畢業(yè)設計（論文）基于單片機的數(shù)字電壓表設計

1、本科畢業(yè)設計論文本科畢業(yè)設計論文 題目題目：基于單片機的數(shù)字電壓表設計基于單片機的數(shù)字電壓表設計 院、院、 系：系： 光電工程學院光電工程學院 學科專業(yè)：學科專業(yè)： 光電信息工程光電信息工程 學學 生：生： 學學 號：號： 指導教師：指導教師： 2008 年 6 月 基于單片機的數(shù)字電壓表設計基于單片機的數(shù)字電壓表設計 摘摘 要要 在日常維修、教學和科研中，電壓表是不可缺少的。本課題目的就是以單 片機為基礎設計出一種結構簡單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表。 本文首先介紹了數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀及課題的目的和意義。然后，對基 于單片機的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設計原理及具體實現(xiàn)方案作以

2、詳細介紹，其中，在硬件部分，較為詳細的討論了硬件的選擇、設計原理、使 用方法和功能，同時，對各部分接口電路作以介紹；在軟件部分，介紹了軟件 所使用的編程語言和編程思路。最后，對電路調試、印刷 pcb 板的制作及系統(tǒng) 的抗干擾設計作了進一步分析和總結。 本文設計的數(shù)字電壓表，其硬件電路所用元件較少、成本低、調節(jié)簡單； 軟件采用 c 語言編程，其靈活性高，可讀性強。經過理論研究、原理設計和整 機調試，實驗結果表明，該方案可行。 關鍵詞關鍵詞：單片機； 電壓表； a/d 轉換器；串行總線 designdesign ofof digitaldigital voltagevoltage metermet

3、er basedbased onon mcumcu abstractabstract in routine maintenance, teaching and research, voltage meter is indispensable. a direct current digital voltage meter has been designed, which is based on mcu, and has a simple structure, reliable, flexible. firstly，this paper introduced the development of

4、the base on mcu digital voltage meter and the purpose and significance of topic. then in details this paper described the design principle of hardware and software systems. and in details the hardware part present a discussion in hardware selection, design principles, instructions and the function,

5、further more, some of the interface circuit have been introduced. the software part introduced the programming language and programming ideas used in codes. finally, the circuit debugging, the printed plate of pcb production and the anti-jamming system were designed to further analysis and synthesis

6、. the digital voltage meter designed here, have less components in the hardware part, lower cost and easier testing; software used c programming language which is high flexibility and strong readability. after theoretical research, principle design and debugging, the experimental results suppose it

7、is feasible of choosing this program. keywords:keywords: micromicro controllercontroller unitunit；voltagevoltage metermeter；a/da/d convertersconverters； seriesseries busbus 目錄目錄 1.1.2 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程（1） 1.1.3 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢（1） 2.2.1 硬件電路圖及工作過程簡介（4） 2.2.2 軟件程序設計簡介（6） 3.2.1 a/d 轉換芯片的選擇（7） 3.2.2 adc0809 轉換原理介紹

8、（7） 3.2.3 adc0809 芯片介紹（8） 3.2.4 adc0809 與單片機的接口方法（9） 3.3.1 單片機介紹（10） 3.3.2 采用 at89c51 的原因（10） 中文摘要中文摘要（） 英文摘要英文摘要（） 1 1 緒論緒論（1 1） 1.1 課題概述（1） 1.2 課題的意義和目的（3） 1.3 本文所作的主要工作（3） 2 2 基于單片機數(shù)字電壓表的總體設計基于單片機數(shù)字電壓表的總體設計（4 4） 2.1 設計指標（4） 2.2 系統(tǒng)概述（4） 2.3 小結（6） 3 3 基于單片機數(shù)字電壓表的硬件設計基于單片機數(shù)字電壓表的硬件設計（7 7） 3.1 器件的選擇（7

9、） 3.2 a/d 轉換電路（7） 3.3 單片機介紹（10） 3.3.3 at89c51 芯片主要性能參數(shù)（10） 3.3.4 功能介紹（10） 3.3.5 芯片管腳介紹及分配（11） 3.4.1 zlg7289 芯片介紹（13） 3.4.2 zlg7289 的主要特征（13） 3.4.3 zlg7289 引腳功能說明（14） 3.4.4 zlg7289 與單片機及數(shù)碼管的連接（15） 3.4.5 時序圖中的各項延遲時間（16） 3.4.6 控制指令（16） 3.5.1 spi 總線簡介（17） 3.5.2 spi 總線的基本結構（17） 3.5.3 數(shù)據(jù)的傳輸（18） 4.1.1 c51

10、簡介（20） 4.1.2 程序流程圖（21） 4.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設計（23） 4.1.4 數(shù)據(jù)處理模塊的設計（23） 3.4 顯示驅動單元設計（13） 3.5 spi 接口技術（17） 3.6 電壓顯示電路（19） 3.7 小結（19） 4 4 基于單片機數(shù)字電壓表的軟件設計基于單片機數(shù)字電壓表的軟件設計（2020） 4.1 軟件系統(tǒng)整體設計（20） 4.2 c51 程序（23） 4.3 小結（23） 5 5 基于單片機數(shù)字電壓表的抗干擾設計基于單片機數(shù)字電壓表的抗干擾設計（2323） 5.1 硬件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設計（23） 5.1.1 供電系統(tǒng)抗干擾措施（23） 5.1.2 接

11、地（23） 5.1.3 傳輸通道的抗干擾措施（24） 6.3.1 調試步驟（28） 6.3.2 可能出現(xiàn)的問題解答（28） 7.1 主要結論（30） 7.2 進一步工作及展望（31） 附錄附錄 （3434） 附錄 a（34） 附錄 b（39） 5.2 軟件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設計（24） 5.3 小結（24） 6 電路制作及調試電路制作及調試（2626） 6.1 pcb 板的制作（26） 6.2 系統(tǒng)外觀（27） 6.3 電路調試（28） 6.4 系統(tǒng)調試及結果分析（29） 6.4 小結（29） 7 7 結論結論（3030） 致謝致謝（3232） 參考文獻參考文獻（3333） 1 1 緒論緒論

12、 1.11.1 課題概述課題概述 1.1.1.1.2 2 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程 數(shù)字電壓表簡稱 dvm，它是采用數(shù)字化測量技術設計的電壓表。從性能來 看：數(shù)字電壓表的發(fā)展從一九五二年美國 nls 公司由四位電子管數(shù)字電壓表精 度千分之一到現(xiàn)在已經出現(xiàn) 8 位數(shù)字電壓表。參數(shù)可測量直流電壓、交流電壓、 電流、阻抗等。測量自動化程度不斷提高，可以和計算機配合顯示、計算結果、 然后打印出來。目前世界上美國 fluke 公司，在直流和低頻交流電量的校準 領域居國際先進水平。例如該公司生產的“4700a”多功能校準器和“8505” 危機數(shù)字多用電壓表，可用 8 位顯示，直流精度可達到

13、5/10-6，讀書分辨力 為 0.1v。帶有 a/d 變換模式、數(shù)據(jù)輸出接口形式 ieee-488。具有比率測量軟 件校準和有交流電阻、電流選件。還具有高精度電壓校準器“5400a” 、 “5200a” 、 “5450a”等數(shù)字儀表，都是作為一級計量站和國家級計量站使用的標準儀表。 還有英國的“7055”數(shù)字電壓表采用脈沖調制技術。日本橫河公司的“2501” 型采用三次采樣等等在不斷的蓬勃發(fā)展1。 從發(fā)展過程來看：數(shù)字電壓表自 1952 年問世以來，已有 50 年多年的發(fā)展 史，大致經歷了五代產品。第一代產品是 20 世紀 50 年代問世的電子管數(shù)字電 壓表，第二代產品屬于 20 世紀 60

14、年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三帶產品 為 20 世紀 70 年代研制的中、小規(guī)模集成電路的數(shù)字電壓表。今年來，國內外 相繼推出有大規(guī)模集成電路（lsi）或超大規(guī)模集成電路（vlsi）構成的數(shù)字 電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產品。它們不僅開創(chuàng)了電 子測量的先河，更以高準確度、高可靠性、高分辨力、高性價比等優(yōu)良特性而 受到人民的青睞2。 1.1.31.1.3 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 數(shù)字電壓表作為電壓表的一個分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構成數(shù) 字電壓表的核心器件已從早期的中小規(guī)模電路跨入到大規(guī)模 asic(專用集成電 路)階段。數(shù)字電壓表涉及的范圍也從

15、傳統(tǒng)的測量擴展至自動控制、傳感、通信 等領域，展示了廣闊的應用前景。 傳統(tǒng)電壓表的設計思路主要分為：用電流計和電阻構成的電壓表；用中小 規(guī)模集成電路構成的電壓表；用大規(guī)模 asic(專用集成電路)構成的電壓表。這 幾中電壓表設計方式各有優(yōu)勢和缺點，分別適用于幾種特定的應用環(huán)境，同時， 也為很多新穎的電壓表的設計所借鑒和依據(jù)2。 近入 21 世紀，隨著信息技術一日千里的發(fā)展，電壓表也必經歷從單一測量 向數(shù)據(jù)處理、自動控制等多功能過度的這一歷程，特別是計算機技術的發(fā)展必 將出現(xiàn)智能化技術。因此，把電壓表和計算機技術相結合的智能化電壓表就將 成為 21 世紀的新課題。目前，數(shù)字化儀器與微處理器取得令

16、人矚目的進展，就 其技術背景而言，一個內藏微處理器的儀表意味著計算機技術向儀器儀表的移 植，它所具有的軟件功能使儀器 呈現(xiàn)出有某種延伸，強化的作用。這相對于過 去傳統(tǒng)的、純硬件的儀器來說是一種新的突破，其發(fā)展?jié)摿κ志薮?，這已為 70 年代以來儀表發(fā)展的歷史所證實。概括起來，具有微處理器的儀表具有以下 特點：測量過程的軟件控制對測量數(shù)據(jù)進行存儲及運算的數(shù)據(jù)處理功能是儀 表最突出的特點；在儀器的測量過程中綜合了軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能，使 一機多用或儀器的多功能化易于實現(xiàn)，成為這類儀器的又一特點；以其軟件 為主體的智能儀器不僅在使用方便、功能多樣化等方面呈現(xiàn)很大的靈活性3。 下面從 5 個方面闡述

17、新型數(shù)字儀表的發(fā)展趨向。 (1).廣泛采用新技術，不斷開發(fā)新產品 隨著科學技術的發(fā)展，新技術的廣泛應用，新器件的不斷出現(xiàn)。首先是 a/d 轉換器：20 世紀 90 年代世界各國相繼研發(fā)了新的 a/d 轉換技術。例如，四 斜率 a/d 轉換技術（美國） 、余數(shù)再循環(huán)技術（美國） 、自動校準技術（英國） 、 固態(tài)真有效值轉換技術（英國） 、約瑟夫森效應基準源（2 個納米穩(wěn)定度） 、智 能化專用芯片（80c51 系列，荷蘭）等，這些新技術使數(shù)字電壓表向高準確度、 高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展。另外，集成電路的發(fā)展使電壓表只在外 圍配置少量元器件，即可構成完整的智能儀表，可以完成儲存、計算、比較、

18、 控制等多項功能4。 (2).廣泛采用新工藝 新一代數(shù)字儀表正朝著標準模塊化的方向發(fā)展。預計在不久的將來，更多 的數(shù)字儀表將由標準化、通用化、系列化的模塊所構成，給電路設計、安裝調 試和維修帶來極大方便。 (3).多從顯示儀表 為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術難題；“數(shù)字/模擬條圖” 雙顯示儀表已成為國際流行款式，它兼有數(shù)字儀表準確度高、模擬式儀表便于 觀察被測量的變化過程及變化趨勢這兩大優(yōu)點。 (4).提高安全性 儀器儀表在設計和使用中的安全性，對生產廠家和廣大用戶都至關重要。 一方面廠家必須為儀表設計安全保護電路，并使之符合國家標準；另一方面用 戶必須安全操作，時刻注意儀表上的

19、各種安全警告指示。 (5).操作簡單化 集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元件，即可構成完整的智能儀 表，可以完成儲存、計算、比較、控制等多項功能。這使的按鍵變少，操作簡 單。但是數(shù)字電壓表并不能完全取代指針式的電壓表，在反映電壓的連續(xù)變化 和變化趨勢方面不如指針表的直觀。為克服這種缺憾，20 世紀 90 年代初，一 種“數(shù)字/光柱”的雙重顯示儀表已經出現(xiàn)，并成功地應用于生產實踐中5。 綜上所述，十幾年來智能儀器雖然有了很大的發(fā)展，但總的看來，人們還 是較習慣于從硬件的角度做工作，這是由于設計者的（硬件）技術背景，lsi 器件不斷迅速更新的沖擊以及在現(xiàn)階段儀器硬件更新的數(shù)量還很大等因素所造

20、 成的。這種趨勢雖然仍會繼續(xù)下去，但從智能儀表的內涵，從軟件的角度上看， 軟件的作用還遠未發(fā)揮出來，這里有許多的領域等待著去開發(fā)。智能儀表最終 必然會與人工智能聯(lián)系起來開創(chuàng)出全新的儀器。從這個觀點看，目前的智能儀 器尚處于“幼年時期” 。所以，就儀表的發(fā)展看來電壓表會朝著具有微控制處理 單元的智能儀表方向發(fā)展。 1.1.2 2 課題的意義和目的課題的意義和目的 數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎。以數(shù)字電壓表為核心，可以 擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫 度計，濕度計，酸度計，重量，厚度儀等） ，幾乎覆蓋了電子電工測量，工業(yè)測 量，自動化儀表等各個領域。

21、除此之外，數(shù)字電壓還有著傳統(tǒng)指針電壓表無可 比擬的優(yōu)點：讀數(shù)直觀、準確，顯示范圍寬、分辨力高，轉入阻抗高，功耗小、 抗干擾強等3。因此 對數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。但是傳統(tǒng) 的數(shù)字電壓表設計通常以大規(guī)模 asic(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量 中規(guī)模集成電路及顯示器件構成，可是這種設計方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定， 難以更新擴展，不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求6。而應用微處理器（單片 機）為核心單元的數(shù)字電壓表，其靈活性高、系統(tǒng)功能擴展簡單，性能穩(wěn)定可 靠。在這些背景下，設計一種以單片機為基礎、結構簡單、工作可靠、靈活性 好的數(shù)字電壓表是很有意義的。 1.31.3 本文所作

22、的主要工作本文所作的主要工作 1對系統(tǒng)總體框架進行分析，根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標，設計基于單片機 的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)，以模塊設計法為依據(jù)進行系統(tǒng)各個部分的具體設計。 2設計基于單片機的數(shù)字控制系統(tǒng)，發(fā)揮單片機的處理功能強大，運算速 度快的特點，對被測電壓進行實時檢測和顯示。 3制作印刷電路板，使硬件電路的設計更加清晰，同時使系統(tǒng)的抗干擾能 力進一不加強。 4針對系統(tǒng)的總體框架和硬件設計的特點，設計相應的軟件系統(tǒng)，更合理 的去完成系統(tǒng)測電壓的目的。 5對系統(tǒng)進行整機調試，使得基于單片機的數(shù)字電壓表的實驗結果盡可能 的滿足設計指標。 2 2 基于單片機數(shù)字電壓表的總體設計基于單片機數(shù)字電壓表的總

23、體設計 2.12.1 設計指標設計指標 在日常維修、教學和科研中，電壓表是不可缺少的，傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設 計通常以大規(guī)模 asic(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路 及顯示器件構成，但是這種設計方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴展， 不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求。而應用微處理器（單片機）為核心單元， 其靈活性高、系統(tǒng)功能擴展簡單，性能穩(wěn)定可靠。本課題目的就是以單片機為 基礎設計出一種結構簡單、工作可靠、靈活性好的直流數(shù)字電壓表。要求數(shù)字 電壓表精度為0.05v，測量范圍為 05v。 2.22.2 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 本課題所設計的數(shù)字電壓表主要包括兩部分：硬件電路及軟件程

24、序。而硬 件電路采用 atmel 公司的 at89c51 作為主處理器，系統(tǒng)主要由信號采集、a/d 轉換、數(shù)據(jù)處理輸出、驅動顯示等幾個功能模塊組成。各部分電路的設計及原 理將會在硬件電路設計部分詳細介紹；程序的設計使用 c 語言編程，利用 keil 軟件對其編譯和仿真，詳細的設計算法將會在程序設計部分詳細介紹。 系統(tǒng)框圖（圖 2.1）如下： 圖 2.1 硬件原理框圖 被測直流電壓由 a/d 轉換單元采集后被量化，再由單片機對 a/d 轉換的結 果進行標度變換，得到被測電壓的數(shù)值，通過單片機對數(shù)次轉換結果求平均值、 并通過 soi 串行數(shù)據(jù)接口把所求平均值輸出給顯示驅動單元，由該單元完成譯 碼，

25、并驅動數(shù)碼管顯示。 2.2.12.2.1 硬件電路圖及工作過程簡介硬件電路圖及工作過程簡介 電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)模擬的電壓量經 a/d 轉化后變?yōu)椴贿B續(xù)的離散的 數(shù)字量并加以顯示7。在設計過程中采用分模塊設計，按照圖 2.1 把電路分 a/d 轉換、數(shù)據(jù)處理輸出、驅動、顯示四個單元，分別設計。 被測電壓 a/d 轉換 單元 數(shù)據(jù)處 理單元 顯示驅 動單元 顯示 單元 a/d 轉換器選用的是八位模/數(shù)轉換器 adc0809。其次，計算機中的數(shù)字都 是十六進制數(shù)，而我們習慣于十進制數(shù)的讀寫，因此，在軟件設計中則要把十 六進制數(shù)轉換成十進制數(shù)。在顯示的時候也是如此。本裝置的輸出用四位 led 顯示

26、，因此在軟件設計中還要解決數(shù)字輸出與 led 的接口問題。硬件則需要將 輸出線接到八段數(shù)碼管上8。 數(shù)值顯示采用八段數(shù)碼管，由單片機以動態(tài)掃描方式驅動，在此方式下能 保證足夠的亮度和較長的使用壽命。 由電路原理圖 2.2 可以看出 adc0809 通過 in0 采集電壓信號并送給單片機， 單片機將采集來的信號進行一定的處理然后通過串口擴展的共陰極 led 數(shù)碼管 顯示采集的電壓值。 數(shù)碼管顯示是采用動態(tài)顯示的原理，要顯示的數(shù)碼通過單片機的串口發(fā)送 然后通過 zlg7289 轉換為并行信號分別加到四個數(shù)碼管的 sadp，而四個數(shù)碼 管的公共端分別接 zlg7289 的 dig0-dig3 接口，

27、因此要使哪個數(shù)碼管顯示就把 相應 的公共端口置零即可。比如：數(shù)字“1”的字型碼通過串口發(fā)送出來并經過 zlg7289 譯碼加到了四個數(shù)碼管上，如果其中一個引腳為“0”那么對應的數(shù)碼 管顯示數(shù)字“1” 。在此電路中電壓值的三個數(shù)字分別通過串口依次的送出，對 應的公共端也依次被置“0” ，由于兩次置“0”的時間間隔很短，由于人的視覺 暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但 只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 因此給人的感覺就是三個數(shù)碼管同時的顯示出電壓值四個數(shù)字5。 數(shù)字電壓表電路圖如圖數(shù)字電壓表電路圖如圖 2.22.2 所示：所示

28、： 圖 2.2 電路原理圖 adc0809 的 ref（-）接地，ref（+）接電源+5v，因此采集電壓的范圍是 05v，a/d 轉換輸出的結果 d0d7 為 8 位二進制數(shù)。轉換輸出的結果在 0255 之間分別對應著 0+5v 之間的 256 個電壓值，因此單片機必須把 a/d 轉換輸出的結果轉換成可以顯示的電壓值，具體的方法是： （2.1） 由上公式可知：當 adc0809 輸出為（11111111）b時，輸入電壓值 vin=5.00v；當 adc0809 輸出為（00000000）b時，輸入電壓值 vin=0.00v；當 adc0809 輸出為（10000000）b時，輸入電壓值 vin

29、=2.50v，但是單片機在進行 數(shù)學運算時結果只讀取整數(shù)部分，因此當輸出為（10000000）b時計算得來的電 壓值 vin=2.00v。由此可以看出這樣運算的輸出結果很不準確，在 0+5v 之間 只有 0，1，2，3，4，5 六個電壓值，所以必須把單片機運算結果中的小數(shù)部分 保留下來8。具體方法是：如果保留小數(shù)點后兩位，在運算的時候分子乘以 100，保留三位就乘以 1000。小數(shù)點后保留兩位的公式如下： （2.2） 由新公式可知當 adc0809 輸出位（10000000）b 時，單片機運算結果為 2500。然后單片機將 250 除以 10 得到商為 250，余數(shù)為 0，再將 250 除以

30、10 得 到商為 25，余數(shù)為 0，再將 25 除以 10 得到商為 2，余數(shù)為 5。這樣就可以得到 電壓值的四個數(shù)字，最后分別將 2、5、0、0 四個數(shù)通過串口送出，顯示在四個 數(shù)碼管上，并且把第一個數(shù)碼管的 dp 腳（即小數(shù)點）直接接地使其一直發(fā)亮， 那么數(shù)碼管上就可以顯示輸入的電壓值“2.500” 5。 2.2.22.2.2 軟件程序設計簡介軟件程序設計簡介 開機后首先初始化，使數(shù)碼管顯示為“0.000”然后調用 a/d 轉換子程序啟 動 ad 轉換器，單片機等待查詢轉換結束信號，如果有信號則通過并行口讀取轉 換數(shù)據(jù)并存儲，就這樣連著讀取五次數(shù)據(jù)后求平均值，再按上面的方法通過串 行口把數(shù)

31、據(jù)傳輸出，經譯碼在數(shù)碼管顯示。具體方法和程序見程序設計部分和 附錄。 2.32.3 小結小結 在電路設計和軟件設計中都采用了分模塊設計，這種設計方法清晰的電路 的功能，為設計和以后的調試和維修帶來了極大的方便。特別是在軟件設計中， 51 1000 10005 255 doutdout vin 5 255 dout vin 這中方法曾強了程序的可移植性，為以后的功能擴展奠定了基礎。 3 3 基于單片機數(shù)字電壓表的硬件設計基于單片機數(shù)字電壓表的硬件設計 3.13.1 器件的選擇器件的選擇 模數(shù)轉換器選用 adc0809 單片機用 at89c51 顯示驅動用 zlg7289 數(shù)碼管用四位共陰級 le

32、d（sm420364） 退耦電容 100nf 無極性電容和 100f 的電解電容 位電容用 10f 的電解電容 零歐電阻 限流電阻 共陰極八段數(shù)碼管 sm420364 3.23.2 a/da/d 轉換電路轉換電路 3.2.13.2.1 a/da/d 轉換芯片的選擇轉換芯片的選擇 a/d 轉換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機通過 a/d 轉換器把輸 入模擬量變成數(shù)字量再處理。 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經生產出了多種型號的 a/d 轉換器，以滿足不同應用場合的需要。如果按照轉換原理劃分，主要有 3 種類 型，即雙積分式 a/d 轉換器、逐次逼近式 a/d 轉換器和并行式 a/

33、d 轉換器。目 前最常用的是雙積分和逐次逼近式。 雙積分式 a/d 轉換器具有抗干擾能力強、轉換精度高、價格便宜等優(yōu)點， 比如 icl71xx 系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分 相比，逐次逼近式 a/d 轉換的轉換速度更快，而且精度更高，比如 adc0808、adc0809 等，它們通常具有 8 路模擬選通開關及地址譯碼、鎖存電路 等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機進行分析和顯示9。 本設計中，要求精度小于 0.5%，則選用分辨率為 8 位的芯片，如 adc0809，adc0801，adc0808 就能滿足設計要求。本電路采用 adc0809。 cpgo a

34、dif=1 數(shù)字量輸出 us 被測電壓 ui 3.2.23.2.2 adc0809adc0809 轉換原理介紹轉換原理介紹 adc 是一種基本的外圍擴展器件，其種類很多，工作原理也不僅相同，比 較有代表性的是：單積分型，雙積分型，脈寬調制型和逐次比較型（逐次逼近 型） 。從產品性價比、轉換速度和精度等方面綜合分析，逐次比較型 adc 是相對 應用比較廣的類型之一。所以有著廣泛的應用10。 逐次逼近型 adc 實際采用的方法上從高到底開始逐位設定，比較模擬量輸 出，再來確定原設定位的正確與否。逐次比較型 adc 原理結構如圖 2.3 所示。 其主要由采集保持電路、電壓比較器、逐次比較寄存器、數(shù)/

35、模轉換器 adc 和鎖 存器等部分組成。 + _ 圖 2.3 逐次比較型 adc 結構 其工作原理如下： 首先，被測模擬電壓 ui通過逐次比較寄存器，將傳遞進的脈沖 cp 信號轉 換成數(shù)字信號，該數(shù)字量再經過數(shù)/模轉換器生成對應的模擬量us。當獲得模擬 量 us的數(shù)值達到并接近被測電壓所對應ui后，就可以檢測出電壓比較器完成最后的反轉。 此時，逐次比較積存器的計數(shù)值就是被測電壓ui所對應的數(shù)字量，從而完成模擬量的轉換。 以上的分析表明，逐次比較的模/數(shù)轉換方法，歸根到底是數(shù)/模轉換，采用逐次與 模擬量進行比較后得到最終的數(shù)字標定值11。 3.2.33.2.3 adc0809adc0809 芯片

36、介紹芯片介紹 adc0809 是一種 8 位逐次逼近型 a/d 轉換器。帶 8 個模擬量輸入通道，芯 片內有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動信號為脈沖啟動方 式，每個通道的轉換時間大約為 100s，可以和單片機直接接口9。 adc0809 的引腳圖和內部邏輯結構如圖 2.4 所示。 逐次比較 寄存器 寄 存 器 模/數(shù)轉換 圖圖 2.32.3 圖 2.4 由圖 1（b）可知，adc0809 由一個 8 路模擬開關，一個地址鎖存與譯碼器、 一個 8 位 a/d 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通 8 個模擬通 道 in0in7，允許 8 路模擬分量輸入，共用 a/d 轉

37、換器 進行轉換。三態(tài)輸出 鎖存器用于鎖存 a/d 轉換完的數(shù)字量，當 oe 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出 鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。 in0in7：8 條模擬量輸入通道。adc0809 對輸入模擬量的要求是信號單極 性，電壓范圍是 05v，若信號太小，必須進行放大：輸入的模擬量在轉換過 程中應保持不變，如若模擬信號變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4 條，ale 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ale 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 a，b，c 三條地址線的地址信號進行 鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉化器進行轉換。a，b，c 為地址輸 入線，用于選通

38、in0in7 上的一路模擬量輸入。通道選擇如表 2.1 所示。 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條。 start 為上跳沿時，所有內部寄存器清零； 下跳沿時，開始進行 a/d 轉換：在轉換 期間，start 應保持底電平。eoc 為轉換 結束信號。當 eoc 為高電平時，表明轉 換結束：否則，表明正在進行 a/d 轉換。 oe 為輸出允許信號，用于控制三條輸出 鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。 oe=1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸 出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0 為數(shù)字量 輸出線。 clk 為時鐘輸入信號線。由于 adc0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘 信號必須由外界提供，通常使用頻率

39、為 500khz，最大不能超過 1280khz11。 vref（+） ，vref（-）為參考電壓輸入，決定了輸入模擬量的范圍。一般情 況 vref（-）接地，vref（+）接+5v 電源。 3.2.43.2.4 adc0809adc0809 與單片機的接口方法與單片機的接口方法 電路原理圖 2.2 可以看出 adc0809 的數(shù)據(jù) d0d7 直接與單片機的總線 p0 相連。模擬輸入通道地址 a、b、c 直接接地，因此 adc0809 只對通道 in0 輸入 的電壓進行模數(shù)轉換，其他通道直接接地（接地的目的主要是為了減少輸入噪 聲，一般情況對于模數(shù)轉換芯片中沒用到的模擬輸入端都這樣處理） 。時鐘

40、 clk 由單片機的 ale 取得，對于晶振為 12mhz 的單片機 ale 輸出為 2mhz 的方波，但 前面提到 adc0809 的時鐘頻率一般為 500khz，最大能超過 1280khz，但在實際 應用中 2mhz 的信號也可以使 adc0809 正常工作。start、ale 和 oe 分別由單片 機的 wr、rd 和 p2.7 經或非門接入、這樣主要是滿足 adc0809 的信號電平與時 序的要求。按此圖中的片選接法。adc0809 通道in0 的地址為 7fffh。 由于 eoc 未接入單片機，故只能采用延時等待的方法來讀取 a/d 轉換的結 果（即當單片機啟動 adc0809 后延

41、時一段時間再主動去讀 adc0809 的轉換結果） 。 但是如果單片機在進行 a/d 轉換時還要執(zhí)行其他的程序可以將 eoc 接在單片機 的中斷上，這樣當 a/d 轉換完后 eoc 可以對單片機產生中斷使其讀取 a/d 轉換 的結果，這樣做單片機的使用效率更高。 3.33.3 單片機介紹單片機介紹 3.3.13.3.1 單片機介紹單片機介紹 單片微型計算機簡稱單片機，又稱微型控制或嵌入式控制器，是將計算機 的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機。單片機有著體積小，功耗 低，功能強，性能價格比高、易于推廣應用等顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能 化儀器儀表、過程控制和家用電器等領域得到日益廣泛的

42、應用。 3.3.23.3.2 采用采用 at89c51at89c51 的原因的原因 在眾多的 51 系列單片機中，要算 atmel 公司的 at89c51 更實用，它是由 北京集成電路設計中心在 msc-51 單片機的基礎上精心設計，由美國生產的至今 為止世界上最新型的高性能八位單片機。它不但和 8051 指令、管腳完全兼容， 而且其片內的 4k 程序存儲器是 flash 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電 的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 atmel at89cx 做的編程器均帶有這些功能。 顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短12。 3.3.33.3.3 at89c

43、51at89c51 芯片主要性能參數(shù)芯片主要性能參數(shù) 與 mcs51 產品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)的可重擦寫 flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz24hz 三級加密程序存儲器 1288 字節(jié)內部 ram 32 個可編程 i/o 口線 2 個 16 位定時/記數(shù)器 6 個中斷源 可編程串行 uart 通道 底功耗空閑和掉電模式 圖 2.5 at89c51 管腳分 3.3.43.3.4 功能介紹功能介紹 at89c51 是一種低損耗、高性能、cmos 八位微處理器，片內有 4k 字節(jié)的 在線可重復編程快擦快寫存儲器，能重復寫入/擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為 十

44、年。它與 mcs-51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 mcs-51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 mcs-51 單片機，而且能使系統(tǒng)具 有許多 mcs-51 系列產品沒有的功能。at89c51 可構成真正的單片機最小應用系 統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于 4k，四個 i/o 口全部提供給用戶?？捎?5v 電壓編程，而且擦寫時間僅需 10 毫 秒，僅為 8751/87c51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87c51 的 12v 電壓擦寫 相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌 入式控制領域。工作

45、電壓范圍寬 2.7v-6v，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在 0m hz-24m hz 內，比 8751/87c51 等 51 系列的 6mhz-12 mhz 更具有靈活性，系統(tǒng) 能快能慢。at89c51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的 硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制13。 另外，at89c51 還具有 mcs-51 系列單片機的所有優(yōu)點。1288 位內部 ram，32 位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時/計數(shù)器，5 個中斷源，兩級中斷 優(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。 3.3.53.3.5 芯片管腳介紹及分配芯片管腳介紹及分配 引腳描述：引腳描述： vccv

46、cc：電源 gndgnd：電源地 p0p0 口：口：p0 口是一組 8 位漏極開路雙向 i/o 口，也既地址/數(shù)據(jù)總線復用口。 作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 ttl 邏輯門電路，對端口寫 “1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器話程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（底 8 位） 和數(shù)據(jù)總線服用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在 flash 編程時，p0 口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)， 校驗時，要求外接上拉電阻。 p1p1 口：口：p1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖級 可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯

47、門電路。對端口 寫“1” ，通過內部的 上拉電阻把端口拉到高電平，此時可操作輸入口。作輸入口使用時，因為內部 存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流（iil） 。 flash 編程和程序校驗期間，p1 接收底 8 位地址。 p2p2 口：口：p2 口是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 的輸出緩沖 級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對斷口寫“1” ，通過內部 的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部 存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流（iil） 。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存

48、儲器（例如執(zhí)行 move dptr）時，p2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 （如執(zhí)行 move ri 指令）時，p2 口線上的內容也即特殊功能存儲器（sfr） 區(qū)中 r2 寄存器的內容，在整個訪問期間不改變。 在 flash 編程或校驗時，p2 亦接收高位地址和其他控制信號。 p3p3 口：口：p3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口。p3 口輸出緩沖 級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對 p3 口寫入“1”時，它 們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉底的 p3 口將 用上拉電阻輸出電流（iil） 。 p

49、3 口除了作為一般的 i/o 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 2.2 所示： 表 2.2 p3 口第二功能表 端口引腳第二功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 int0（外部中斷 0） p3.3 int1（外部中斷 1） p3.4 t0（定時/記數(shù)器 0） p3.5 t1（定時/記數(shù)器 1） p3.6 wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3 口還接受一些用于 flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 rstrst：復位輸入。當振蕩器工作時，ret 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平 將使單片機復位。

50、ale/progale/prog：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許） 輸出脈沖用于鎖存地址的底 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale 仍以時鐘 振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外部輸出時鐘或用于定時 目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ale 脈沖。 對 flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog） 。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的 8eh 的 d0 位置位，可 禁止 ale 操作。該位置位后，只有一條 move 和 movx 指令 ale 才會被激活，此 外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)

51、行外部程序時，應設置 ale 無效。 psenpsen：程序存貯允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 at89c51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 psen 有效， 既輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 psen 信號 不出現(xiàn)。 ea/vppea/vpp：外部訪問允許。欲使 cpu 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000hffffh） ，ea 端必須保持底電平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1 被編程，復位時內部會鎖存 ea 端狀態(tài)。 如 ea 端為高電平（接 vcc 端） ，cpu 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。 fla

52、sh 存儲器編程時，該腳加上+12v 的編程允許電源 vpp，當然這必須是 該器件是使用 12v 編程電壓 vpp。 xtal1xtal1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。 3.43.4 顯示驅動單元設計顯示驅動單元設計 3.4.13.4.1 zlg7289zlg7289 芯片介紹芯片介紹 zlg7289 是廣州周立功單片機發(fā)展有線公 司自行設計的數(shù)碼管顯示驅動及鍵盤掃描管 理芯片，可直接驅動 8 位共陰式數(shù)碼管（或 64 只獨立 led） ，同時還可以掃描管理多達 64 只按鍵。 zlg7289 內部含有顯示譯碼器， 可直接接受

53、bcd 碼或 16 進制碼，并同時具有 2 種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令， 如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。 zlg7289 采用 spi 串行總線與微控制器接口， 僅占用少數(shù)幾根 i/o 口線。利用片選信號， 多片 zlg7289 還可以并接在一起使用， 能夠方便地實現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 只 按鍵的應用。 3.4.23.4.2 zlg7289zlg7289 的主要特征的主要特征 很寬的工作電壓范圍：+2.7-6v； 直接驅動 8 位共陰式數(shù)碼管（1 英寸以下）或 64 只獨立的 led； 段電流可達 15ma 以上，字電流可達 100ma； 利用功率電路可以方便地驅動

54、 1 英寸以上的大型數(shù)碼管； 具有左移、右移、閃爍、消隱、段點亮等強大功能； 要顯示的數(shù)據(jù)提供有兩種不同的譯碼方式（也可以選擇不譯碼） ； 不接數(shù)碼管而僅使用鍵盤管理功能時，工作電流可將至 3ma； 與微控制器之間采用 spi 串行總線接口，操作方便，占用 i/o 資源少； 工作溫度范圍：-40+85； 封裝：dip-28。 3.4.33.4.3 zlg7289zlg7289 引腳功能說明引腳功能說明 表 2.3 zlg7289 引腳功能表 引腳序號引腳名稱功能描述 1rtcc接電源 2vcc電源，+2.76v 3nc懸空 4gnd接地 5nc懸空 6csspi 總線片選信號，低電平有效 7c

55、lkspi 總線時鐘輸入信號，上升沿有效 8diospi 總線數(shù)據(jù)信號，雙向 9int鍵盤中斷請求信號，低電平（下將沿）有效 10sg/kr0數(shù)碼管 g 段/鍵盤行信號 0 11sf/kr1數(shù)碼管 f 段/鍵盤行信號 1 12se/kr2數(shù)碼管 e 段/鍵盤行信號 2 13sd/kr3數(shù)碼管 d 段/鍵盤行信號 3 14sc/kr4數(shù)碼管 c 段/鍵盤行信號 4 15sb/kr5數(shù)碼管 b 段/鍵盤行信號 5 16sa/kr6數(shù)碼管 a 段/鍵盤行信號 6 17dp/kr7數(shù)碼管 dp 段/鍵盤列信號 7 18dig0/kc0數(shù)碼管字選信號 0 鍵盤列信號 0 19dig1/kc1數(shù)碼管字選信

56、號 1/鍵盤列信號 1 20dig2/kc2數(shù)碼管字選信號 2/鍵盤列信號 2 21dig3/kc3數(shù)碼管字選信號 3/鍵盤列信號 3 22dig4/kc4數(shù)碼管字選信號 4/鍵盤列信號 4 23dig5/kc5數(shù)碼管字選信號 5/鍵盤列信號 5 24dig6/kc6數(shù)碼管字選信號 6/鍵盤列信號 6 25dig7/kc7數(shù)碼管字選信號 7/鍵盤列信號 7 26osc2晶振輸出信號 27osc1晶振輸入信號 28rst復位信號，低電平有效 3.4.43.4.4 zlg7289zlg7289 與單片機及數(shù)碼管的連接與單片機及數(shù)碼管的連接 u1 就是 zlg7289。為了使電源更加穩(wěn)定，在 vcc

57、到 gnd 之間接入 47-470f 的電解電容。j1 是 zlg7289 與微處理器的接口。晶振 y1 取 4-16mhz，調節(jié)電容 c3 和 c4 通常在 10pf 左右。復位信號是低電平有效，一般只需外接簡單的 rc 圖 2.6 只使用數(shù)碼管的應用電路 復位電路，也可以通過直接拉低引腳的方法進行復位。rst 數(shù)碼管必須是共陰式的，不能直接使用共陽式的。dpy1 和 dpy2 是 4 位聯(lián) 體式數(shù)碼管，共同組成完整的 8 位。數(shù)碼管在工作時要消耗較大的電流，r9- r16 是限流電阻，典型值是 270。如果要曾大數(shù)碼管的亮度，可以適當減小電 阻值，最低 20013。 zlg7289 通常應

58、連接共陰式數(shù)碼管，應用中無須用到的數(shù)碼管可以不接， 省去數(shù)碼管不影響使用。zlg7289 與單片機的接口采用 3 線制 i2c 串行總線，由 、clk 和 dio 這 3 根信號組成。和 clk 是輸入信號，由單片機提供。diocscs 信號是雙向的，必須接到單片機上具有雙向功能的 i/o 上。設計中使 zlg7289 的 6-9 腳分別于 at89c51 的 p1.0-p1.3 相連。其中 6 腳為片選輸入端 cs，低電 平有效，可用來向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，7 腳 clk 為同步時鐘輸入端，當向芯片發(fā)送 數(shù)據(jù)時，此引腳上的電平上生表示數(shù)據(jù)有效；8 腳為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當 芯片接受指令時，此引

59、腳為輸入端。spi 信號線的具體意義參見表 2.4。操作 spi 總線的時序圖參見圖 2.7、2.8。 表 2.4 zlg7289 的 spi 串行接口信號 信號名稱引腳時序描述 cs6spi 總線片選輸入信號，低電平有效 clk7spi 總線時鐘輸入信號，上升沿有效 dio8spi 總線數(shù)據(jù)信號，雙向 圖 2.7 存指令時序圖（單字節(jié)命令） 圖 2.8 帶數(shù)據(jù)指令時序圖（命令字在前，輸入數(shù)據(jù)在后） 3.4.53.4.5 時序圖中的各項延遲時間時序圖中的各項延遲時間 表中 2.5 各項參數(shù)的測試條件為：vcc=5.0v，fosc=16mhz 表 2.5 時序延時表 符號名稱最小值典型值單位 t

60、1片選信號的建立時間cs2550s t2clk 信號高電平的寬度58s t3clk 信號低電平的寬度58s t4命令字與輸出數(shù)據(jù)之間的時間間隔1525s 3.4.63.4.6 控制指令控制指令 zlg7289 的控制指令分為單字節(jié)純指令和雙字節(jié)數(shù)據(jù)指令兩大類。在這里 直介紹設計中所用的單字節(jié)復位（清除）指令和雙字節(jié)帶數(shù)據(jù)指令中的下載數(shù) 據(jù)并按方式 1 進行譯碼指令13。 復位（清除）指令 d7d6d5d4d3d2d1d0 10100100 這是一條軟復位指令，執(zhí)行后會將數(shù)碼管所有的顯示內容清楚掉，原先設 置的所有閃爍、消隱等屬性也一并清除，就像硬件復位一樣。 下載數(shù)據(jù)并按方式 1 進行譯碼 d