阻。個(gè)數(shù)多，接線困難，誤差大。且浪費(fèi)資金。方案二：排阻。數(shù)量少，接線容易，價(jià)格便宜。由于本次試驗(yàn)本身對(duì)接線要求就高，所以采用方案二。1.1.5、材料選擇與論證方案一：塑料板。塑料板質(zhì)量輕，不易碎，但是也不好加工，且不環(huán)保。方案二：木板。木板質(zhì)量比塑料板重，但比玻璃板輕，易于加工，可塑性強(qiáng)。由于本次試驗(yàn)對(duì)材料的可塑性要求較高，因此采用方案二。1.2所選器件的分析1.2.1STEC89C51引腳圖如下：1.2.2LED顯示屏1.2.3LM3242理論分析與計(jì)算2.1、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1．分辨率分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來(lái)表示分辨率。2．轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間（轉(zhuǎn)換速度）從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間最短達(dá)到0.1微秒以內(nèi)。溫度系數(shù)在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。2.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析集成運(yùn)算放大器，作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。開(kāi)關(guān)Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼di控制：當(dāng)di=1時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓UREF上；當(dāng)di=0時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接地。虛短運(yùn)算放大器總的輸入電流為虛斷運(yùn)算放大器輸出電壓為令RF=R/2，則即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)Dn=Dn-1…D0=0時(shí)，uO=0；因而uO的變化范圍是當(dāng)Dn=Dn-1…D0=11…1時(shí)，因而uO的變化范圍是權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)①優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電阻元件數(shù)較少；②缺點(diǎn)：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。電路與程序設(shè)計(jì)3.1.1、總體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖所示CPU模塊CPU模塊控制模塊顯示模塊輸出模塊驅(qū)動(dòng)模塊輸出模塊驅(qū)動(dòng)模塊3.1.2、顯示電路LED顯示屏與傳統(tǒng)的CRT相比，LED不但體積小，厚度薄，耗能少（1到10微瓦、平方厘米），工作電壓低（1.5到6v）能與集成電路直接連用。并且在與集成電路焊接是比數(shù)碼管接線簡(jiǎn)單。容易操作。3.1.3、權(quán)電路1、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示，它由理想運(yùn)算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)、電子模擬開(kāi)關(guān)等組成。當(dāng)di=1時(shí)（i=0,1,2,3），電子模擬開(kāi)關(guān)接VREF，當(dāng)di=0時(shí)，電子模擬開(kāi)關(guān)接地。3.1.4、按鍵電路此電路實(shí)現(xiàn)四種不同功能的轉(zhuǎn)換。按鍵一實(shí)現(xiàn)平板旋轉(zhuǎn)360°功能，按鍵二實(shí)現(xiàn)一枚硬幣平衡擺動(dòng)的功能，按鍵三實(shí)現(xiàn)八枚硬幣平衡擺動(dòng)的功能，按鍵四實(shí)現(xiàn)始終指向一點(diǎn)的功能。電路圖如圖。圖按鍵電路3.1.5、驅(qū)動(dòng)電路本次的電路主要是有程序通過(guò)AT89C51驅(qū)動(dòng)的。顯示電路是由P0口和P2.0;P2.1;P2.2口驅(qū)動(dòng)的。權(quán)電路是由P1口來(lái)驅(qū)動(dòng)的。輸出電路是由單片機(jī)通過(guò)權(quán)電路驅(qū)動(dòng)。3.1.6、輸出電路電路經(jīng)過(guò)輸入的數(shù)字電路通過(guò)單片機(jī)的程序，輸出通過(guò)權(quán)電路，然后2R?等比分流，再通過(guò)LM324輸入給電壓表。3.1.7、總電路開(kāi)始3.2、程序流程圖開(kāi)始結(jié)束電壓放大輸出啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換單片機(jī)檢測(cè)按鍵按鍵按下系統(tǒng)初始顯示電壓值結(jié)束電壓放大輸出啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換單片機(jī)檢測(cè)按鍵按鍵按下系統(tǒng)初始顯示電壓值圖程序流程圖3.2.2、液晶顯示子程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始初始化LCD顯示內(nèi)容寫(xiě)入緩存LCD控制器啟動(dòng)延時(shí)置DISP為高電平液晶屏正常顯示置DISP為低電平延時(shí)LCD控制器關(guān)閉液晶屏無(wú)顯示圖液晶顯示流程圖圖所示的程序用來(lái)顯示為調(diào)節(jié)電壓。3.2.3、輸出電路程序流程圖判斷？判斷？頻率增加退出波形輸出等待按鍵命令判外部中斷2DAC輸出單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)判外部中斷頻率增加退出波形輸出等待按鍵命令判外部中斷2DAC輸出單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)判外部中斷 N Y 圖LM324工作流程圖測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1、測(cè)試方案基本要求：此次試驗(yàn)是通過(guò)軟件程序和硬件搭建電路實(shí)現(xiàn)。通過(guò)按鍵電路對(duì)顯示電路數(shù)字顯示分別輸入0V，1V,2V,3V,4V.此時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路后讀出電壓表的顯示示數(shù)。觀察計(jì)算誤差。4.2、測(cè)試結(jié)果與測(cè)試分析測(cè)量結(jié)果:在允許的誤差范圍內(nèi)，觀察電壓表的示數(shù)。如果誤差超過(guò)了允許的范圍，我們先對(duì)硬件電路進(jìn)行排查分析，進(jìn)行對(duì)電路的數(shù)據(jù)分析，最后到軟件程序的分析。附錄附錄1：電路原理圖附錄2：源程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint sbitlcdrs=P2^0;sbitlcdwr=P2^1;sbitlcden=P2^2;sbitS1=P2^4;sbitS2=P2^5;sbitS3=P2^6;sbitS4=P2^7;ucharcodePresetDat[]={"SHURU:0.00V"};ucharcodeCurrentDat[]={"MadeByJbms:0.00V"};ucharcount,S1num,V_point,V_ge,V_shi,I_point,I_ge,I_shi;ucharS1_OK=0,Confirm=0,DA,VCC,Power;//ucharlcd_read_dat();//////////////////延時(shí)1ms子程序開(kāi)始//////////////voiddelay(uintz){uintx,y;for(x=0;x<121;x++)for(y=0;y<z;y++);}//////////////////延時(shí)1ms子程序結(jié)束////////////////******寫(xiě)指令子函數(shù)******************/voidlcd_write_com(ucharcom){lcdrs=0;//lcdrs=0即設(shè)置寫(xiě)指令狀態(tài)lcdwr=0;//寫(xiě)狀態(tài)lcden=0;//從這句開(kāi)始將en置1然后又置零，是將其顯示為高脈沖P0=com;//將要寫(xiě)的指令傳給P0口delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;//en的高脈沖設(shè)置完畢}/******寫(xiě)數(shù)據(jù)子函數(shù)******************/voidlcd_write_dat(ucharx_pos,uchary_pos,uchardat){x_pos&=0x0f;//X位置范圍0~15//y_pos&=0x01;//Y位置范圍0~1//if(y_pos==1)x_pos+=0x40;x_pos+=0x80;lcd_write_com(x_pos);lcdrs=1;//lcdrs=1即設(shè)置寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)lcdwr=0;//寫(xiě)狀態(tài)lcden=0;//從這句開(kāi)始將en置1然后又置零，是將其顯示為高脈沖P0=dat;//將要寫(xiě)的數(shù)據(jù)傳給P0口delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;//en的高脈沖設(shè)置完畢}/*******************初始化子函數(shù)**************/voidlcd_init(){ucharnum;lcd_write_com(0x38);//顯示16×2,5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口。lcd_write_com(0x0c);//顯示開(kāi)/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置lcd_write_com(0x06);//設(shè)置讀寫(xiě)一個(gè)字符后指針自動(dòng)加1或減1及整屏左移動(dòng)lcd_write_com(0x01);lcd_write_com(0x80);//設(shè)置數(shù)據(jù)指針位置，即從什么位置開(kāi)始顯示，for(num=0;num<14;num++){lcd_write_dat(num,0,PresetDat[num]);delay(5);}lcd_write_com(0x80+0x40);//設(shè)置數(shù)據(jù)指針位置for(num=0;num<14;num++){lcd_write_dat(num,1,CurrentDat[num]);delay(5);}}ucharkeyscan()//等待調(diào)時(shí)間的子函數(shù)，S1S2S3為功能鍵按，S1閃爍調(diào)整位置的功能鍵，S2增加1，S3減少1{if(S1==0){delay(5);//鍵盤(pán)按鍵消抖if(S1==0){S1num++;//S1增加功能鍵按下的次數(shù)while(!S1);//按鍵松手檢測(cè)if(S1num==1){lcd_write_com(0x80+11);lcd_write_com(0x0f);//光標(biāo)閃爍，表示可以調(diào)整時(shí)間}if(S1num==2)//如果S1即第二次按下，光標(biāo)向前移動(dòng){lcd_write_com(0x80+10);}if(S1num==3)//如果S1即第三次按下，光標(biāo)向前移動(dòng){lcd_write_com(0x80+8);}if(S1num==4)//如果S1即第四次按下，光標(biāo)向前移動(dòng){lcd_write_com(0x80+0x40+11);}if(S1num==5)//如果S1即第五次按下，光標(biāo)向前移動(dòng){lcd_write_com(0x80+0x40+10);}if(S1num==6)//如果S1即第六次按下，光標(biāo)向前移動(dòng){lcd_write_com(0x80+0x40+8);}if(S1num==7)//如果S1即第七次按下，則定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，S1num清零，光標(biāo)不閃爍{S1num=0;S1_OK=1;lcd_write_com(0x0c);}}}if(S1num!=0){if(S2==0){delay(5);if(S2==0)//在S2按下時(shí)，實(shí)現(xiàn)加1調(diào)整{while(!S2);//電壓增加調(diào)整if(S1num==1){V_point++;if(V_point==10)V_point=0;lcd_write_dat(11,0,0x30+V_point);lcd_write_com(0x80+11);}if(S1num==2){V_ge++;if(V_ge==10)V_ge=0;lcd_write_dat(10,0,0x30+V_ge);lcd_write_com(0x80+10);}if(S1num==3){V_shi++;if(V_shi==6)V_shi=0;lcd_write_dat(8,0,0x30+V_shi);lcd_write_com(0x80+8);}//電流增加調(diào)整if(S1num==4){I_point++;if(I_point==10)I_point=0;lcd_write_dat(11,1,0x30+I_point);lcd_write_com(0x80+0x40+11);}if(S1num==5){I_ge++;if(I_ge==10)I_ge=0;lcd_write_dat(10,1,0x30+I_ge);lcd_write_com(0x80+0x40+10);}if(S1num==6){I_shi++;if(I_shi==6)I_shi=0;lcd_write_dat(8,1,0x30+I_shi);lcd_write_com(0x80+0x40+8);}}}if(S3==0)//在S3按下時(shí)，實(shí)現(xiàn)減1調(diào)整{delay(5);//電壓減少調(diào)整if(S3==0){while(!S3);if(S1num==1){V_point--;if(V_point==-1)V_point=9;lcd_write_dat(11,0,0x30+V_point);