单片机课程设计_数字电压表.doc

单片机系统课程设计单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 ： 数字电压表 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统课 程 设 计课程设计名称： 数字电压表 专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 单片机系统 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目课题性质工程设计课题来源选题指导教师 主要内容（参数）以mcs-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量0-5v之间的直流电压值。电压显示用4位一体的led数码管显示，至少能够显示两位小数。 尽量使用较少的元器件。任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第9-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。主要参考资料1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）m北京：国防工业出版社，20042伟福lab6000系列单片机仿真实验系统使用说明书3 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目录一、引言4二、整体方案设计42.1设计要求42.2 设计思路42.3 设计方案5三、硬件电路设计53、1单片机53、3复位电路83、4 a/d转换电路93、5显示电路10四、软件设计124、1初始化134、2 a/d转换子程序134、3显示子程序14五、总结14参考文献：15附录a：16附录b17一、引言随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。数字电压表（digitalvoltmeter）简称dvm，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表,因此ad转换是此次设计的核心元件。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，可靠性高。此数字电压表可以测量0-5v的模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的七段数码管显示出来。本设计at89c51单片机的一种电压测量电路,该电路采用adc0808本文介绍一种基于a/d转换电路，测量范围直流 05v 的4路输入电压值，并在四位led数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019v，测量误差约为正负0.02v。、关键词 单片机；数字电压表；a/d转换；at89c51；adc0808二、整体方案设计2.1设计要求 以mcs-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量0-5v之间的直流电压值。电压显示用4位一体的led数码管显示，至少能够显示两位小数。 尽量使用较少的元器件。 2.2 设计思路 根据设计要求，选择at89c51单片机为核心控制器件。a/d转换采用adc0808实现，与单片机的接口为p1口和p2口的高四位引脚。电压显示采用4位一体的led数码管。led数码的段码输入,由并行端口p0产生：位码输入，用并行端口p2低四位产生。2.3 设计方案硬件电路设计由6个部分组成; a/d转换电路，at89c51单片机系统，led显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图2-3所示。 时钟电路 复位电路a/d转换电路测量电压输入显示系统at89c51 p1 p2 p2 p0 图2-3三、硬件电路设计3、1单片机 at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含有4kb的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。at89c51提供以下标准功能：4kb的flash闪速存储器，128b内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。at89c51采用pdip封装形式，引脚配置如图3-1所示。图3-1单片机引脚图at89c51芯片的各引脚功能为：p0口：这组引脚共有8条，p0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89c51不带外存储器，p0口可以为通用i/o口使用，p0.0-p0.7用于传送cpu的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是89c51带片外存储器，p0.0-p0.7在cpu访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送cpu对片外存储器的读/写数据。p0口为开漏输出，在作为通用i/o使用时，需要在外部用电阻上拉。p1口：这8个引脚和p0口的8个引脚类似，p1.7为最高位，p1.0为最低位，当p1口作为通用i/o口使用时，p1.0-p1.7的功能和p0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。p2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用i/o口使用，它的第一功能和p0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像p0口那样传送存储器的读/写数据。p3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表3-1所示：表3-1 p3口各位的第二功能p3口各位第二功能p3.0 rxt（串行口输入）p3.1 txd（串行口输出）p3.2/int0（外部中断0输入）p3.3/int1(外部中断1输入)p3.4t0（定时器/计数器0的外部输入）p3.5t1（定时器/计数器1的外部输入）p3.6/wr（片外数据存储器写允许） p3.7/rd（片外数据存储器读允许）vcc为+5v电源线，vss接地。ale：地址锁存允许线，配合p0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89c51的cpu在p0.0-p0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89c51自动在ale线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/ea:片外存储器访问选择线，可以控制89c51使用片内rom或使用片外rom,若/ea=1，则允许使用片内rom, 若/ea=0，则只使用片外rom。/psen：片外rom的选通线，在访问片外rom时，89c51自动在/psen线上产生一个负脉冲，作为片外rom芯片的读选通信号。rst：复位线，可以使89c51处于复位(即初始化)工作状态。通常89c51复位有自动上电复位和人工按键复位两种。xtal1和xtal2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89c51片内osc(震荡器)的定时反馈回路。3、2时钟电路单片机中cpu每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。cpu执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。89c51-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，xtal1为该放大器的输入端，xtal2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。 本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图3-2所示。图3-2 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器c1和c2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pf，在这个系统中选择了33pf；石英晶振选择范围最高可选24mhz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12mhz，因而时钟信号的震荡频率为12mhz。3、3复位电路单片机在启动运行时都需要复位，使cpu和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。mcs-51单片机有一个复位引脚rst,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果rst端继续保持高电平，mcs-51就一直处于复位状态，只要rst恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图3-3是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。图3-3 复位电路 3、4 a/d转换电路adc0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3-4所示。图3-4 adc0808引脚图下面说明各个引脚功能:in0-in7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。地址输入控制（4条）：ale:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ale为高电平时，为地址输入线，用于选择in0-in7上那一条模拟电压送给比较器进行a/d转换。adda,addb,addc:3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表3-4所示: tart：start为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由cpu送来，宽度应大于100ns，上升沿清零sar,下降沿启动adc工作。eoc: eoc为转换结束输出线，该线上高电平表示a/d转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。d1-d8：数字量输出端，d1为高位。oe：oe为输出允许端，高电平能使d1-d8引脚上输出转换后的数字量。ref+、ref-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。vcc、gnd: vcc为主电源输入端，gnd为接地端，一般ref+与vcc连接在一起，ref-与gnd连接在一起. clk:时钟输入端表3-4 adc0808通道选择表地址码 对应的输入通道 c b a 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 3、5显示电路本设计系统中为了简化硬件线路设计，led译码采用软件编程来实现。软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程序通常为查表程序。由于本设计采用的是共阴极led，其对应的字符和字段码如下表3.5所示表3.5 共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03fh106h25bh34fh466h56dh67dh707h87fh96fh由于单片机的并行口不能直接驱动led显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作7。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，led显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字式直流电压表的电路设计，在led驱动电路的设计上，可以利用单片机p0口上外接的上拉电阻来实现，即将led的a-g段显示引脚和dp小数点显示引脚并联到p0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大p0口作为输出口德驱动能力，使得led能按照正常的亮度显示出数字，同时它还通过其四位i/o口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。如图3-5所示。 图3-5显示电路3、6总体电路图经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的电压表硬件电路原理图如图3-6所示。图3-6 总体电路图 此电路的工作原理是：+5v模拟电压信号通过变阻器vr1分压后由adc08008的in0通道进入（由于使用的in0通道，所以adda,addb,addc均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道d0-d7传送给at89c51芯片的p1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传送给四位led，同时它还通过其四位i/o口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，at89c51还控制adc0808的工作。其中，单片机at89c51通过定时器中断从p2.4输出方波，接到adc0808的clock,p2.6发正脉冲启动a/d转换，p2.5检测a/d转换是否完成，转换完成后，p2.7置高从p1口读取转换结果送给led显示出来。 四、软件设计根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，a/d转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图4所示。 开始初始化调用a/d转换子程序调用显示子程序结束 图44、1初始化所谓初始化，是对将要用到的mcs_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。 4、2 a/d转换子程序a/d转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图4-2所示。启动转换a/d转换结束？输出转换结果数值转换显示结束图4-2 a/d转换流程图 4、3显示子程序显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得led显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70hz左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对led进行动态扫描一次，每一位led的显示时间为1ms。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11s定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。五、总结通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。设计中还用到了模/数转换芯片adc0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。从这次设计中不仅仅是让我学到了单片机的专业知识还有一些课外的知识。比如绘图软件的应用、office的应用、以及一些论文格式的要求。让我学到了应该如何去做一篇论文。设计的完成也是通过查阅大量的资料，学习很多课外的知识，让我学到很多课堂上没有学到的东西，丰富了自己的知识，增长了自己的能力，总之使我受益匪浅。 参考文献：1胡健.单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，2004年10月 2宋凤娟，孙军，李国忠.基于89c51单片机的数字电压表设计j .工业控制计算机，2007，(04) .3魏立峰.单片机原理及应用技术.北京大学出版社，2005年 4苗红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计j .河海大学常州分校学报，2002，（03）.附录a：附录b1.程序清单 led_0 equ 30hled_1 equ 31hled_2 equ 32h adc equ 35h clock bit p2.4 st bit p2.5eoc bit p2.6oe bit p2.7 org 00h sjmp start org 0bh ljmp int_t0 start: mo