【《某单片机数字电压表系统的硬件分析设计案例》2800字】

某单片机数字电压表系统的硬件分析设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20709某单片机数字电压表系统的硬件分析设计案例 194771.1单片机主控模块的设计 1131301.1.1AT89S52单片机介绍 1268761.1.2单片机最小系统 2258771.2信号处理电路设计 374681.2.1过压保护电路 392091.2.2比较器和继电器 396751.2.3工作过程 4131431.3数据采样模块设计 442521.1.1ADC0809转换芯片的介绍 4272071.1.2A/D转换电路 5161951.4显示电路设计 6140811.5电源电路设计 61.1单片机主控模块的设计1.1.1AT89S52单片机介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52单片机实物图和引脚图如图3-1所示。图3-1AT89S52单片机实物图与引脚图1.1.2单片机最小系统单片机最小系统，即一个可工作的单片机系统用的是最少的元件，它也可以叫做最小应用系统。定义中的51单片机最小系统包括：单片机、时钟电路、复位电路。单片机最小系统电路图如图3-2所示。时钟脉冲电路：这种新的时钟脉冲控制电路一般能够给整个单片机系统带来一定的时钟脉冲。图3-2中可以看出18和19引脚连接时钟电路的两端。我们使用两个33pF电容器，帮助晶体振荡器电路输出稳定的脉冲，达到极佳的滤波效果。复位电路：复位电路类似于手机的强制重启功能，如果一台在使用中遇到屏幕失灵或者黑屏死机，长按开机键数秒便会执行手机重启操作，手机程序从头进行。在图3-2中可以看到，单片机的第9号引脚接着整个复位电路，主要是由一个10uF的电容和10KΩ的电阻并联构成。其主要原理是当单片机系统开始通电，在系统启动时会进行一次复位，即上电复位。同时程序也会从头进行。图32单片机最小系统电路图1.2信号处理电路设计信号处理电路主要有过压保护电路、比较器和继电器组成。信号处理电路图如图3-3所示。1.2.1过压保护电路过压保护也叫过电压保护，是当电压超过预定的最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式。本次电压表中的过压保护电路采用稳压二极管来制成的稳压器或电压基准元件，因为这类二极管是利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象而制成的起稳压作用的二极管。1.2.2比较器和继电器1、比较器比较器的主要工作原理就是两个输入端之间的电压如果经过零时就会导致输出的运行状态发生变化，由于输入端有时候也可能会出现一个很小的输入电压，而这些输入电压也可能会直接引起比较器的输出发生变化，为了避免这种情况，新型的比较器通常需要具有几毫伏的滞回电压。例如，当“+”输入端的电压远远大于“-”输入端时，该比较器就会输出一个高电平，反之输出低电平。2、继电器继电器是一种具有隔离和保护功能的一种自动开关元件，当输入和回路中电压变化大于规定值时，能够实现对输出和回路中电压变化进行自动控制。它的工作原理主要是利用负载回路所产生的电磁吸力，通过一种机械方式来传递，带动整个回路之间的闭合，从而促进负载回路的工作。1.2.3工作过程在图3-3中是用比较器和继电器当作模拟开关来实现了输入量程的自动转换。首先对输入电压进行一个分压，而这个分压是通过1MΩ的电阻和100KΩ的电阻串联来实现的，然后进入比较器“+”的输入端，而流入“-”的输入端的是+5V的固定电压通过1MΩ的电阻和100KΩ的电阻串联而形成的电压，当一个比较器的“+”输入超过“-”的输入端时，比较器会输出一定的高电平，三极管导通，继电器与下面的引脚进行契合，然后将其构成回路，把V_H的电压传送到采集芯片，也就是说实现了一个大量程的转换；反之，当比较器输出一个低电平，三极管就不会导通，继电器与上面的引脚契合，这样继电器就会接收到输入电压通过220KΩ和1MΩ的电阻串联分压所产生的V_L电压，然后送入采集芯片，这样就选择了0-5V的量程。图33信号处理电路图1.3数据采样模块设计数据采集模块主要由ADC0809芯片组成。1.1.1ADC0809转换芯片的介绍ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其中每路A/D模数转换的运行时间大约为100μs，模拟信号在电源下输入的各个输出电压变化转换范围大约从0V变换到5V，由8路三态模拟输入开关、地址编码锁存与信号译码器、8位A/D模数转换器和3态模拟输出信号锁定保存信号缓冲器组成部件。其中的一个任务主要目的是将模拟信号转换为数字信号，以便计算机对此数字信号模型进行数据处理、存储和显示等。ADC0809的引脚图如图3-4所示。图3-4ADC0809引脚图1.1.2A/D转换电路A/D转换电路外接电路如图3-5所示。首先地址线A、B、C接地，这样会选通IN0这一路模拟输入端，因为IN0会接收到来自信号处理电路的电压信号，接着ALE接单片机P2.4引脚，会产生一个正脉冲以锁存信号；然后当START为上升沿时将进行逐次逼近寄存器复位，而下降沿会启动A/D转换；之后EOC输出信号会变低，指示转换正在进行，当A/D转换完成的时候，EOC变为高电平，结果数据会存入锁存器；最后当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，而D0~D7就是数字信号输出端，会被接到单片机P0端，这样会把A/D转换得到的数据及时传送到单片机进行处理。图3-5A/D转换电路图1.4显示电路设计OLED显示屏主要是一种利用有机电子和自发光二极管而制作的显示屏。它的主要发光原理是在每当正极有一个足够的发光电力可以进行发光供给时，正极的空穴和两个阴极的发光电荷将通过在两个发光原色层中相互作用结合而直接产生光，红、绿、蓝RGB三种发光原色将根据它们不同的发光公式顺序进行组合产生，构成一个基本的发光颜色。除此之外，OLED显示屏还可以完成一些特定的显示功能。OLED显示电路图如图3-6所示。显示屏的3~7号引脚分别接单片机P1.0~P1.4引脚，单片机会控制显示屏进行显示被测量的电压数值、所选的量程，并且alarm部分会显示NO，另外当超过量程时OLED显示屏中的alarm部分显示YES，这就起到超量程报警的功能。图3-6OLED显示电路图1.5电源电路设计用来为各模块提供工作电压的单片机电路我们统称为工作电源模块，在本文的设计中我们所使用的AT89S52单片机需要5V的工作电压进行供电，连接在单片