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电器电子毕业设计论文
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毕业设计199数字显示仪,电器电子毕业设计论文
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I 数字显示仪 摘要 通常数字显示仪只能接单一的传感器信号，通过分立元件构成的硬件电路进行线性处理、放大，然后经过 A/D 转换器，送显示器显示；若接另一传感器信号，则进行线性处理和放大电路的更换。这种情况，对应每一传感器都要备相应的仪表，相互之间不能互换，既对管理工作带来麻烦，又造成资金浪费。 本设计用 MCS-51 系列单片机为核心来制作数字显示仪 ，详细分析了标准信号和各种传感器信号的输入电路、运算放大器 LM324、 A/D 转换、单片机线性化处理等的实现过程，然后送 LED数码管显示 。该数字显示仪能满足电流信号 0 10mA、 4 20mA,热电偶信号， Pt100热电阻信号的测量要求。 关键词 ： 单片机 LM324 A/D转换 数字显示仪 nts II Abstract The usually digital meter can only accept a sort of the sensor signal. In the meter, the hardware electric circuit consisted of the separately element carry on non-linear processing enlargement, then A/D finally shows the numbers. If meet to show another sort of the sensor signal, the non-linear processing and the enlargement electric circuit must be replaced. Such situation, corresponding each kind of sensor have to prepare the corresponding digital meter, cannot exchange each other, it brings the trouble to the management work, and also bring waste. This design uses MCS-51 to design a new digital meter. It gives the realization of input circuit on the standard current signal and all kinds of temperature sensors, amplifiers LM324, A/D transformation, Software linearization processing and delivers the LED to demonstrate various parameters. The digital meter can satisfy standard signal 0 10mA, 4 20mA, the thermo-element signal, the Pt100 thermal resistance signal survey request. Keywords: single-chip LM324 A/D digital meter nts III 目录 第一章 课题概述 . 1 1.1 仪器 /仪表国内外发展概况 . 1 1.2 课题设计的内容 . 2 第二章 硬件的总体设计 . 3 2.1 硬件设计概述 . 3 2.2 硬件电路图及工作过程介绍 . 4 2.3 运算放大电路 . 5 2.4 A/D转换电路 . 10 2.5 X25045 多功能串行 EEPROM . 14 2.6 电路核心部分的设计 . 15 2.7 数字显示电路 . 18 2.8 键盘部分 . 20 第三章 软件的设 计 . 23 3.1 软件系统的总体设计 . 23 3.2 软件的整体程序流程 . 23 3.3 X25045 的读写程序 . 29 3.4 数据采集信号的设计 . 32 3.5 软件的线性化处理 . 32 第四章 电路的调试 . 33 4.1 硬件电路的调试 . 33 4.2 程序编写以及调试 . 34 4.3 调试结果分析 . 35 第五章 总 结 . 38 参考文献 . 39 附 录 . 39 致 谢 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第一章 课题概述 数字显示仪是测量仪表发展较快的一个领域，它有 显示 直观、易读的优点，正得到广泛的应用。根据数字显示仪的现状，迫切地需要一种能进行多种参数测量的数字显示仪。近年来， 显示逐渐向数字化显示迈进。数字显示仪表测量精度高，稳定性好，功耗低，抗震性强，这此都是动圈式指示仪表所不具有的。在数字显示仪表中，采用的是先进的 CMOS 大规模集成电路，且大多数采用 LED 数字显示，因此， 仪表线路简单，结构合理，性能稳定可靠，使用简便，维护方便。 由于数字显示仪表采用了大规模集成电路，解决了运算放大、非线性校正、温漂、零漂等关键性问题， A/D 转换集成电路实现了模拟量与数字量之间的转换，从而使仪表达到较高的技术指标，所以，数字显示仪表跨出了动圈式仪表的局限，上一个大台阶。 随着电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正是引起测量、控制仪表领域新的技术革命 。 1而本设计正是采用了MCS-51系列单片机为核心组成的数字显示仪。它克服了以往产品体积大，功能单一的缺点。 1.1 仪器 /仪表国内外发展概况 仪器 /仪表是计算机技术向测量仪器移植的产物。是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断等功能，这一观点也逐渐得到国内外学术界所接受。如我国电磁测量信息处理仪器学会于 1984 年正式成立“自动测试与智能仪器专业学组”， 1986 年 IMECO（ International Measurement Confederation,国际测量联合会）以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会， IFAC（ International Federation of Automatic Control,国际自动控制联合会） 1988年理事会正式确立“智能元件及仪器”（ Intelligent Components and Instruments） (TC25)(C&I)为系列学术委员会之一。此外， 1989年 5 月在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会（ ISMT II89）。 近 20年来，仪器 /仪表与微计算机取得了令人瞩目的进展，就其技术背景而言，硬件的不断发展及创新 不能不说是一个非常重要的因素。 nts 2 1.2 课题设计的内容 在设计数字显示仪的过程中，着重进行了以下两个方面的设计工作：硬件和软件两方面的设计。硬件方面用一块集成的四运算放大器 LM324完成电路的放大，用 12 位串行 A/D 转换芯片 TLC2543 完成模数转换，用一块八段四位 LED进行显示。在软件设计方面，通过单片机在固定周期内对脉冲信号计数和计算，同时完成线性化处理。 nts 3 第二章 硬件的总 体设计 2.1 硬件设计概述 数字显示仪采用美国 ATMEL公司的 AT89C52作为核心部份，该设计主要由多路输入端口输入信号，低通滤波、四运算放大器 LM324、 12 位串行 A/D转换、显示等几个功能模块组成。 按键 LED显示 89 单片机 图 2-1 硬件原理框图 本仪表需要多个输入通道 ，其中0A 2A 为各路外路信号输入端，前置运算放大器组成放大电路，可分别接入 电流信号 0 10mA、 4 20mA，热电偶X25045 EEPROM 电流信号 010mA、 4 20mA Pt100 热电阻 热电偶 低通滤波 低通滤波 低通滤波 运算放大器 12 位串行的A/D 转换 单运放大器 初始化设置 键分析 运 算 nts 4 信号， Pt100 热电阻信号。由单片机在固定时间内对脉冲信号进行计算，从而完成 A/D转换的功能，再由单片机对 A/D转换的结果进行标度变换，得到被测的数值（ BCD 码），通过单片机驱动 LED数码管显示结果。 2.2 硬件电路图及工作过程介绍 数字显示仪的硬件电路设计的一个核心部份是模拟信号的输入，模拟信号（电流、热电偶、热电阻）运算放大器进行放大后输出到 TLC2543，转换为与模拟信号成正比的数字信号，用这种方法可以保证 A/D 转换的精度，提高了性能价格比。 数字显示采用一块八段四位的 LED 数码管，由单片机以动态扫描方式驱动，在此方式下能保证足够的亮度和较长的使用寿命。 作为数字显示仪设计的另一核心部分，采用 12 位串行的 TLC2543 转换的方法实现 A/D 转换，经实践检验，其能满足精度高的要求，取得了满意的效果。 2.2.1 输入信号 由于输入参数众多，可将其分为 3类信号。即热电偶信号，电流信号（ 010mA、 4 20mA），热电阻信号（ Pt100、 Cu100、 Cu50）。热电偶信号从两个输入端子输入；电流信号从另外两个端子输入； 各分度号的热电阻采用电桥法， 在显示仪的电路板上有一个 100的可调电位器，调节它的大小可以使电桥达到平衡， 利用硬件电路 TLC431 产生 2.495V的恒压源，从而将电阻值的变化转化为电压的变化。 2.2.2 数据采集模块 由于 LM324 的输出脉冲与输入电压数值成正比，当被测电压变化时，LM324 的脉冲频率 线性变化。数字显示仪的量程可以手动设置，在 200 毫秒内对 LM324输出脉冲进行计数， 用 12位串行的 A/D转换为数字量。 在工业过程控制系统中，由于被控对象的环境比较恶劣，干扰源比较大，如环境温度、电场、磁场等，所以在模拟系统中，为了消除干扰，常采用 RC滤波电路。图 2-2为信号采集电路方框图。 nts 5 CS 图 2-2 信号采集电路方框图 2.3 运算放大电路 通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。运算 放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。运算放大器电压增益高，输入阻抗小，根据负反馈的接法，可以实现反相运算和同相运算。由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微略的微伏级信号，而一般的通用放大器具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。因此在设计中采用四运算放大器 LM324，其输出电压为 0 2.495V。 2.3.1 热电阻放大电路 温度测量热电阻的放大电路如图 2-3所示。图 2-3为铂热电阻放大电路，把铂热电阻 TR 随温度变化的阻 值 R 变换为电压再进行放大的电路。采用阻值 TR =100的tP100铂金属热电阻为传感器。它有较高的测量精度，并且在较大的温度范围内有很大的线性，测温范围可达 -250 +640C0 。 单片机 信号 TLC2543 时钟基准 电压基准 nts 6 R 1055. 6KR 1045. 6KR3100KRp100C 102104 C 103103R 104100K+ 2. 495V-5+ 5VRtAR1100K32671481C 217741R 11210KR 11710KR 1162. 4KR 11820K5671C 1L M 324C 10525V 10O U T -A 1R 110240R 111240R 109390R 106510B U1U0C图 2-3 温度测量热电阻放大电路 为了把电阻的变化转化为电压的变化。常用转换电路有恒流源供电方式和恒压源供电方式。这里采用 TLC431 精密电压源的恒压源供电，电桥 B 点的输出电压 2 495.2*109105109tPtAPB RRRR RRRRU （ 2.3.1-1） 式（ 2.3.1-1）中 AR 为调位器 PR 的某一部份阻值。 由图 2-3可知，电桥平衡的条件是 3 106109104105 R RRRRR RR tAPA （ 2.3.1-2） 式（ 2.3.1-2）表明：一对相对桥臂电阻的乘积等于另一对相对桥臂电阻的乘积。当温度变化使热电阻的阻值tR增大时，电桥的输出电压也会发生变化。调节调位器 PR ，使 其等于 0C0 时的tR值，则 0C0 时电桥输出 BU =0V。 nts 7 在恒压源供电时，适当选择串联电阻105R可使传感器非线性和转换电路非线性带来的误差为最小。设在测温范围内，铂热电阻的下限、中点、上限的阻值分别为 LR 、 MR 、 HR ，相应 C点 电压的下限、中点、上限值分别为 BLU 、BMU 、 BHU ，使其满足下式的关系4 BHBLBM UUU 2 解得 )(2)(21 0 5 HLM HLMHL RRRRRRRRR （ 2. 3. 1-3） 按上式 （ 2.3.1-3） 选择参数105R时，在测温范围的两端点和中点，电桥输出的非线性误差为零；正负最大非线性误差相等。 由图 2-3可知，此时单运算放大器 741放大倍数 110111RR其输出电压 BUU *)1(1 （ 2. 3. 1-4） 又由图 2-3 可知，四运算放大器 LM324的放大倍数 116117RR其输出电压 10 *)1( UU （ 2. 3 .1-5） 例如， 采用阻值 TR =100的tP100 铂热电阻，测量 0 100C0 的温 度， tR的 0C0 时 100，输出为 0 1.0V。其 100C0 时tR为 138.5 ,就可求出 TR随温度变化的 R=38.5 ,用来确定增益的电阻 ,使其输出电压为 38.5mV,输出电压为 1.0V。 电位器 PR 调测量电桥平衡的同时还可以补偿运算放大器 741 的输入失nts 8 调电压。用调电位器 PR 来对放大倍数等系统参数进行调节，当输入到合适的数值后将其锁定。如果输入不同种类的传感器信号和标准信号，由于它们的最大量程相差甚大，必须采用多套放大器电路，显然增大了硬件成本和设备体积。在该数字显示仪的设计过程中，用四运算放大器 LM324来组成放大电路使它能很好的放大到我们所需要的倍数，该运算放大器具有高增益、低漂移、低噪声的特点，而且价格便宜，市场货源充足。 2.3.2 输入电流的采样电路 图 2-4为输入电流的采样电路，输入标准信号 0 10mA、 4 20mA。则 A点的电压为 1RIU A R 30 110KR 30 420KR120R 30 310KR 30 22K+ 5V-53214111C 1L M 32 4CI25 V 10 uO U T - A 0I N P U TAU0图 2-4 输入电流采样电路 5 由图 2-4可知，四运算放大器 LM324 的放大倍数 =302303RR其输出电压 AUU )1(0 （ 3.3.2-1） 如输入 4 mA,由式 （ 3.3.2-1）得AUU )1(0 =(1+10K/2K)*(4*20 )=0.48V。其输出的电压送给后面的 A/D转换电路。 nts 9 2.3.3 热电偶放大电路 热电偶是一种高温测量传感器，它的种类很多，有 E， J， K、 C， R， S，B等型号。 6其中， S型热电偶测温范围为 0C0 1500C0 ，可用于测量加热炉的温度，炉温变化 1C0 可使热电偶两端有几十 V 的电压变化； K 型 热电偶测温范围为 0C0 1700C0 ，温度变化 1C0 ，可产生 40 V 左右的电压变化。图 2-5所示为本设计实际应用的热电偶测温检测放大 电路。 7 图 2-5中， Tc 为热电偶，其电压输出决定热端与冷端的温度差。 热端每变化 1C0 ， K型热电偶有 40 V的电位差输出，其灵敏度为 V级。采用 LM324运算放大组成低漂移前置放大电路，对几十 V 变化信号测量比较精确，其放大倍数与 R205/R203 成正比，可根据需要设计。前置放大器的输出为 mV级信号，再接四运算放大器 LM324 的另一组运算放大可将 mV 级信号放大到需要的幅度 0V 2.495V。 四运算放大器 LM324的输出给后面的 A/D转换电路。 R 20 920KR 20 610KR 20 72KR 20 55. 1KR 20 3510R 20 235KR 20 110KR 20 8 8. 2K121314L M 32 41098L M 32 4C 20 1 104W 20 1 10kO U T - A 2Tc+-r e nd ua nl e ng du a nU 01U 02AC 20 225 V 10图 2-5 热电偶放大电 路 由图 2-5可知，四运算放大器 LM324 的前级放大倍数 2032051 RR其输出电压 AUU )1( 101 （ 2.3.3-1） 又由图 2-5可知 ,四运算放大器 LM324 的后级放大位数 nts 10 2072082RR 其输出电压 01202 )1( UU （ 2.3.3-2） 如输入 2.44mV的热电偶信号，则 A点电压 mVU A 44.2 由式（ 2.3.3-1）得 AUU )1( 101 =（ 1+5.1K/510） *2.44mV =26.84 mV 又 由式 （ 2.3.3-2）得 01202 )1( UU =（ 1+8.2K/2K） *26.84mV =0.137V 2.4 A/D 转换电路 A/D转器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。选择 A/D转换器时，除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码，工作温度范围和电压稳定度得寸进等方面的要求，同时 A/D转换也是决定测量精度和稳定性的重要环节。 8该数字显示仪采用了 12串行 A/D转换器TLC2543。在模拟信号输入通道之前，都加上了 RC滤波电路，可以有效的防止 TLC2543的高速 A/D转换过程发生跳变，而本设计对速度要求不高，此接法是很有必要的，同时外接 TLC431精密电压源提供基准电压 2.495V。 2.4.1 12 位串行 A/D 转换芯片 TLC2543 的介绍 TLC2543 是美国德州 TI 公司生产的串行 A/D 转换器。 TLC2543A/D 转换位数是 12 位，输入通道达 11 个，而其国内市场价又仅售五十多元，因此TLC2543 的要求高精度，而输入通道又多的 A/D 转换设计方面很受设计者的青睐。 nts 11 2.4.2 TLC2543 的特点 （ 1） 12位分 辨 率 A/D转换器； （ 2） 在工作温度范围内 10s 转换时间； （ 3） 11个模拟输入通道； （ 4） 3路内置自测试方式； （ 5） 采样率为 66kbps； （ 6） 线性误差 1L SBmax； （ 7） 有转换结束输出 EOC； （ 8） 具有单、双极性输出； （ 9） 可编程的 MSB或 LSB前导； （ 10） 可编程输出数据长度。 据 TI公司的资料， TLC2543的引脚排列如图 2-6。 9 图 2-6 TLC2543 的引脚图 在 20引脚的芯片引脚中：电源引脚为 Vcc， GND共 2 脚。输入通道引脚为 AIN0 AIN10 共 11脚。 A/D转换参考电压引脚 REF+， REF-共 2脚。 余下的五个引脚是与单片机作串连通讯的引脚：控制引脚为 CS（低电平的效）， CLK， DATA IN 共 3 脚。转换结束指示引脚为 EOC（高电平表示转换nts 12 完成） 1脚。数据输出引脚为 DATA OUT 1 脚。 由于采用了串行总线方式，使 TLC2543 的引脚大大简化，比起可以实现同样功能的并行总线 12A/D转换器（如 AD574、 7109等）来说，引脚和芯片面积都大大减少了。 2.4.3 TLC2543 的工作原理 据 TI公司的时序图如图 2-7。 图 2-7 TLC2543 的时序图 以片选信号 CS 的电平去分，它的过程可以分为 A/D 转换周期和 I/O 周期相互交替进行的两部份。 1、 当 CS=1时， A/D转换周期 此时 TLC2543 未被选通，其 DATA OUT 脚显高阻态，此时， TLC2543被禁止。这样，为共同使用串行数据总线的其他芯片让出了总线使用权。 之所以说这个周期是 A/D周期，是因为 TLC2543仍在进行着 A/D转换，其 A/D转换的通道是上一次 I/O周期从 DATA IN 输入信号高 4位所确定的通道。 2、 当 CS=0时， I/O周期 之所以说这个周期是 I/O 周期，是因为对 TLC2543 来说它既是通过DATA IN脚输入数据，又通过 DATA OUT 脚向外输出数据，因而称这个周期nts 13 是 I/O周期。 从时序图可以看到，伴随着 CLK 时钟信号的 DATA IN 脚在向 TLC2543输入的是可编程数据，而通道 DATA OUT 脚输出的是把上一周期已转换完成的 A/D数据从该引脚输出。 （ 1）、从 DATA IN 引脚输入一个可编程 8位数据： 7D、6D、5D、4D这四位可编程 #0 A/D输入通道（对应于 AIN 0脚）至 #10 A/D输入通道（对应于 AIN 10 脚 ）这四位从 0000 1010变化，便可以让 A/D输入通道不断地循环工作，若然不需要那么多通道，只要把程序中循环的中止值减少至所需的通道号即可。 3D、 2D 这两位可以编程选择输出数据长度。输出数据长度可选 8位、12位、 16位，要指出的是 TLC2543 既然是 12位 A/D转换器，其转换长度必然是 12位，而当 0123 DD，则选择输出数据长度是 8位，即只取转换数据的高 8位，而舍去低 4位，这样做是以降低转换精度以求 I/O周期耗时的减少，这种选择方法在实践中较少采用 。当 1123 DD，则选择输出数据长度是 16位，此时把转换数据 12个有效位置于 16位数据的高 12位，余下的低 4位要用 0去填充，这种数据长度的选择方法在实际是较多采用。 1D 位是输出数据格式选择位，当 01 D ，则让 MSB 先从 DATA OUT 输出，然后再让 LSB从 DATA OUT输出；当 11 D ，则反之。多数使用前者。 0D位是转换结果单 /双极性表示选 择位，当 00 D，则转换结果为单极性表示，当 10 D，则转换结果为双极性（即补码形式）表示。多数使用前者。 从时序图可知，上述的 8位可编程数据是从 I/O周期的第 1个 CLK开始便从7D0D一位接一位与 CLK 信号上升沿同步地输入 TLC2543的输入寄存器。这个 8位数据特别是通道号数据将对下一个 A/D 转换周期的待转换通道号做出规定。从第 5 个 CLK 开始， TLC2543 的多通道选择 器（即多路模拟开头）便根据本次 I/O周期的输入数据去选择多通道模拟开头的位nts 14 置。 （ 2）、 DATA OUT 脚输出一个 A/D转换数据 以输出数据长度取 16位为例，即设输入数据 1123 DD，这时 I/O周期要占用 16 个 CLK，再设 01 D ，从时序图可知， A/D 转换的 16 位数据（包括前 12位有效数据和后 4位补 0位）将从15D位开始与第一个 CLK时钟同步地从 DATA OUT脚一位接一位地输出。 2.5 X25045 多功能串行 EEPROM X25045 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和 EEPROM 集成在单个封装之内。这种组合降低成本并减少了对电路板的空间要求。 Vcc 2 8 6 3 5 1 7 4 RESET 图 2-8 X25045 的应用电路 电路如图 2-8所示， X25045的 CS 、 SI、 SCK和 SO分别与 89C52的 P1.5、P0.0、 P1.7和 P1.6 相连，而 X25045 的接口线 7与 89C52 的 RESET端相连，同时也作系统的复位信号。当 X25045 监控到在指定的看门狗超时周期内 CS接口线无活动或（和）检测到 Vcc低于转换电压时，则输出高电平周期。高电平保持直到 Vcc 上升到最小检测电平 200ms为止。 P1.6 89C52 P1.7 P0.0 P1.5 RESET SO Vcc SCK X25045 WP SI RESET CS Vss nts 15 2.6 电路核心部分的设计 电路核心部分 用美国 ATMEL 公司生产的 MCS-51 系列单片机的增强型89C52，具有 8K 片内闪速程序存储器，不必外扩 E-PROM，减少了硬件体积，节约了硬件成本。复位电路利用 Xirox 公司生产的 X25045，这是一个可编程看门狗监控 EEPROM，它把三种常用的功能：看门狗定时器、电压监控和 EEPROM组合在单个封装之内，这种组合进一步降低了成本，并减少了对电路板空间的要求，采用 12M 晶振。 2.6.1 MCS-51 单片机的特点 单片机（ Microcontroller,又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部 件的微型计算机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口。 10 MCS-51系列单片机的基本结构如图 2-9所示。 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD 0INT 1INT 图 2-9 MCS-51 系列单片机的基本结构 2.6.2 AT89C52 芯片的引脚 AT89C52单片机是采用 40引脚双列直插封装的芯片，有些引脚 具有两种功能。 11引脚见图 2-10。 时钟电路 ROM RAM 定时器 /计数器 CPU 并行接口 串行接口 中断程序 nts 16 图 2-10 AT89C52 的引脚图 引脚功能如下： （ 1） VCC（ 40）：电源 +5V。 （ 2） VSS（ 20）：接地。 （ 3） XTAL1（ 19）和 XTAL2（ 18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。 （ 4） P0 口（ 39 32）：双向 I/O 口，既可以作地址或数据总线口，也可以作普通的 I/O口用。 （ 5） P1口（ 1 8）：准双向通用 I/O口。 （ 6） P2 口（ 21 28）：准双向口，既可以作地址总线口输出地址高 8位，也可以作普通 I/O口用。 （ 7） P3 口（ 10 17） ：多用途端口，既可作普通 I/O 口用，也可以按每位定义的第二功能操作。 （ 8） ALE/PROG(30):地址锁存信号输出端。在访问片内存储器时， ALEnts 17 为有效高电平时， P0输出地址低 8位，可以用 ALE信号作外部地址锁存器的锁存信号。 ALEf =1/6oscf，可以作系统中其他芯片的时钟源。第二功能 PROG是对 8751的 EPROM编程时的编程脉冲输入端。 （ 9） RST/VPD（ 9）：复位信号输入端。 AT89C52接通电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期 （ 24个振荡周期）以上的高电平，使内部复位。第二功能是 VPD，既备用电源输入端。当主电源 VCC 发生故障，降低到低电平规定值时， VPD 将为 RAM 提供备用电源，以保证储存在 RAM中的信号不丢失。 （ 10） EA /VPP（ 31）：内部和外部程序存储选择线。 EA =0时访问外部ROM 0000 FFFFH； EA =1 时，地址 0000 0FFFH 空间访问内部ROM，或地址 1000 FFFFH 空间访问外部 ROM。在对 8751的 EPROM编程时，此脚接编程电压 12.5V。 （ 11） PSEN （ 29）：片外程序存储选通信号，低电平有效。 对 AT89C52 单片机，由于内部多了一个定时器，还需要附加别的输入端，为此，又借用 P1.0 和 P1.1作为定时器 2的输入 T2和 T2EX。 2.6.3 AT89C52 的复位电路 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。高电平有效的持续时间应为 24 个振荡周期以上。若时钟频率为 6MHz，则复位信号至少持续 4 s 以上，才可以使单片机复位。复位以后， 07H 写入指针 SP， P0 P3口均置 1（允许输入），程序计数器 PC 和其他特殊功能寄存器 SFR全部清“ 0”。只要该脚保持高电平， AT89C52便循环复位。当 RST端由高变低后， AT89C52由 ROM 的 0000H 开始执行程序。 AT89C52 的复位操作不能影响内部 RAM 的内容。当 VCC加电后， RAM的内容是随机的。 单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种， 51单片机常用的上电复位及手动复位电路，只要 VCC 上升时间不超过 1ms，它们都能很好的工作。图 2-11为本设计使用的复位电路。 nts 18 R S T9A T 8 9 C 5 2R84 . 7 KC247uK1V C C图 2-11 复位电路 2.7 数字显示电路 数字显示由一块 4位八段 LED组成，用以实现各种瞬时参数。具体显示由键盘按键决定。 七段 LED显示器由数个 LED组成一个阵列、并封装于一个标准的外壳中。为了适应不同的驱动电路，有共阳极和共阴极两种结构。用七段 LED显示器可以组成 0 9 数字和多种字母，为了适应各种装置的需要，这种显示中还提供有一个小数点，所以实际上共有 8段。 为了显示某个数字或字符，就要点亮对应的段，这就需要点亮对应的段。译码有硬件译码和软件译码之分。硬件译码电路的优 点是计算机的开销比较小，但硬件开支大。软件的译码的优点是占用时间少，显示稳定可靠；缺点是占用的 I/O口较多。 2.7.1 8 段数码管是如何显示单片机数据 用单片机驱动 LED数码管有很多种方法 ,按显示方式分 ,有静态显示和动态显示。 12 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要锁存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显示数据。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的具有锁存功能的 I/O口，该接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显 示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。 另一种方法是动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名段连在一起，而显示器的 COM 各自独立在受 I/O线控制。 CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于 COM 端，而这一端是由 I/O控制的，由单片机何时显示哪一位了。 动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的 COM端，使各个显示器轮nts 19 流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间及为短暂，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。 本设计采用动态扫描方式，采用串入并出的移位寄存器 74LS164来驱动LED数码管。其接口电路如图 2-12所示。 P 0 039P 0 138A1B2C L K8M R /9Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713A T 8 9 C 5 2V S S7dp g f e d b acom1com2com3com4cP 0 534P 0 435P 0 336P 0 237V C C200*8图 2-12 LED 显示电路 该显示电路用了单片机 2个端口 P00、 P01，配以 1片串入并出的移位寄存器 74LS164。其中的引脚0Q7Q为并行输出口，分别接到 LED数码管的 adp段，作动态显示 ；引脚 A、 B为串行输入口；引脚 CLK为时钟脉 冲输入端，在 CLK 脉冲的上升沿作用下实现移位，在 CLK=0、清除端 MR=1 时， 74LS164保持原来数据状态； MR=0时， 74LS164 输出清零。 在选择每段的串联电阻时，我们可以通如下的计算来选择，发光二极管正常工作时，其两端正向压降约为 1.6V,正向电流约为 10mA，因此，每段的串联电阻可由下式计算： 串联电阻 =（ 5-1.6V） /10mA=340 (可取 330 ) 本设计选用 200的电阻，目的是使 LED更亮。 2.7.2 静态扫描与动态扫描的利弊 静态显示虽然数据显示稳定 ,占用很少的 CPU时间 ,但每个 显示单元都需要单独的显示驱动电路 ,使用的电路硬件较多 ;动态显示需要 CPU时刻对显示器件进行数据刷新 ,显示数据有闪烁感 ,占用的 CPU时间多 ,但使用的硬件少 ,能节省线路板空间。 nts 20 在一般较为简单的系统中，为了降低成本，动态显示方案具有一定的实用性，本电路采用了动态显示。 2.8 键盘部分 单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。 编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代 码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知 CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。 非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路，我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。 2.8.1 按键的去抖动 1、硬件。可通过滤波电路来消除抖动。 2、软件 。在第一次检测到有按键闭合时，首先执行一段延时 10ms的子程序，然后再确认为该按键电平是否仍为闭合状态电平。如果仍保持，则确认为真正有按键按下。 2.8.2 本设计按键操作部份 为方便说明，以设置 0 10mA输入信号为例。 （ 1） 长按（约 15 秒）设置键，直至 LED 闪动显示“ Set=”，“ Set=”的意思为可输入设置。 （ 2） 紧接着， LED 显示“ I II”，表示输入为电流值，按或键可选择其它输入方式。若显示“ Pt40”则表示输入为 Pt100 热电阻，量程为0 400C0 。若显示“ I EU”则表示输入为 K型热电偶。若显示“ Pt15”则表示 Pt100，量程 0 150C0 。 （ 3） 下一步为是量程设置（本项只用于电流信号，以下几类不必作量程设置， Pt40 则固定量程为 400C0 ， Pt15 固定量程为 150C0 ， K 固定量nts 21 程为 1100C0 ，它也包括了 K 型 600C0 ，两者只是输入毫伏值大小不同而已），再按选择键， LED 首先显示四位数 字“ 0000”，再按 或键，则数字会加或减，当短按键，则每次个位加（减） 1，若长按键，则每次十位加（减） 1，本例直按至 0600为此。 （ 4） 再按选择键，至 LED显示“ dot”，意思设置小数点，再按或键，则小数点会左移或右移。本例按两下键让小数点左移，则显示06.00。（也可以按键让小数点右移）。 （ 5） 短按设置键，即退出回到工况显示状态。 （ 6） 零点 /量程设置： 在主板上有设置的端口，见图 2-13。 复位 设置 图 2-13 设置前 ,先要用短路插头 ,(在主板上 )插入设置的二根针 ,使其短路 ,然后开始设置步骤。 在 (2)的基础上再短按设置键， LED 显示 .000。调节输入为零点信号，在本例由于输入信号为 0 10mA，故对应零点输入为 0mA，在调节输入时 LED的后三位（十六进制数）也相应变化，直至稳定，在稳定后， 按 键（注意勿按错键），则已把零点的 A/D值记忆。（注：对于 0 10mA的输入信号，零点的输入为 0mA，对应于 4 20mA 输入信号，零点输入为 4mA）。 再调节输入为满量程，（在本例为 10mA），在调节输入信号时 LED的后三位数（十六进制数）同样会相应变化，直至稳定，在稳定后， 按 键 （注意勿按错键），则又把量程的 A/D值记忆。 变压器 AT89C52 nts 22 （ 7） 再短按设置键，回复到工况显示状态至此初始化设置已完成，此时要把短路插头拔开（为了防此插头丢失，可以仅插设置一根针），这样拔开插头后，上述的初始化设置便不能进行，也可以防止旁人不懂而乱按仪表造成设置混乱。 nts 23 第三章 软件的设计 3.1 软件系统的总体设计 软件主要包括 A/D转换程序、单片机的电压数据采集程序及 LED数码管的显示程序。单片机是通过在固定的周期内对 TLC2543输出的脉冲信号进行计数，获取数字信号。 整个软件系统可以完成电压数值采集、存储、显示。使仪表能正确的显示各信号的温度。它的软件系统方框图如图 3-1所示。 图 3-1 软件系统方框图 3.2 软件的整体程序流程 单片机主要的程序模块有数据采集模块（包括脉冲计数、数字滤波、数据处理 、中断处理等几个子模块）、显示模块等主要的功能模块。图 3-2 为软件总体流程图。 各路信号 A/D 数据采集和处理 单片机处理程序 LED显示 nts 24 图 3-2 软件总体流程图 开始 程序初始化 自检 执行相应按键功能 采集各路输入信号 各输入信号写入 X25045 LED 显示 返回 A/D 转换 运算处理 有键按下 nts 25 Y N 图 3-3 单片机整体流程图 开始 I/O 口初始化 写入 初始时间 开中断 清 T1 启动 T1 显示程序延时200ms 停止 T1 读取 T1 计算电压数值 LED 显示 nts 26 图 3-3为单片机整体流程图，程序开始后，先初始化。包括 I/O的初始化，把单片机的 I/O引脚设置成相应的输入输出状态，还包括存储单元的清零。 初始化后，程序进入主循环。在主循环中，单片机串口首先被设置为接受 状态，并打开外部中断允许。然后进行脉冲的采集和计算，得到电压数值送显示缓冲区显示。 3.2.1 热电阻信号输入程序流程 N Y 图 3-4 热电阻信号输入流程图 图 3-4为热电阻信号输入流程图，从外部输入不同阻值的热电阻，通过开始 输入热电阻 运算输出电压 送入 A/D 转换 单片机作线性化处理 LED 显示 nts 27 LM324 转换为电压信号，产生 0 2.495V 的电压后输送到 TLC2543 进行 A/D转换，然后单片机进行线性化处理，最后送 LED显示。 3.2.2 标准电流信号输入程序流程 N Y 图 3-5 标准电流 信号输入流程图 图 3-5 为标准电流信号输入流程图，输入 0 10mA、 4 20mA 的标准信号，给它设置一个零点和满度量程，如设置零点为 0C0 ，满度为 600C0 ，用单片机对它进行线性化处理，然后送 LED显示。 开始 输入标准信号 运算输出电压 送入 A/D 转换 单片机线性化处理 LED 显示 nts 28 3.2.3 热电偶信号输入程序流程 图 3-6 热电偶信号输入流程图 图 3-6为热电偶信号输入流程图，从外部输入 K型热电偶，通过 LM324转换为电压信号，产生 0 2.495V的电压后输送到 TLC2543进行 A/D转换，然后单片机进行线性化处理，最后送 LED 显示。 开始 输入热电偶 运算输出电压 送入 A/D 转换 单片机线性化处理 LED 显示 nts 29 3.3 X25045 的读写程序 表 3-1为 X25045 指令集，表 3-2为 X25045状态寄存器位 表 3-1 X25045 指令集 指令名 指令格式 操作 WREN 0000 0110 设置写使能锁存器（允许写操作） WRDI 00
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