武汉理工大学能力拓展课设《基于AD转换模块的单片机仿真和C语言开发课程设计》

1、武汉理工大学能力扩展训练课程设计课程设计任务书学生姓名： 陈云飞 专业班级： 电信1005班 指导教师： 刘运苟 工作单位： 信息工程学院 题 目: 基于A/D转换模块的单片机仿真和C语言开发 初始条件：本课程设计，要求用使用Proteus仿真软件进行系统设计与仿真。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、 课程设计工作量：1周内完成对系统的设计、仿真。2、技术要求：1）设计一种多路模拟信号采集模块，从多个通道轮流采集数据一次，并将采集的结果存放在数组中。要求进行电路仿真实验，并使用C语言进行程序的开发。 2）要求学生主动思考，自主发挥，实现系统

2、的特色功能。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：(1) 布置课程设计任务,查阅资料,确定方案 四天；(2) 进行编程设计 一周；(3) 完成课程设计报告书 三天；指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要：- 2 -1 软件与硬件简介- 3 -1.1 Protues简介- 3 -1.1.1 简介- 3 -1.1.2 特点- 3 -1.1.3 丰富资源- 4 -1.1.4 软件仿真- 4 -1.2 keil简介- 5 -1.2.1 简介- 5 -1.2.2 Keil Vision

3、4界面- 5 -1.2.3 优点- 7 -1.3 AT89C51- 7 -1.3.1硬件简介- 7 -2 总体设计- 8 -3 硬件模块设计- 9 -3.1、控制系统模块- 9 -3.2、AD数据采集模块- 10 -3.2.1、TLC2543引脚介绍- 10 -3.2.2、TLC2543工作时序- 12 -3.2.3、转换过程- 13 -3.3、液晶显示模块- 13 -3.4、键盘模块- 14 -4 软件设计- 14 -5 实验记录与结果分析- 15 -5.1 仿真流程- 15 -5.2、仿真结果- 16 -6 心得体会- 17 -参考文献- 18 -附录一：- 19 -附录二：- 19 -摘

4、要：本设计要求作出一种多路模拟信号采集模块，从多个通道轮流采集数据一次，并将数据保存于记录。本系统采用AT89C52作为控制系统，核心器件采用TI公司的高精度12BIT ,11通道一步采样AD芯片TLC2543。分别从11路采样模拟信号，实现11路数据采集。为了做出发挥部分的特色，这里采用按键扫描方式，选择显示的通道以及数据，用键盘操控数据采集系统。显示部分采用LCD1602.实时根据按键的扫描情况更新采集的数据，并且显示。 关键词：LTC2543 LCD1602 键盘扫描- 30 -1 软件与硬件简介1.1 Protues简介1.1.1 简介Protues软件是英国Labcenter ele

5、ctronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AV

6、R、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译.1.1.2 特点Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真革命性的特点：（1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。（2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原

7、理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。1.1.3 软件仿真支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。1.提供软件调试功能。2.提供丰富的外围接口器件及其仿真。RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。3.提供丰富的虚拟仪器，利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培

8、养学生实际硬件的调试能力。4.具有强大的原理图绘制功能。图1.1 Protues界面1.2 keil简介1.2.1 简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C

9、语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。1.2.2 Keil Vision4界面Keil uVision2是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全

10、集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。2006年1月30日ARM推出全新的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，集成Keil Vision3的RealView MDK开发环境。RealView MDK开发工具KeilVision3源自Keil公司。RealView MDK集成了业内领先的技术，包括Keil Vision3集成开发环境与RealView编译器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的 S

11、imulation设备模拟，性能分析等功能，与ARM之前的工具包ADS等相比，RealView编译器的最新版本可将性能改善超过20%。2009年2月发布Keil Vision4，Keil Vision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，还添加了一些其他新功能。2011年3月ARM公司发布最新集成开发环境RealView MDK开发工具中集成了最新版本的Keil uVision4，其编译器、调试工

12、具实现与ARM器件的最完美匹配。图1.2 Keil Vision4的操作界面1.3 AT89C511.3.1硬件简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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和闪速存储器组合在单个芯片中，AT

13、MEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51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。现在AT89S51/52已经取代了AT89C51/52。本次设计将使用AT89C51此芯片作为核心硬件进行设计。2 总体设计本设计采用AT89C52做控制系统，利用11路通道12位高精度AD TLC2543采集数据，通过按键扫描选择控制，将采样的通道以及采用的数据实时更新在LCD1602上。图2.1 总体框图3 硬件模块设计3.1、控制系统模块本设计控制系统采用AT89C52。采用12M晶振，整体控制多通道数据采集显示和键盘扫描。图3.1 控制

14、系统模块AT89C52结构介绍：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

15、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

16、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。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

17、。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。 /PSEN：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/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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

18、输出。3.2、AD数据采集模块 本设计为了实现高速高精度多路数据采集。特选用TI公司的12 位 66kSPS ADC 串行输出，可编程 MSB/LSB 优先，可编程断电/输出数据长度，11 通道的TLC2543。TLC2543的资料PDF可从3.2.1、TLC2543引脚介绍TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。图3.2 tlc2543引脚AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于5

19、0；CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入；DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平；EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降

20、沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输； VCC、GND：电源正端、地；REF、REF：正、负基准电压端。通常REF接VCC，REF接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差；I/O CLOCK：时钟输入/输出端。3.2.2、TLC2543工作时序TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。时序如图3.3所示。图3.3 TLC2543工作时序以MSB为前导， 用CS进行12个时钟传送的工作时序如图3.4。图3.4 MSB为前导， 用CS进行12个时钟传送的工作时序从时序图可以看出，在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程

21、，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻态。3.2.3、转换过程上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，CS片选为高，I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT 呈高阻状，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时

22、钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10s，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。3.3、液晶显示模块本系统采用液晶LCD

23、1602显示通道以及采样值。并且实时更新新的采样数据。以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。 液晶采用固定指令，先按照PDF连接好后再写入控制指令，设置好屏幕清除光标显示以及屏幕的移动在实物中把液晶可见度调节至最佳，将数据更新在LCD1602上，如图3.5。图3.5 液晶显示模块3.4、键盘模块本题的扩展部分采用键盘控制通道以及显示通道采样值。在程序中应用循环扫描按键，再更新相应数据。图3.6 键盘模块4 软件设计本作品主要核心器件为TLC1543，用AT89C52来控制总体，并且把采样的串行数据更新在LCD1602上面，并且显示相应通道。图4.1 程序流程图5 实验记

24、录与结果分析5.1 仿真流程在Keil软件中编写好C语言程序，编译生成.hex文件。图5.1 在Keil里面仿真在Protues软件中画好电路元件图，并将连线接好。点击AT89C52，将HEX文件导入单片机中。图5.2 把程序下载到单片机中5.2、仿真结果图5.3 输入通道值图5.4 液晶显示采样值6 心得体会首先通过此次课程设计,让我们对所学的计算机控制技术理论知识更加熟悉了解,对理论学习时没有掌握牢固的一些知识以及一些在学习中存在的漏洞进行学习并加以弥补,也让我们明白学习一门课程就要认真地对待,掌握牢固,并要在实践中加以运用。只有能运用自如的知识才是属于自己的东西。  

25、第二通过这次课程设计，我学会了单片机完成某一项功能，需要从两个方面入手：一是软件的实现即汇编语言程序的编写，二是硬件电路的实现。两方面比较，程序编写时相对较难的一部分。我认为这是一个建模的过程，即将实际的控制问题转换成我们所熟悉的数学模型，这是一个很抽象的问题，有时真的是难以想象。所以我们觉得这种困难最好的解决办法就是通过平时的积累，多多学习。 此次设计培养了我对于计算机控制设计的一些兴趣，当 己的阅历。 当出现问题，通过自己查找资料检查电路之后排除问题的过程也锻炼了我们对于学习的一种深入和坚持，锻炼了我们独立思考的能力和最初的创新意识，让我们真正体会到学习的乐趣

26、。  第四，我们再次巩固了一些以前的东西，仿真软件的运用，课程设计的书写，计算机的一些应用软件的应用，以及对word的了解也更深入了。最后一点，也使最深刻的体会，就是在设计过程中，基本上用到的都是我们学过的一些原理，所以学以致用在这次设计中可谓体现的淋漓尽致，要把所学的知识联系起来综合运用。这些都将成为我们以后的工作学习的铺路石，使我们在大学里收获的最实用的东西，而不是仅仅只是纸上谈兵，而是通过我亲自动手来完成的经验对我来说都是一笔财富，所以这次能力拓展课程设计对我来说绝对是一次难得的锻炼的机会。参考文献1李群芳,张士军,黄建 单片微型计算机与接口技术 电子工业出版社200

27、82 李群芳 单片机原理接口与应用 清华大学出版社 20053张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术 国防工业出版社 19994高峰 单片微机应用系统设计及使用技术 机械工业出版社 20075彭伟.单片机 C语音程序设计实例基于protues仿真 电子工业出版社20076郭惠 单片机C语言程序设计完全自学手册 电子工业出版社 20087刘瑞新等 单片机原理及应用教程 机械工业出版社 20038 黄根春 全国大学生电子设计竞赛教程 电子工业出版社 2011附录一：总体电路图附录二：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define

28、uchar unsigned char#define uint unsigned int/*下面是引脚连接关系*/sbit AD_EOC =P24; /*转换完成指示*/sbit AD_IOCLK =P23; /*时 钟*/sbit AD_DATIN =P22; /*数据入*/sbit AD_DATOUT=P21; /*数据出*/sbit AD_CS =P20; /*片 选*/uint ad_result; /*存各模拟通道的数据*/sbit E=P27;sbit rs=P26;sbit rw=P25;sbit S1=P30;sbit S2=P31;sbit S3=P32;sbit S4=P3

29、3;sbit S5=P34;sbit S6=P35;sbit S7=P36;sbit S8=P37;sbit S9=P15;sbit S10=P16;sbit S11=P17;uchar code zengzhen="wuhanligongdaxue"uchar code zengzhen1="Cha : mV "uint i,j;uchar sum;void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-); void write_com(uchar com) rs=0; r

30、w=0; P0=com; E=0; delay(1); E=1; delay(1); E=0; void write_date(uchar date) rs=1; rw=0; P0=date; E=0; delay(1); E=1; delay(1); E=0;void init() E=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); void display(uint k,uchar add) uchar a,b,c,d; float j=k*5.0/4.095; uint i=j/1; a=i/1

31、000; b=i%1000/100; c=i%100/10; d=i%10; write_com(add); write_date(a+0x30); write_date(b+0x30); write_date(c+0x30); write_date(d+0x30); delay(300);/*显示程序*/*启动A/D转换,并读取上次转换结果*/ uint read2543(CHN)uchar i,temp;uint read_ad_data = 0;CHN=CHN<<4;AD_IOCLK=0;AD_CS=1;AD_CS=0;temp=CHN;for(i=0;i<12;i+)

32、 read_ad_data=read_ad_data<<1; if(temp&0x80)!=0)AD_DATIN=1; elseAD_DATIN=0; if(AD_DATOUT)read_ad_data=read_ad_data+1; AD_IOCLK =1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); AD_IOCLK =0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); temp=temp<<1;AD_CS=1;read_ad_data=read_ad_data&0x0fff;return(read_ad_d

33、ata);/*主 程序*/void scan() if(S1=0) delay(5); if(S1=0) while(!S1); sum=1; if(S2=0) delay(5); if(S2=0) while(!S2); sum=2; if(S3=0) delay(5); if(S3=0) while(!S3); sum=3; if(S4=0) delay(5); if(S4=0) while(!S4); sum=4; if(S5=0) delay(5); if(S5=0) while(!S5); sum=5; if(S6=0) delay(5); if(S6=0) while(!S6);

34、sum=6; if(S7=0) delay(5); if(S7=0) while(!S7); sum=7; if(S8=0) delay(5); if(S8=0) while(!S8); sum=8; if(S9=0) delay(5); if(S9=0) while(!S9); sum=9; if(S10=0) delay(5); if(S10=0) while(!S10); sum=10; if(S11=0) delay(5); if(S11=0) while(!S11); sum=11; void fw() write_com(0x80+0x40+2);for(j=0;j<12;j

35、+) write_date(zengzhen1j); delay(5);void main(void) uchar h ;uint s=0; init();delay(23);write_com(0x80);for(j=0;j<16;j+) write_date(zengzhenj); delay(5);write_com(0x80+0x40+2);for(j=0;j<12;j+) write_date(zengzhen1j); delay(5);while(1) if(sum=11) scan(); if(sum!=11) fw(); scan(); if(sum=1) for(

36、h=0;h<15;h+) ad_result=read2543(0); while(!AD_EOC); s+=ad_result; s=s/15; write_com(0x80+0x40+5); write_date(0+0x30); display(s,0x80+0x40+7); s=0; if(sum=2) for(h=0;h<15;h+) ad_result=read2543(1); while(!AD_EOC); s+=ad_result; s=s/15; write_com(0x80+0x40+5); write_date(1+0x30); display(s,0x80+

37、0x40+7); s=0; if(sum=3) for(h=0;h<15;h+) ad_result=read2543(2); while(!AD_EOC); s+=ad_result; s=s/15; write_com(0x80+0x40+5); write_date(2+0x30); display(s,0x80+0x40+7); s=0; if(sum=4) for(h=0;h<15;h+) ad_result=read2543(3); while(!AD_EOC); s+=ad_result; s=s/15; write_com(0x80+0x40+5); write_date(3+0x30); display(s,0x80+0x40+7); s=0; if(sum=5) for(h=0;h<15;h+) ad_result=read2543(4); while(!AD_EOC); s+=ad_result; s=s/15; write_com(0x80+0x40+5);