基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表課程設(shè)計(jì)論文和源代碼下載

專  業(yè)  電子信息工程       姓  名   黃康       學(xué)  號(hào)2014121297   

開(kāi)題日期：    年    月    日     完成日期：  2016年  12月   3日

⑴以AT89C51單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流數(shù)字電壓表。

⑵能夠測(cè)量0-5V之間的直流電壓值。

⑶電壓顯示用4位一體的LED數(shù)碼管顯示，盡量使用較少的元器件。

⑴根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件。

⑵A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實(shí)現(xiàn),與單片機(jī)接口為P0口和P3口的高四位引腳。

⑶電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。

⑷LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P1產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2高四位產(chǎn)生。

硬件電路設(shè)計(jì)由5個(gè)部分組成;A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、測(cè)量電壓輸入電路。

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AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲(chǔ)器；全靜態(tài)工作：0-24MHz；128*8B內(nèi)部RAM；4個(gè)位可編程I/O口線；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；2個(gè)串行通道；片內(nèi)振蕩器和掉電模式。如下圖 2‑1所示。

AT89C51芯片的各引腳功能為：

P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89C51不帶外存儲(chǔ)器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89C51帶片外存儲(chǔ)器，P0.0-P0.7在CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。P0口為開(kāi)漏輸出，在作為通用I/O使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。      

P1口：這8個(gè)引腳和P0口的8個(gè)引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為 通用I/O口使用時(shí)，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。

P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。

P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同。

Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。在不訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51自動(dòng)在ALE線上輸出頻率為1/6振蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。EA:片外存儲(chǔ)器訪問(wèn)選擇線，可以控制89C51使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若EA=0，則允許使用片內(nèi)ROM,若EA=1，則只使用片外ROM。PSEN：片外ROM的選通線，在訪問(wèn)片外ROM時(shí)，89C51自動(dòng)在/PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。RST：復(fù)位線，可以使89C51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C51復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。XTAL1和XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來(lái)外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來(lái)連接89C51片內(nèi)OSC(振蕩器)的定時(shí)反饋回路。

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ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如下錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。

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下面說(shuō)明各個(gè)引腳功能:IN0-IN7（8條）：8路模擬量輸入線，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制（4條）：ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，為地址輸入線，用于選擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線，用于選擇8路模擬輸入中的一路。START：START為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線上正脈沖由CPU送來(lái)，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC:EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。OUT1-OUT8：數(shù)字量輸出端，OUT8為高位。OE：OE為輸出允許端，高電平能使D1-D8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。VREF+、VREF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。CLOCK:時(shí)鐘輸入端2.2.2ADC0808工作流程ADC0808的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器從8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。（2）送START一高脈沖，START的上升沿使逐次寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號(hào)為低電平。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使EOC信號(hào)回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。（4）當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時(shí)，使OE為高電平，則從輸出端OUT1-OUT8讀出數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號(hào)不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)計(jì)中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，即7SEG-MPX4-CC-BLUE。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個(gè)位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。7SEG-MPX4-CC-BLUE是一個(gè)共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中a，b，c，e，f，g為4位LED各段的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點(diǎn)引出端。本電路中P1口控制段選信號(hào)，P2.4-P2.7控制位選信號(hào)。如圖 2‑3所示。

譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的字段碼的方式，對(duì)于LED數(shù)碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門(mén)的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫(xiě)軟件譯碼程序，通過(guò)譯碼程序來(lái)得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中為了簡(jiǎn)化硬件線路設(shè)計(jì)，LED譯碼采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本設(shè)計(jì)采用的是共陰極LED，其對(duì)應(yīng)的字符和字段碼如下表格 1所示。

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表格 1

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74LS74這個(gè)集成塊是一個(gè)雙D觸發(fā)器，其功能比較的多，可用作寄存器，移位寄存器，振蕩器，單穩(wěn)態(tài)，分頻計(jì)數(shù)器等功能。74LS74是個(gè)雙D觸發(fā)器，把其中的一個(gè)D觸發(fā)器的Q非輸出端接到D輸入端，時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCK接時(shí)鐘輸入信號(hào)，這樣每來(lái)一次CLOCK脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，每?jī)纱蜟LOCK脈沖就會(huì)使D觸發(fā)器輸出一個(gè)完整的正方波，這就實(shí)現(xiàn)了2分頻。把同一片74LS74上的兩路D觸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，其中一個(gè)D觸發(fā)器的輸出作為另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)4分頻。如下圖圖 2‑4所示。

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經(jīng)過(guò)以上的設(shè)計(jì)過(guò)程，可設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表硬件電路;原理圖，仿真圖以及硬件電路圖如圖 2‑5所示。

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圖 2‑5

此電路的工作原理是：+5V模擬電壓信號(hào)通過(guò)變阻器VR1分壓后由ADC08008的IN0通道進(jìn)入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低電平），經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過(guò)其輸出通道D0-D7傳送給AT89C51芯片的P0口，AT89C51負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼傳送給四位LED，同時(shí)它還通過(guò)其四位I/O口P2.4、P2.5、P2.6、P2.7產(chǎn)生位選信號(hào)控制數(shù)碼管的亮滅。此外，AT89C51還控制ADC0808的工作。其中，單片機(jī)AT89C51通過(guò)定時(shí)器中斷從P3.3輸出方波，接到ADC0808的CLOCK,P3.2發(fā)正脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，P3.0檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，轉(zhuǎn)換完成后，P3.1置高從P1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給LED顯示出來(lái)。簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，就可以選取相應(yīng)的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細(xì)地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對(duì)電壓的測(cè)量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序。初始化中主要對(duì)AT89C51,ADC0808的管腳和數(shù)碼管的位選級(jí)所用的內(nèi)存單元進(jìn)行初始化設(shè)置。準(zhǔn)備工作做好后啟動(dòng)ADC0808對(duì)INO腳輸入進(jìn)的0-5V電壓模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的0-255十進(jìn)制數(shù)字量。在數(shù)據(jù)處理子程序中，編寫(xiě)算法將0-255十進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)化成0-5V的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序進(jìn)行顯示。三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，

所謂初始化，是對(duì)將要用到的MCS_51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開(kāi)中斷和打開(kāi)定時(shí)器等。流程圖如圖 3‑3所示。

啟動(dòng)ADC0808對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)判斷EOC(P3.2引腳)來(lái)確定轉(zhuǎn)換是否完成若EOC為0，則繼續(xù)等待；若EOC為1，則把OE置位，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在dispbuf。流程圖如圖 3‑1所示。

顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在定時(shí)器中斷里實(shí)現(xiàn)。測(cè)量所得A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在dispbuf數(shù)組中，測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制BCD碼。電路中P1口控制段選信號(hào)，P2.4-P2.7控制位選信號(hào)。流程圖如圖 3‑2所示。

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軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯(cuò)誤，錯(cuò)誤主要包括邏輯和功能錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。Proteus軟件可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周?chē)�電子器件一起仿真，用戶甚至可以�?shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤(pán)、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計(jì)，更為顯著點(diǎn)的特點(diǎn)是可以與Visions4工具軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，硬件電路繪制用的是Altium Designer15，而程序方面，采用的是C語(yǔ)言，用Keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。

通過(guò)以上仿真測(cè)量結(jié)果可得到簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對(duì)比測(cè)試表，

由于單片機(jī)AT89C51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時(shí)，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH），因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為0.0196V(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，從上表可看到，測(cè)試電壓一般以0.00-0.01V的幅度變化。這可能是由于程序中轉(zhuǎn)化顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候有些偏差。并且由于實(shí)際值與測(cè)量值的顯示精度有所不同，所以產(chǎn)生了誤差。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，電子課程設(shè)計(jì)——基于單片機(jī)的LED數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)計(jì)中的不足之處仍然存在。這次設(shè)計(jì)是我第一次設(shè)計(jì)電路，并用Proteus實(shí)現(xiàn)了仿真。在這過(guò)程中，我對(duì)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的使用等都有了新的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)了Altiumdesigner,Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計(jì)、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程，積累了不少經(jīng)驗(yàn)�；�于單片機(jī)的數(shù)字電壓表使用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、外接元件少。在實(shí)際應(yīng)用工作應(yīng)能好，測(cè)量電壓準(zhǔn)確，精度高。系統(tǒng)功能、指標(biāo)達(dá)到了課題的預(yù)期要求、系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了可擴(kuò)展性，經(jīng)過(guò)一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表測(cè)量一路電壓的功能，詳細(xì)說(shuō)明了從原理圖的設(shè)計(jì)、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試�？傊�這次電路的設(shè)計(jì)和仿真，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能要求。在以后的實(shí)踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方面的理論知識(shí)，并理論聯(lián)系實(shí)際，爭(zhēng)取在電路設(shè)計(jì)方面能有所提升