课程设计（论文）-基于单片机数字电压表.doc

唐山学院课程设计目 录1 引言12 硬件选择和电路设计22.1 硬件选择22.1.1 a/d转换器adc080822.1.2 at89c5132.1.3 七段共阳极数码管62.2 电路设计62.2.1 主电路部分62.2.2 显示电路72.2.3 八路电压生成电路72.2.4 通道选择电路82.2.5 整体电路83 软件设计与说明93.1 keil c51介绍93.2 程序的总体设计113.3 模数转换123.4 数据处理及转换124 系统的调试及仿真134.1 系统的调试134.2 系统的仿真134.1.1 单路显示的仿真134.1.2 多路显示的仿真145 总结18参考文献19附录201 引言单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(cpu)，随机存取数据存储器(ram)，只读程序存储器(rom)，输入输出电路(i/o口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(sci)，显示驱动电路(lcd或led驱动电路)，脉宽调制电路(pwm)，模拟多路转换器及a/d转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。它是一门实践性很强的技术，不仅需要掌握硬件电路没计，同时要求学习者掌握一门编程语言，汇编或者c语言等，因此给广大初学者的学习带来了很大的难度。数字电压表（digital voltmeter）简称dvm，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本设计从硬件的选择到电路和程序的设计，中间结合一系列的分析和说明，从原理到仿真，描述了数字电压表设计的整个流程和其功能。2 硬件选择和电路设计2.1 硬件选择2.1.1 a/d转换器adc0808in0in7：为模拟量的输入口,我们选取in3口为入口，外接可变电阻，通过改变阻值来控制模拟量的输入。a、b、c：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ale：地址锁存启动信号,在ale的上升沿,将a、b、c上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。d0d7：八位数据输出线，a/d转换结果由这8根线传送给单片机。oe：允许输出信号。当oe=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。start：启动信号输入端，start为正脉冲，其上升沿清除adc0808的内部的各寄存器，其下降沿启动a/d开始转换。eoc：转换完成信号，当eoc上升为高电平时，表明内部a/d转换已完成。clk：时钟输入信号，选用频率500khz。 图2-1 adc0808管脚图多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个a/d转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对a、b、c三个地址位进行锁存与译码。管脚图如图2-1所示。2.1.2 at89c51 vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 （外部中断0）p3.3 （外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 （外部数据存储器写选通）p3.7 （外部数据存储器读选通）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/vpp：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为reset；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 图2-2 at89c51管脚图at89c51是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-2所示。2.1.3 七段共阳极数码管设计中采用的是4个8段led数码管来显示通道值和电压值。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。数码管的显示是由i/o输出要显示的值的驱动信号完成的，并且每一位数码管要接片选信号，在动态显示的情况下进行输出显示。2.2 电路设计2.2.1 主电路部分 主电路部分主要是89c51和8088之间的连接，以及外部时钟电路和复位电路。时钟电路为89c51提供12mhz的时钟，当系统出现异常时通过复位电路来为系统复位。图中用节点的方式对每个端口进行连接，这样电路看上去比较清晰，通过adc0808芯片采样输入口in0in7输入的05 v的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道d0d7传送给at89c51芯片的p0口。at89c51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码，并通过其p1口传送给数码管。同时它还通过其p2口的低四位产生位选信号，控制数码管的亮灭，实现动态显示。p2.6控制adc0808的地址锁存启动信号(ale)和启动信号输入端(start)；p2.4控adc0808的输出允许端(oe)；p2.5连接adc0808的转换结束信号(eoc)。如图2-3所示： 图2-3 主电路图2.2.2 显示电路显示电路由四个七段数码管组成，数据输入端a，b，c，d，e，f，g，dp分别接于89c51的p1.0p1.7。片选端口1，2，3，4接于p2口的第四位p2.0p2.3。通过对这四个端口分别送入低电平实现位选。第一位为通道显示位，第二，三，四为分别为电压整数位，十分位和百分位。如图2-4所示： 图2-4 显示电路图2.2.3 八路电压生成电路 该电路生成八路电压值，并配有电压表（实际电路没有），用来检验实际所得电压值正确与否，从左至右分别接于in0in7。如图2-5所示：图2-5 八路电压生成电路2.2.4 通道选择电路 如图2-6所示，sw1接于p2.7口，用于选择电路显示或多路循环，当其打开时为单路显示，闭合时为多路循环。sw2,sw3,sw4分别接于p3.6,p3.5,p3.4口，用于单路显示时选择那个通道的电压输入，以三位二进制的形式表示路数。图2-6 通道选择电路2.2.5 整体电路 将上述部件连接在一起就组成了一下完整的电路图，其中大部分用节点对应的方式连接，这样整个电路图的每一个模块看上去会更加清晰，如图2-7所示： 图2-7 整体电路图3 软件设计与说明3.1 keil c51介绍下面首先对keil c51编译器做简单的介绍。keil vision是keil公司（arm子公司）开发的一款用于mcs-51单片机开发的应用十分广泛的编译和调试软件。该软件可以编辑、编译汇编语言、c51语言，连接定位目标文件和库文件，创建hex文件，调试目标程序等。其提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面，本文我们主要使用keil vision来开发c51项目、调试程序并生成hex文件来用于单片机开发14,15。keil c51的安装与windows下的其他程序安装过程及其类似，不再叙述，安装启动后其界面如图3-1所示。图3-1 keil启动界面在使用时首先要建立工程，通过点击“project”（工程）菜单下面的“new project”（新建工程），来新建一个工程。软件弹出“create new project”（创建新工程）窗口。如图3-2所示。图3-2创建新工程界面为工程输入文件名后，点击“保存”按钮，软件将弹出“select device for target”（选择mcu）窗口。只需根据自己工程的需要选择相应的mcu，然后点击“确定”按钮就可以了，如图3-3所示。图3-3 选择单片机界面这里根据系统设计，选择atmel公司的at89c51，确定后就完成了整个工程的初步建立。下面需要创建源文件并将源文件加入工程。首先点击“file”下面的“new”菜单，或者直接点击工具栏中的新建按钮，软件将弹出源文件编辑窗，编辑好的源文件如图3-4所示。在keil下的调试过程也很简单与vc等通用的编译器很相似，这里就不再叙述。图3-4 编辑源程序界面3.2 程序的总体设计分别用led_3,led2,led_1,led_0代表四位数码管的显示数据地址，用开关选择显示方式是单路显示还是循环显示，如果是单路显示则读入路数值存入led_3,切换到循环显示后通过对r0的加一使路数循环。把r0的内容送到led_3中，启动ad转换，然后将转换结果送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到led中显示。每显示一次在对显示方式做一次判断，之后进行下一次显示。如此循环就可是实现两种模式的的电压显示。程序流程图如图3-5所示：定时器初始化按键中断初始化显示并数值转换启动a/d延时读a/d转化数据开 始结 束图3-5 程序流程图3.3 模数转换进行模数转换时先给a、b、c三路送出地址，接着给ale和start引脚送一个正脉冲，锁存地址并启动adc0808，然后at89c51对eco引脚进行查询，当adc0808结束ad转换后eco引脚有效，接着at89c51给oe置1通过p1口读入转换结果。在软件设计中，由于我们对单片机知识还没能很熟练的掌握，用中断方式较复杂，且这个程序cpu工作量不大，查询方式对速度不会产生影响，所以我们采用查询方式，确保仿真的进度和准确度。3.4 数据处理及转换由于adc0808转换后结果为二进制数，所以读取的结果必须转换为bcd码才可以显示正确结果。参考电压为5v，转换后的每一位代表5/256v。将转换结果除以51得到得整数位存入led_2，余数部分每一位近似等于0.02v，将余数乘以2。结果每一位就等于0.01v。再把乘的结果除以10就得到电压的十分位和百分位。把结果分别送入led_1、led_0。led_2,led_1,led_0中的结果就是电压值的整数位、十分位、百分位。4 系统的调试及仿真4.1 系统的调试程序调试过程还算顺利，在几次修改后keil编译通过产生hex文件。但是把程序下载到at89c51后led显示的结果不是同时显示四位而是逐为显示，检查程序后发现显示子程序动态显示的延时太大了，修改延时后四位同时电亮。调节循环显示开关和路选择开关发现应该显示路显示位应该显示5的时候显示9，应该显示6的时候显示8。仔细查找后发现led显示器的b引脚与电源短接了，改正后结果正常。当循环开关闭合后led显示器依次显示0-7路的路数和电压值，循环开关关闭后led显示器显示路选择开关选择的路数及电压值。变换环线变阻器触头的位置即改变输入电压，将显示的电压值与电压表读的电压值比较结果误0.02以内。设计基本满足了要求。4.2 系统的仿真4.1.1 单路显示的仿真单路显示时，开关sw1打开，后面的三个开关组成二进制数011,即选择第三路的电压测量，从数码管上可以读出第三路的电压值。其中第一位为路数，后三位为电压值。如图4-1所示：图4-1 单路显示仿真图4.1.2 多路显示的仿真多路显示时，只需将sw1开关闭合即可。这是后面的三个路数选择开关失效，数码管上循环显示各路的电压值，显示结果如图4-2，图4-3，图4-4,图4-5,图4-6,图4-7,图4-8,图4-9所示，分别为07路的显示仿真图。图4-2 多路显示时0路仿真图图4-3 多路显示时1路仿真图图4-4 多路显示时2路仿真图图4-5 多路显示时3路仿真图图4-6 多路显示时4路仿真图图4-7 多路显示时5路仿真图图4-8 多路显示时6路仿真图图4-9 多路显示时7路仿真图5 总结通过一周的学习和实践，我们基本上掌握了proteus和keil c51的使用，并能利用这两个软件实现电路的编译和仿真，但是在这个工程中还是遇到了很多问题。刚开始对软件的使用不是很熟悉，结果在设计电路图的时候就停滞不前了，后来通过上网看了一些视频的学习，对软件有了一定了了解，设计出了电路图，并用keil c51编译了基本的设计程序。电压表的单路显示设计部分比较顺利，但是对后面的多路显示设计时，循环显示变成了闪烁显示，发现问题后，知道主要原因在于动态显示的调用延时没有处理好，应该在循环延时的时间内，还要对运行各位显示，通过思考和研究对程序调试成功。本次电路设计中，我主要用了节点连接的方式。这样可以不用线连就可以达到效果，是电路图得以简化，一目了然。这次课程设计给我最大的感受就是我们可以不用去实验室也能对一些电路进行设计，这大大节省了时间和精力，我们在宿舍也可以做到，此为还培养了我们的自学能力，相信在以后的工作和学习中，这将是一次很好的经验。 参考文献1 叶挺秀.应用电子学m.杭州:浙江大学出版社,19942 朱承高.电工及电子技术手册m.北京:高等教育出版社,19903 阎石.数字电子技术（第三版）m.北京: 高等教育出版社,19894 憨态林，李红，于林韬.单片机原理及应用（第三版）m.电子工业出版社,20055 胡汉才.单片机原理及其接口技术m.清华大学出版社,20006 李朝青. 单片机原理及其接口技术m.北京航空航天大学出版社,1990附录源程序：led_0equ30h led_1equ31hled_2equ32hled_3equ 33hadcequ35hstequp2.6eocequp2.5oeequp2.4org0000hsjmpstartorg0030hstart: 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