單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電壓表

1、成績(jī)課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱(chēng)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題名稱(chēng)數(shù)字電壓表專(zhuān) 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)1301學(xué) 號(hào)29姓 名黃奎倫指導(dǎo)老師林國(guó)漢、王迎旭、李曉秀等2016年6月10日電氣信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)姓 名黃奎倫專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化班級(jí)1301學(xué)號(hào)29指導(dǎo)老師林國(guó)漢老師課程設(shè)計(jì)時(shí)間2016年5月30日-2016年6月10日一、任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題要求以MCS-51系列單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表。(1) 采用串行A/D轉(zhuǎn)換模塊或者并行A/D轉(zhuǎn)換模塊能對(duì)多路電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并使用LED或者液晶顯示器進(jìn)行顯示；(2) 具有輪流顯示功能(3) 能夠通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)采樣通道進(jìn)行選擇(4) 其

2、它功能設(shè)計(jì)要求：（1）確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；（2）進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；（3）完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；(4)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件的調(diào)試。三、參考資料1、王迎旭等.單片機(jī)原理及及應(yīng)用. 2版.機(jī)械工業(yè)出版社，20122、胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).3版.清華大學(xué)出版社，2010.3、戴燦金.51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)例.清華大學(xué)出版社，2010目 錄1 總體方案設(shè)計(jì)1 1.1設(shè)計(jì)要求1 1.2設(shè)計(jì)思路1 1.3總設(shè)計(jì)框圖22 硬件電路設(shè)計(jì)2 2.1 總硬件電路設(shè)計(jì)2 2.2 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)2 2.3 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)3 2.4 LCD顯示模塊53 軟件設(shè)計(jì)5 3.1 主程序設(shè)計(jì)6 3.2 A

3、/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)64 調(diào)試8 4.1 顯示結(jié)果8 4.2 誤差分析85 總結(jié)96 參考資料107 附錄101 總方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求 本課題要求以MCS-51系列單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表。（1）采用串行A/D轉(zhuǎn)換模塊或者并行A/D轉(zhuǎn)換模塊能對(duì)多路電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并使用LED或者液晶顯示器進(jìn)行顯示；（2）具有輪流顯示功能（3）能夠通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)采樣通道進(jìn)行選擇（4）其它功能    1.2 設(shè)計(jì)思路  基于A(yíng)T89C51單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)。  用ADC0808芯片做為A/D轉(zhuǎn)換器，與單片機(jī)的接口為P1口和P2口的高四位

4、引腳。  電壓的輸出顯示采用LCD1602液晶顯示器顯示 通過(guò)按鍵選擇通道1.3總設(shè)計(jì)框圖利用AD轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓進(jìn)行采集并傳輸給單片機(jī)，得到相應(yīng)的數(shù)字量，再按數(shù)字量與模擬量成正比關(guān)系運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，然后把模擬值通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，另外可以通過(guò)按鍵選擇通道。然后通過(guò)單片機(jī)與液晶顯示器LCD1602連接，最終顯示液晶顯示器上。AT89C51單片機(jī)時(shí)鐘電路復(fù)位電路 電壓輸入顯示系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換按鍵圖1 設(shè)計(jì)總框圖根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0808。ADC0808是8位的A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓為5.00V時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)值為255(

5、0FFH)，因此最大分辨率為0.0196V(5/255)。ADC0808具有8路模擬量輸入端口，通過(guò)3位地址輸入端能從8路中選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如每隔一段時(shí)間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對(duì)8路輸入電壓進(jìn)行測(cè)量。顯示器采用LCD顯示器，顯示效果好。按鍵可只設(shè)定一個(gè)，用于選擇顯示的當(dāng)前通道。2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1總硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表具體硬件電路如圖附錄A所示。 其中，顯示器LCD1602的數(shù)據(jù)線(xiàn)與89C 51的P0口相連，RS與P1.7相連，R/與P1.6相連，E端與P1.5相連。按鍵只設(shè)定了一個(gè)K1，與AT89C52的P1.0，用于進(jìn)行通道選擇，當(dāng)按下一次，通道加1，顯示下一個(gè)通

6、道。ADC0808 的數(shù)據(jù)線(xiàn)D0D7與AT89C51的P2口相連，地址輸入端ADDA、ADDB、ADDC與AT89C51的P3口的低3位P3.0、P3.1、P3.2相連，地址鎖存控制端ALE和啟動(dòng)信號(hào)START連接在一起與P3.7相連，數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE與P3.6相連，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC與P1.3相連。ADC0808的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCK與P1.4相連，而P1.4由定時(shí)/計(jì)數(shù)器0控制，每10(s取反一次，則CLOCK的時(shí)鐘周期為20(s，頻率為50KHz，滿(mǎn)足ADC0808的時(shí)鐘要求。參考電壓VREF+接+5V電源，參考電壓VREF-接地，則當(dāng)輸入電壓為5.00V時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)值為25

7、5(0FFH)，當(dāng)輸入電壓為0V時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)值為0(00H)，最大分辨率為0.0196V(5/255)。2.2 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)控制模塊的作用是為控制各單元電路的運(yùn)行并完成數(shù)據(jù)的換算或處理，主要由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。 時(shí)鐘電路單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的，在單片機(jī)的XTAL1和XYAL2兩個(gè)管腳接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，電路中電容器C1和C2對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，通常?。?0±10pF）石英晶體選擇11.0592MHz。時(shí)鐘電路如圖2所示。圖2 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路單片機(jī)的RST管腳為主機(jī)提供了一個(gè)外部復(fù)位信號(hào)輸入口。復(fù)位信號(hào)是高電平

8、有效，高電平有效的持續(xù)時(shí)間為2個(gè)機(jī)器周期以上。單片機(jī)的復(fù)位方式為上電復(fù)位方式。復(fù)位電路如圖3所示。 圖3 復(fù)位電路2.3 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808屬于直接型A/D轉(zhuǎn)換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。 ADC0808簡(jiǎn)介ADC0808精度為8位，CMOS器件，不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個(gè)8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡(jiǎn)單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個(gè)單端的模擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回檢測(cè)和過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用十分廣泛。外部引腳圖及引腳功能ADC0808的

9、外部引腳如圖4所示。圖4 ADC0808外部引腳圖IN0IN7：8路模擬量輸入。A、B、C：3位地址輸入，2個(gè)地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。ALE：地址鎖存啟動(dòng)信號(hào)，在A(yíng)LE的上升沿，將A、B、C上的通道地址鎖存到內(nèi)部的地址鎖存器。D0D7：八位數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線(xiàn)傳送給單片機(jī)。OE：允許輸出信號(hào)。當(dāng)OE=1時(shí)，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)輸入端，START為正脈沖，其上升沿清除ADC0808的內(nèi)部的各寄存器，其下降沿啟動(dòng)A/D開(kāi)始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，當(dāng)EOC上升為高電平時(shí)，表明內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換已完成。 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)集成摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯

10、片ADC0808實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，被測(cè)信號(hào)由ADC0808模擬輸入端輸入，完成A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，經(jīng)相應(yīng)處理后送出顯示。圖5 AD轉(zhuǎn)換電路2.4 LCD顯示模塊LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對(duì)應(yīng)的信號(hào)到相應(yīng)的管腳就能顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。本設(shè)計(jì)采用的是字符型顯示。系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要外加驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個(gè)漢字。3

11、軟件設(shè)計(jì)根據(jù)需要，可將系統(tǒng)軟件按照功能劃分為4個(gè)模塊，分別是主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、中斷服務(wù)程序模塊，各模塊的功能關(guān)系如圖6所示。編寫(xiě)系統(tǒng)軟件時(shí)，可首先編寫(xiě)各模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序，而后是系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，編寫(xiě)上層主程序。系統(tǒng)主程序液晶管顯示A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù).圖6 系統(tǒng)軟件框圖3.1主程序設(shè)計(jì)3.1主程序設(shè)計(jì)START選擇ADC0808的轉(zhuǎn)換通道設(shè)置定時(shí)器，提供時(shí)鐘信號(hào)N啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換是否結(jié)束Y輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示 圖7 主程序流程圖 整個(gè)主程序就是在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理及顯示程序循環(huán)執(zhí)行。整個(gè)程序流程框圖如圖7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)查詢(xún)P1

12、.3引腳來(lái)確定轉(zhuǎn)換是否完成，若完成則把數(shù)據(jù)通過(guò)P2端口讀入，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后在LCD1302上顯示。3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 程序開(kāi)始執(zhí)行后首先通過(guò)手動(dòng)控制撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇8路模擬通道的一路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。接著啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC是否為1來(lái)判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。EOC=1, 則表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，否則EOC=0，則表示正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。接著輸出允許信號(hào)OE=1，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，就完成了一次A/D轉(zhuǎn)換，程序返回到數(shù)據(jù)處理模塊。只要手動(dòng)控制模擬通道就可以不停的循環(huán)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。開(kāi)始設(shè)置模擬輸入口啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 N轉(zhuǎn)換完？Y輸出數(shù)值處理圖8 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖4

13、 調(diào)試4.1顯示結(jié)果1. 當(dāng)輸入電壓為0V時(shí)顯示結(jié)果如圖所示，測(cè)量誤差為0V。圖9 輸入電壓為+0V時(shí)，LCD顯示結(jié)果2. 當(dāng)輸入電壓為+1.65V時(shí),顯示結(jié)果如圖所示，測(cè)量誤差為0.1V。圖10 輸入電壓為+1.65V時(shí)，LCD顯示結(jié)果3. 當(dāng)輸入電壓為+3.85V時(shí),顯示結(jié)果如圖所示，測(cè)量誤差為0.1V。圖11 輸入電壓為+3.84V時(shí)，LCD顯示結(jié)果4.當(dāng)輸入電壓為+5V時(shí),顯示結(jié)果如圖所示，測(cè)量誤差為0V。圖12 輸入電壓為+5.00V時(shí)，LCD顯示結(jié)果4.2誤差分析通過(guò)以上仿真測(cè)試結(jié)果可以得到數(shù)字電壓表與實(shí)際電壓對(duì)比表格，如表1所示：表1 數(shù)字電壓表與實(shí)際輸入電壓對(duì)比測(cè)試表輸入電壓值

14、/V電壓表測(cè)量值/V絕對(duì)誤差/V0.000.000.000.510.500.011.231.230.002.182.170.013.003.000.000.260.250.014.004.000.004.374.370.005.005.000.00因?yàn)閱纹瑱C(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0.01的幅度變化。而且數(shù)字電壓表測(cè)得的值基本上比實(shí)際輸入值偏小0-0.01V。5 總結(jié) 本設(shè)計(jì)以AT89C

15、51單片機(jī)為控制核心，通過(guò)集成摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部程序處理后，由液晶顯示器LCD1602顯示測(cè)量結(jié)果。 仿真測(cè)試表明，系統(tǒng)性能良好，測(cè)量讀數(shù)穩(wěn)定易讀、更新速度合理，直流電壓測(cè)量范圍為0.005.00V，最小分辨率為0.0196V，滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)指標(biāo)要求。但是，該系統(tǒng)也存在一定程度的不足，例如數(shù)字電壓表測(cè)量結(jié)果誤差還比較大，輸出量可用平均值算法改善，使測(cè)量準(zhǔn)確度更高。   通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，我學(xué)到了很多有關(guān)儀表的設(shè)計(jì)方法與工作原理。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，出現(xiàn)了很多錯(cuò)誤，這讓我明白了，對(duì)總體的把握固然重要，但對(duì)于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，很難在設(shè)計(jì)

16、之初就把握所有細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)任何一個(gè)系統(tǒng)都需要耐心逐步去發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。在尋求解決困難的過(guò)程中，激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響?？傮w來(lái)說(shuō)，這次實(shí)習(xí)使我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維。通過(guò)兩個(gè)星期的學(xué)習(xí)讓我把書(shū)本上的知識(shí)轉(zhuǎn)換成實(shí)際可操作的東西，讓我體會(huì)到成功的喜悅和快樂(lè)。6 參考資料1、王迎旭等.單片機(jī)原理及及應(yīng)用. 2版.機(jī)械工業(yè)出版社，20122、胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).3版.清華大學(xué)出版社，2010.3、戴燦金.51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)例.清華大學(xué)出版社，20107附錄附錄A 數(shù)字電壓表原

17、理圖：圖13 數(shù)字電壓表原理圖附錄B程序清單： #include <reg51.h>#include <absacc.h> #include <intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit RS=P17;sbit RW=P16;sbit EN=P15;sbit ST=P37;sbit OE=P36;sbit EOC=P13;sbit CLK=P14;sbit key1=P10;uchar data chnumber;/存放當(dāng)前通道號(hào)uchar disbuffer4=

18、0,'.',0,0; /定義顯示緩沖區(qū)uchar data ad_data8=0,0,0,0,0,0,0,0;/0808的8個(gè)通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)uint temp;/檢查忙函數(shù)void fbusy()P0 = 0xff;RS = 0;RW = 1;EN = 1;EN = 0;while(P0 & 0x80) EN = 0;EN = 1;/使能端EN高電平有效，能讀取lcd內(nèi)存儲(chǔ)單元的值/寫(xiě)命令函數(shù)void wc51r(uchar j) fbusy();EN = 0;RS = 0;RW = 0;EN = 1;P0 = j;EN = 0;/寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)void wc51ddr

19、(uchar j) fbusy();/讀狀態(tài)；EN = 0;RS = 1;RW = 0;EN = 1;P0 = j;EN = 0;void init() /初始化函數(shù)wc51r(0x01); /清屏wc51r(0x38); /使用8位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用5*7的字型wc51r(0x0c); /顯示器開(kāi)，光標(biāo)開(kāi)，字符不閃爍wc51r(0x06); /字符不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移一格/*0808轉(zhuǎn)換子函數(shù)*/test()uchar m; for (m=0;m<8;m+)P3=m;/送通道地址ST=0;_nop_();_nop_();ST=1;_nop_();_nop_();ST=0;/鎖存通道地址

20、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while (EOC=0);/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1;ad_datam=P2;OE=0;/讀取當(dāng)前通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，當(dāng)OE=1時(shí)輸出允許，OE=0時(shí)輸出禁止 /*延時(shí)函數(shù)*void delay(uint i) /延時(shí)函數(shù)uint y,j;for (j=0;j<i;j+)for (y=0;y<0xff;y+);/定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0產(chǎn)生0808的時(shí)鐘void T0X(void)interrupt 1 using 0 CLK=CLK; void main(void)uchar i;SP=0X50;TMOD=0x02;TH0

21、=246;TL0=246;ET0=1;EA=1;TR0=1;delay(10);init();wc51r(0x81); /寫(xiě)入顯示緩沖區(qū)起始地址為第1行第1列wc51ddr('A'); /wc51ddr('D'); /wc51ddr('D'); / wc51ddr('R'); wc51ddr(':'); /wc51r(0xC0); /寫(xiě)入顯示緩沖區(qū)起始地址為第2行第1列wc51ddr('V'); /第2行第1列顯示字母Vwc51ddr('A'); /第2行第2列顯示字母Awc51ddr('L