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电工仪表毕业论文电工仪表毕业论文数字式电工仪表的设计摘 要数字仪表是把连续的被测模拟量自动的变成连续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。数字仪表是将电子技术、算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切地结合在一起的一种新型仪表。数字万用表（DMM）是指可以直接测量电流、电压、电阻或其他电参量数的仪表，其功能可以任意组合并以十进制数字显示被测量结果，应用十分广泛。在传统的电工电子测量中广泛使用的模拟量仪表，虽然具有观察者可直观看出表针偏转了多少个格和满刻度百分之几的优点，但要对读数加以换算和说明，尤其不可避免的是带来认为的视差，不同的观察者会得出不同的结果。数字仪表则不同，将测量结果直接用数字显示出来。然而要将模拟测量结果用数字显示出来首先要解决的是如何将模拟量转换成数字量再加以显示。本论文以MCS-51系列单片机为核心，通过ADC0809模数转换器实现对模拟电路中的电流，电压测量结果转换成数字信号并用十进制数值显示。本设计采用程序判断方法,选取不同的电阻组合自动选择模拟量通道。实现再测量过程中自动选择仪表量程，并可以实现对功率。功率因数的测量。关键字 单片机 A/D转换器 数字仪表New electrical instrument designAbstractDigital instrument is measured by the continuous analog automatic into continuous, using digital coding way and with a decimal number automatically measuring results of a meter. It is a new kind of instrument. The electronic technology, computer technology and automation technology and precision electric measurement technology closely together, become a unique instrument technology branch. Digital multimeters (DMM) refers to direct measurement of the current, voltage, resistance or other electrical parameters of the instrument, the number of combinations can function with the decimal digits display by measuring results, widely used. In the tradition of electrical and electronic measurement is widely used in the analog meter, although has the observer can see how an anlaogue display deflection and the full scale, but the advantages of a few hundredths of reading, especially to conversion and the inevitable brings the parallax that is different, the observer will draw the different results. Digital instrument is different, it will be measured results directly in digital display. However will use digital simulation measurement results show how to tackle the analog to digital will amount to show again. This thesis is MCS - 51 series microcontroller as the core, the ADC0809 adc for the current, voltage analog circuit measurements converted into digital signals and digital display decimal. This design USES the method of selecting different procedures, the resistance combination automatic selection analog channels. Realization of automatic measurement process again meter scale. And can realize to power. The power factor of measurement.Key words SCM A/D converter digital instrument目 录第一章 绪 论11.1电工仪表简介11.1.1电工仪表分类11.1.2指针表万用表11.1.3数字表万用表21.1.4指针万用表和数字万用表的优劣比较21.2电工仪表发展31.2.1电工仪表现状31.2.2电工仪表发展趋势41.2.3万用表发展趋势41.3数字万用表原理- 5 -1.4 设计要求5第二章 设计理论62.1信号采集62.1.1功率因素测量72.1.2测量原理92.2 模数信号转换92.3显示设计理论11第三章 系统硬件设计123.1 单片机介绍123.1.1 AT89C51 单片机的特性123.1.2 AT89C51 单片机的封装133.1.3 74LS273简介133.1.4 ADC0809简介143.1.4 74LS138简介153.1.5 8255介绍153.2 AT89C51 单片机最小电路应用173.3单片机与A/D转换器的接口连接电路183.4单片机与LED显示器接口电路213.5 8255与单片机接口电路及工作方式223.6程序存储器扩展233.7硬件总图24第四章 软件设计254.1 主程序设计254.2中断子程序设计264.3显示子程序设计27总结30致谢31参考文献32- 33 -第一章 绪 论在电气、电子、微电子生产和调试过程中经常需要电压、电流、电阻等的数据以确定该产品的性能。在工厂的生产和维修中，测量电压、电流是非常普遍的，所以测量电压、电流的相关仪表也是必不可少的。本文就电工常用仪表万用表加以叙述。1.1电工仪表简介传统的模拟式万用表已有很久的发展历史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要。数字万用表自从问世以来，显示出了强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。1.1.1电工仪表分类电工仪表主要分为电压表、电流表、电阻表、电能表，随着科学的发展，要求的电工仪表也要满足测量的要求，出现了可以测量电抗、电容、功率、功率因数的仪表，而我们最常见的是万用表万用表，又称多用表、三用表、复用表，是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数（如）。1.1.2指针表万用表传统的万用表由表头和测量电路及转换开关组成（1）表头：它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大，其性能就越好。（2）测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，它由电阻、半导体元件及电池组成 它能将各种不同的被测量（如电流、电压、电阻等）、不同的量程，经过一系列的处理（如整流、分流、分压等）统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。（3）转换开关 ：其作用是用来选择各种不同的测量线路，以满足不同种类和不同量程的测量要求。转换开关一般有两个，分别标有不同的档位和量程。1.1.3数字表万用表数字万用表它是近半个世纪以来数字技术发展的产物，是近年来出现的先进测试仪器。它采用大规模集成电路LSI(Large-Scal Integration)和数字显示(Digital Dispiay)技术，具有结构轻巧、测量精度高(误差可达十万分之一以内)、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全、用途广、耗电省等优点及自动量程转换、极性判断、信息传输等功能，深受人们的欢迎。现在，数字式测量仪表已成为主流，有取代模拟式仪表的趋势。与模拟式仪表相比，数字式仪表灵敏度高，准确度高，显示清晰，过载能力强，便于携带，使用更简单。1.1.4指针万用表和数字万用表的优劣比较（1）指针表读取精度较差，但指针摆动的过程比较直观，其摆动速度幅度有时也能比较客观地反映了被测量的大小（比如测电视机数据总线（SDL）在传送数据时的轻微抖动）；数字表读数直观，但数字变化的过程看起来很杂乱，不太容易观看.(2) 指针表内一般有两块电池，一块低电压的1.5V，一块是高电压的9V或15V，其黑表笔相对红表笔来说是正端。数字表则常用一块6V或9V的电池。在电阻档，指针表的表笔输出电流相对数字表来说要大很多，用R1档可以使扬声器发出响亮的“哒”声，用R10k档甚至可以点亮发光二极管（LED）。 (3)在电压档，指针表内阻相对数字表来说比较小，测量精度相比较差。某些高电压微电流的场合甚至无法测准，因为其内阻会对被测电路造成影响（比如在测电视机显像管的加速级电压时测量值会比实际值低很多）。数字表电压档的内阻很大，至少在兆欧级，对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响，在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能是虚的。(4)总之，在相对来说大电流高电压的模拟电路测量中适用指针表，比如电视机、音响功放。在低电压小电流的数字电路测量中适用数字表，比如BP机、手机等。不是绝对的，可根据情况选用指针表和数字表。1.2电工仪表发展1.2.1电工仪表现状近几年经过城乡电网改造的洗礼，以及对国外新技术的引进吸收再创新，电工仪器仪表行业技术进步明显加快，并通过与IT新技术的紧密结合，实现从传统的工艺、技术到引领技术发展的跨跃。企业自主开发了一批具有国际先进水平的新产品。行业的结构调整，产品的更新换代，新技术的不断引入，企业的集中度不断提高，规模不断扩大，核心竞争能力不断增强，使电工仪器仪表行业生机无限，已发展成为传统行业与现代技术有机结合的最具潜力行业，具备了一定的国际竞争优势。随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，我国电工仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。仪器仪表产品的高科技化，必将成为日后电工仪表科技与产业的发展主流。 世界近20年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术和生物技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、检测微损甚至无损、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为电工仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了电工仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。 特别是近10年来，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。通过分析可以看出，高科技化不但是现代电工仪表的主要特征，而且是振兴仪表工业的必由之路，也是新世纪仪器仪表及其产业的发展主流。伴随现场总线的问世，过程测控仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇。 目前现场总线已成为全球自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它的产生，既是广大用户的实际需求和制造厂商间技术竞争的结果，也是计算机技术、通信技术和控制技术在工业控制领域相结合的产物和产品升级，以及为实现进一步的高精度、高性能(特别是多参数在线实时测控与自动测控)、高稳定、高可靠、高适应性，多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。 1.2.2电工仪表发展趋势电工仪表产品的总体发展趋势是“六高一长”和“二十化”。纵观历史，剖析现状，展望未来，可以提出如下结论：日后，传统的电工仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化(微型化)、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化;在服务上专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化以及组装生产自动化、无尘(或超净)化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展。在这“二十化”中，占主导地位、起核心或关键的作用是微型化、智能化和网络化。1.2.3万用表发展趋势90年代以来，数字万用表正处于蓬勃发展的新时期,突出表现在新技术不断涌现,新工艺被广泛采用,新产品层出不穷。(1)广泛采用新技术，不断开发新产品：电子技术的进步，往往预示着数字万用表研制水平的新突破，近年来，各项新技术愈来愈普遍采用，并且迅速转化为生产力。(2)广泛采用新工艺：新一代的数字万用表正朝着标准模块化的方向发展。电子模块又称为电子功能组件，简称模块。它是采用微电子技术和微型电子元器件，按插件组装成一体，能完成某一种特定的功能的商品化部件。现在，数字万用表的单元电路已基本上被标准化，通用化，系统化的模块取代。(3) 单片大规模和超大规模集成电路的采用带微处理器的单片5 1/2位A/D转换器。专配微处理器的4 3/4位DMM集成电路。 ASIC产品的应用。(4) 计算机模块化仪器与虚拟仪器的发展(5) 提高安全性能数字万用表（DMM），是目前在电子测量及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。数字万用表迄今已有几十年的发展历史。近年来，由大规模集成电路构成的新型数字万用表和高档智能数字万用表大量问世，标志着电子测量领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。目前，我国数字万用表的产量已跃居世界首位，每年生产近千万台（块）中、低档数字万用表，并向100多个国家大量出口，占世界中低档数字万用表总产量的85%以上。1功能量程选择R/V转换I/V转换V/V转换A/D转换LED驱动输入被测量LED显示.3数字万用表原理图1.1 数字万用表原理框图（1）被测量是要测量单元的对象，通过万用表的两个表笔输入到万用表内。（2）功能量程选择是用户更具测量对象的最大值进行估计，通过万用表的旋钮开关选择万用表的相应的量程进行测量。（3）R/V转换是将测量的电阻值通过一些转换电路转换成可以被A/D转换器对应的电压值，以达到转换成数据的目的，I/V转换和V/V转换和其类同。（4）A/D转换是A/D转换器将测量到的电阻、电流、电压的模拟电压信号转换成数字信号。（5）LED驱动是可以使LED显示器进行工作显示的驱动器件，其特点的较大电压电流输出。（6）LED显示是将测量的电阻、电压、电流进行数据显示，使其直观的反映器数值的大小，方便用户读取。1.4 设计要求设计制作一个数字式电工仪表，可以测量工频电源的电压、电流、功率和功率因数。基本要求：1. 测量交流电压，范围为100mV100V，误差 1% ；2. 测量交流电流，范围为100mA2A, 误差 1% ；3. 测量功率，范围为0200W，误差 1% ；4. 测量功率因数，范围为0.51,误差 1% 。第二章 设计理论2.1信号采集信号采集可采用两种方案，一种是降压隔离采样，另一种是电阻分压采样。(1)降压隔离采样采用电压互感器、电流互感器分别实现对电压、电流测量。通过电压互感器对交流电压变换得到相应电压值，采样电压V2I2RL。如图所示通过运放跟随送入A/D转换，单片机计算得到有效值。互感器实质为变压器，一般变压器都采用Y/Y0接。图2.1 信号隔离采集图2.2 电阻分压信号采集(2)电阻分压采样电阻分压 直接采用电阻分压得到5V以下电压值，如图2.2，R1为分压电阻，R2上的电压Vout为0-5V的采集电压，电压跟随送入A/D转换，单片机计算得到相应的电压值。由于题目中的交流电压是经过互感得到的，可以不在考虑电网隔离问题，而且电压互感存在产生不确定的相移，虽然可以程序修正，但带来不必要的麻烦。因此采用方案二电阻直接分压的方式。2.1.1功率因素测量（1）过零比较器过零比较器，顾名思义，其阈值电压 U T =0V。电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+ UO或- UO。当输入电压 uI0V时U0=-U0。因此，电压传输特性如图(b)所示图2.3 过零比较器及其电压输出特性（2）测量方案方案一：测量交流电流：根据用电器的额定电流选择万用表相应的交流电流档，分别测得一纯电阻（如白枳灯）电流IR,感性负载(如电风扇)电流IL ,二者并联的总电流I总(如图2.4所示)。图2.4 电流测量法方案二：采用测电压、电流信号的相位差t，t/T = /360，计算 cos得功率因数。图2.5 过零比较器测量信号偏移将电压、电流信号转换过的电压信号分别经过过零比较器，产生TTL方波脉冲。方波的上升沿和下降沿分别与振荡正弦波信号的正负过零点对应，产生的两个TTL方波脉冲作为单片机的两个外部中断源。当INT0中断有效时，定时器T0开始定时计数,当INT1中断有效时关闭T0定时器。此时,T0中的值便是与相位差相对应的计数值。根据题目要求，实验误差不能大于1%，方案一的方法虽然可以减小误差，但是，不适合本题目的要求，通过固定电阻的分压，无法使量程发生改变，因此，选用方案二，方案二的中断触发方式为脉冲下降沿触发方式,且外部中断0优先级高于外部中断1。单片机开机后等待外部中断INT0及INT1,当INT1中断响应时,定时器/计数器T0开始计数，当INT0中断响应后,定时器/计数器T0停止计数,T0的计数值与相位差U成正比,单片机处理T0的计数值后即可得到交流电的功率因数。2.1.2测量原理设有两信号u=Umsint (2-1)i=Imsin(t-) (2-2)两信号的相位差为，待测的功率因数为cos。由式(2-2) i=Imsin(t-)=Im(sintcos-costsin) (2-3)当 t=/2时，i=Imcos故 cos= i*(/2)/ Im (2-4)由式(2-4)可见，只要能检测出i和Im，用一除法器即可得到cos，所以，关键问题是测量i和Imu为来自电压互感器的电压信号，i为来自电流互感器的信号，i通过二阶有源滤波器后有90的滞后，故，i=(t)= I msin(t-/2-)= Imsin(t-/2)cos-imcos(t-/2)sin (2-5)当 t=时，i=Imcos因此cos=i/Im (2-6)用电压信号u控制采样保持器，采集t=时刻的电流信号i()，峰值检测电路的输出为Im，除法器的输出为i/Im，通过信号调理电路，将除法器的输出调制为01V，调试时，输入相位差90的u,i信号，通过调整信号调理电路，使其输出为0V，输入同相的u,i信号，使其输出为1V，通过A/D转换、译码，即可显示功率因数。2.2 模数信号转换本次设计是一次数字式电工仪表的设计，单测量的对象却是模拟信号，因此将模拟信号转换成数字信号是本次设计的关键，因此模数转换器件是本次设计必不可少的一个重要元件。模数转换常见的几种位积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。（1）积分型（如TLC7135）积分型AD模数转换原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。（2）逐次比较型（如TLC0831）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格便宜，但高精度（大于12位）时价格很高。（3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）模数转换的方法并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash（半快速）型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。（4）-调制型（如AD7705）模数转换的方法 -型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。-型AD模数转换原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。（5）电容阵列逐次比较型模数转换的方法 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。（6）压频变换型（如AD650）模数转换的方法 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。压频变换型模数转换原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。 本设计中，要求精度小于1%，因此选用ADC0809式A/D转换器它是一种逐次比较型模数转换器。2.3显示设计理论设计中采用的是8段LED数码管来显示电压值。LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由8个发光二极管组成，其中7个按8字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。把8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法。当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。其8段分别命名为dp g f e d c b a。在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N8根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两中方式。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有琐存功能的I/O口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。单使用单片机的I/O接口较多动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（ag和dp）同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立接受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受相同的字型码，但究竟使那一位则由I/O线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端，使每个显示器轮流电亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。第三章 系统硬件设计 3.1 单片机介绍单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器。MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本文采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它与MCS51单片机指令集兼容，同时它的内部包含用作程序存储器的4KB的基于FLASH技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。3.1.1 AT89C51 单片机的特性Atmel公司的AT89C51芯片具有以下特性： 指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容； 4KB片内在系统可编程Flash程序存储器； 时钟频率为033MHz； 128字节片内随机读写存储器（RAM）； 32个可编程输入/输出引脚； 2个16位定时/计数器； 6个中断源，2级优先级； 全双工串行通信接口； 监视定时器； 2个数据指针。3.1.2 AT89C51 单片机的封装AT89C51单片机具有多种封装形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC44和TQFP44。最适合学校实验室使用的是PDIP40封装形式。PDIP40封装形式的单片机芯片可以很方便地使用面包板来组成应用电路。3.1.3 74LS273简介74LS273是8位数据/地址锁存器，他是一种带清除功能的8D触发器。 (1)1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;图3.1 74LS273管脚图（2)当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。3.1.4 ADC0809简介图3.2 ADC0809 管教图IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。 START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).3.1.4 74LS138简介图3.3 74LS138管脚图74LS138 为3 线8 线译码器其主要电特性的典型值如下：74LS138 传播延迟时间22ns 功耗32mW。原理：当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端E1和E2为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。利用 E3、/E1和E2可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，138 还可作数据分配器。3.1.5 8255介绍本次设计所用单片机端口较多，单只用1只单片机的端口远不够用，因此要对单片机端口进行扩展，本次设计用扩展芯片8255对单片机的一个端口进行扩展单片机系统里常用的8255芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片,用来扩展单片机的端口，它具有3个8位的并行口,有三种工作方式,可作为单片机与各种外部设备连接的接口电路! 下面介绍8255的引脚图及引脚功能。8255引脚功能说明： RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 图3.4 8255管脚图PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写8255。D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。3.2 AT89C51 单片机最小电路应用单片机的最小应用系统电路指的是它可以正常工作的最简单电路组成。AT89S51单片机的最小应用系统电路图如图1.5所示。该系统中包含4个电路部分。（1）供电电路引脚VCC（引脚40）接+5V电源，引脚GND（引脚20）接地线。为提高电路的抗干扰能力，一个0.1F（器件标注为104）的瓷片电容和一个10F的电解电容通常被接在引脚VCC和接地线之间。图3.5 单片机最小电路系统（2）程序存储器选择电路如前所述，Atmel公司生产的8051兼容芯片具有多种容量的内部程序存储器的型号，因此在使用中不需要再扩展外部程序存储器，这样在单片机应用电路中引脚（引脚31）可以总是接高电平。（3）时钟电路AT89C51芯片的时钟频率可以在033MHz范围。单片机内部有一个可以构成振荡器的放大电路。在这个放大电路的对外引脚XTAL2（引脚18）和XTAL1（引脚19）接上晶体和电容就可以构成单片机的时钟电路。图1.5所示的时钟电路由晶体CRY和电容C2与C3组成。单片机的时钟频率取决于晶体CRY的频率，如果采用面包板来组装单片机应用电路，晶体CRY的推荐值为12MHz以下。电容C2与C3的取值范围为30pF50pF。时钟电路采用晶体的目的是提高时钟频率的稳定性。（4）复位电路对于AT89C51芯片，如果引脚RST（引脚9）保持24个时钟周期的高电平，单片机就可以完成复位。通常为了保证应用系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。只要引脚RST保持高电平，单片机就循环复位。当引脚RST从高电平变为低电平时，单片机退出复位状态，从程序空间的0000H地址开始执行用户程序。图3.5所示复位电路由C1和R1组成。当系统加电时，由于C1两端的电压不能突变，因此引脚RST为高电平，单片机进入复位状态。随着C1充电，它两端的电压上升，使得引脚RST上电压下降，最终使单片机退出复位状态。合理地选择C1和R1的取值，系统就能可靠地复位。C1的推荐值是10F，R1的推荐值是10k。3.3单片机与A/D转换器的接口连接电路电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。（1）8通道模拟量选择如图3.7所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以WR作写选通信号，这一部分电路连接如图3.6所示图3.6 8051与A/D转换器接口电路图从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图3.7 信号锁存控制 图3.8脉冲转换原理启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：MOV DPTR , #FE00H ； 送入0809的口地址MOVX DPTR , A ； 启动A/D转换（IN0）此处的A与A/D转换无关，可为任意值。转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。(3）中断方式把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX 读指令，仍以图3.7所示为例，则有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出RD有效信号，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。这里需要说明的是，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：MOV DPTR， #FE00H ； 送入0809的口地址MOV A ，#07H ； D2D1D0=111选择IN7通道MOVX DPTR， A ； 启动A/D转换3.4单片机与LED显示器接口电路本设计采用动态8位数码LED显示74LS273对地址进行锁存，如果P1口仅用于显示驱动，而没有与其它外设进行数据交换，可省略这个锁存器，直接或通过其他驱动电路驱动连接LED。地址线通过一片74LS138三八译码器对8位LED进行分时选通，这样在任一时刻，只有一位LED是点亮的，但只要扫描的频率足够高(一般大于25Hz)，由于人眼的视觉暂留特性，直观上感觉却是连续点亮的，这就是我们常说的动态扫描电路。此电路中，74LS273用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的ag段连在一起，它们的公共端分别连至由74LS138译码选通后经74LS04反相驱动的输出端。这样当选通某一位LED时，相应的地址线(74LS04输出端)输出的是高电平，所以我们的LED选用共阳LED数码管。动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个LED点亮的时间太短，LED的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取几个ms左右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位LED使其点亮并保持一定的时间，程序上常采用的是调用延时子程序。在C51指令中，延时子程序是相当简单的，并且延时时间也很容易更改。图3.9 LED动态扫描电路3.5 8255与单片机接口电路及工作方式由于8255A是标准的通用可编程I/O口，数据总线缓冲器为8位双向三态缓冲图3.10 8255与单片机接口电路器，因此单片机与8255A的接口电路相当简单，单片机的数据线与8255A的数据线对应相连；8255A的地址线A0、A1连接到单片机的地址总线A0、A1上，8255A的片选线CS_连接到单片机的地址线的高位上；单片机的读定线RD_、WR_对应地连接到8255A的读写线RD_、 WR_上；其它线的接法取决于8255A的工作方式。8255A有三种工作方式：基本输入输出方式；选通输入输出方式；双向传送方式。其工作方式的选择由控制寄存器中的内容确定。控制寄存器为8位，通过对控制寄存器的编程要改变8255A的工作方式。本系统因为只用工作方式0，因此只介绍工作方式0。3.6程序存储器扩展由于AT89C51芯片的存储器比较小，只有4KB，不一定满足编程需要，因此要对其存储器进行扩展。本次设计采用62256为外扩展存储器。程序存储器有单独的地址编号（0000HFFFFH），地址于数据存储器重叠，但不全被占用。使用单独的控制信号和指令，程序存