單片機課程設(shè)計電阻量測量

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解決后，由LCD顯示器顯示被測量電阻的阻值。測量范圍為1Ω～5KΩ，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)計完畢后，用Keil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AltiumDesigner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)解決目錄第一章緒論 1第二章總體設(shè)計 2§2.1總體設(shè)計思緒 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第五章軟件仿真 12§5.1Protues仿真圖 12§5.2AltiumDesigner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規(guī)定越來越高。其中對我們平常所使用的電阻表的精度和性能也規(guī)定越來越高，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)缺陷也各有不同。一般的測量方法都存在計算復(fù)雜，不易實現(xiàn)自動測量并且很難實現(xiàn)智能化等缺陷。將電阻參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓形式，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣解決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)各個規(guī)定。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)計完畢后用Keil編程，具體程序在正文當(dāng)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。第二章總體設(shè)計§2.1總體設(shè)計思緒本設(shè)計涉及硬件和軟件設(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)的控制管理軟件組成。用戶終端完畢信息采集、解決、數(shù)據(jù)傳送、顯示等功能。從設(shè)計的規(guī)定來分析該設(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，重要的不同點是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，由于0809是沒有模型庫，無法仿真的。ADC0808和ADC0809除精度略有差別外(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，不僅涉及一個8位的逐次逼近型的ADC部分，并且還提供一個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樸的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。運用它可直接輸入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)重要技術(shù)指標和特性（1）分辨率：8位。（2）總的不可調(diào)誤差：ADC0808為±2LSB,ADC0809為±1LSB。（3）轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率，如CLK=500kHz時，TCONV=128μs。（4）單一電源：+5V。（5）模擬輸入電壓范圍：單極性0～5V；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）IN0～IN7——8路模擬輸入，通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來選通一路。（2）D7～D0——A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微解決器數(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，可以同時顯示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，正由于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)計框圖解決器采用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(dāng)測量一個電阻時，通過電壓采集，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(dāng)被測電阻為100Ω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。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)運營的前提和基礎(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3-1三端固定式集成穩(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運用單穩(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。假如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*ln3所產(chǎn)生的時間誤差也許達成百分之十五，再加上其他因素產(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。R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)計的規(guī)定是電阻測量需要簡樸的外圍檢測電路，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。電壓通過已知電阻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通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換可得到8位的電壓值，通過歐姆定律（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OUT本設(shè)計用到的R1的阻值為600Ω和300Ω。由被測電阻得到的電壓經(jīng)ADC0808的26腳IN0輸入，通過內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，在OUT1～7輸出數(shù)字電壓量，通過上述公式的轉(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。IN0ADC0808OUT1~OUT7 OUTIN0ADC0808OUT1~OUT7 P2 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)計通過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)解決后在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。D0~D7LCD1602P0D0~D7LCD1602P0AT89C51P2 ADCOUT1~OUT7 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。由于一個機器周期具有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，假如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：擬定單片機工作的起始狀態(tài)，完畢單片機的啟動過程。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端口連續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完畢復(fù)位操作[6]。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復(fù)位信號連續(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上觀測到被測電阻的阻值。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開始系統(tǒng)初始化系統(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（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初次顯示 無正常顯示 <300Ω最終顯示 正常顯示 最終顯示 結(jié)束結(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§5.1Proteus仿真圖本設(shè)計通過運用Proteus仿真，將所編寫的程序用Keil軟件編譯。本設(shè)計所規(guī)定達成的目的是測量一個電阻，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5-1Proteus電路仿真圖表5-1仿真測量電阻阻值實際電阻（Ω）仿真測量（600Ω）硬件測量（600Ω）仿真測量（300Ω）硬件測量（300Ω）1.220111.520112.622225.444646.3746610999101414121312474848474749484849495151515052908989909210098981001002202182222202232402402452382463003003002972973303273383323374704694774724805105085165135225505505675505691K993102799610662K120842233209023373K29853042302631773K333233426334235253K53535377135253950§5.2AltiumDesigner原理圖除仿真之外，本設(shè)計又使用AltiumDesigner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所有接在VCC端，地接在USB接口的4號腳上。通電時紅燈LED-R亮。通過對原理圖編譯，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)解決，再將數(shù)據(jù)傳送給顯示器即可完畢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，為了盡也許的減小此誤差，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600Ω和300Ω的已知電阻，用不同的量程可以盡也許的減小誤差。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個量程測量電阻，測量范圍從1Ω～5KΩ，精度大于98%。若提高測量精度，只需增長更大的量程，即可完畢大電阻的阻值測量。由于硬件電路的連接，元器件不抱負等因素，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局限性，使得這次設(shè)計并沒有達成很好的測量效果，對微歐姆級和K歐姆級電阻無法測量，還是感到不抱負。通過本次設(shè)計，特別在硬件電路的設(shè)計的方面，使我對單片機系統(tǒng)有了更好的結(jié)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，達成抱負的規(guī)定。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，2023年8月[2]周瑞景.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，2023[3]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，2023[4]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，2023[5]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，2023[6]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,2023.5[7]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,2023.1[8]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：人民郵電出版社，2023[9]AlanB.MarcovitzIntroductiontologicDesign.北京：電子工業(yè)出版社，2023附錄硬件電路PCB板各模塊程序：A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)：#include<at89x51.h>#defineSTARTP3_4 //ATART，ALE接口。0->1->0:啟動AD轉(zhuǎn)換。#defineEOCP3_3 //轉(zhuǎn)換完畢由0變1.#defineOUTPORTP2#defineK1P1_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)unsignedintuiADTransform(){floatuiResult;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elseuiResult=uiResult*300/(255-uiResult);//已知電阻為300歐姆，計算此外的電阻，測量大電阻，0-9999歐姆returnuiResult;}SMC1602驅(qū)動程序：#include"SMC1602.h"voidvWriteCMD(unsignedcharucCommand) { 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。}voidvWriteData(unsignedcharucData) { 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)。}voidvShowOneChar(unsignedcharucChar){ 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);break; case'3':vWriteData(0x33);break; case'4':vWriteData(0x34);break; case'5':vWriteData(0x35);break; 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