單片機電壓越限警報 檢測與報警系統(tǒng)的設計與開發(fā)

1、摘要隨著社會的發(fā)展和時代的進步，人們不斷的對于環(huán)境的安全性提出更多的要求，由此設計出一個行之有效的檢測與報警系統(tǒng)是有很大的必要。自從電的問世以來，隨著愛迪生發(fā)明了燈泡，電類設備的大量的使用，電這一能源便于人們的生活息息相關，在日常生活及工業(yè)生產中扮演著重要的角色，因此對于電的安全使用和電路的保護也尤為重要。本課題為檢測與報警系統(tǒng)的設計與開發(fā)，以單片機為中心設計一個能夠根據(jù)輸入電壓的大小進行報警的儀器。本設計選為單片機，A/D轉換器等元器件為主要部分，利用可變電阻器作為輸入電壓，來對于電壓值進行監(jiān)控，達到保護作用。在設定范圍0-5V之內，當輸入電壓高于上限值2.5V時進行報警，并實時顯示輸入的電

2、壓值，輸入電壓通過A/D轉換器進行模擬信號與數(shù)字信號的轉換，并將信號送入單片機，最終經單片機處理運算后來進行驅動LED發(fā)光顯示。電壓越限報警器的廣泛使用將會大量降低實際應用中由于電壓值越限所帶來的影響。關鍵詞：AT89C51 ，DAC0808，PROTEUS1引言設計并開發(fā)能檢測模擬信號，并能產生報警信號的系統(tǒng)。1.對輸入的05V模擬電壓信號進行檢測。2.能判斷所檢測的信號是否超界。3.若信號超界則進行報警（可用發(fā)光二極管閃爍表示）。說明：其界限值是自行設定的（如2.5V），其所對應的數(shù)字量為（2.5/5）*255=127.5=80H）,事先將其存放在某寄存器或存貯單元。隨著計算機技術的飛速發(fā)

3、展和普及，檢測與報警系統(tǒng)在多個領域有著廣泛的應用對某一檢測點任意參數(shù)能夠進行隨機查尋，將其在某一時間段內檢測得到的數(shù)據(jù)經過轉換提取出來，以便進行比較，并進行超范圍的LED警報。 隨著工、農業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集勢必將得到越來越多的應用，為適應這一趨勢，作這方面的研究就顯得十分重要。在科學研究中，成為廣大電子領域中必須掌握的過程，并且對測量的精度和采集功能的要求也越來越高，而電壓的測量，顯示與測量系統(tǒng)甚為重要。在課程設計中對一路電壓采集系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)作了基本的研究。電壓采集與通信控制采用了模塊化的設計，并用單片機8051來實現(xiàn)，硬件部分是以單片機為核心，還包括模-數(shù)轉換模塊，顯示模塊，和串行接口

4、部分，還有一些簡單的外圍電路。1路被測電壓通過通用ADC0808模-數(shù)轉換，實現(xiàn)對采集到的電壓進行模擬量到數(shù)字量的轉換，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，用數(shù)碼管顯示模塊來顯示所采集的結果，由相關控制器完成數(shù)據(jù)接收和顯示，匯編程序編寫了更加明了化數(shù)據(jù)顯示界面。本系統(tǒng)主要包括四大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、顯示模塊、A/D轉換模塊和LED警報電路。繪制電路原理圖與工作流程圖，并進行調試，最終設計完成了該系統(tǒng)的硬件電路。在軟件編程上，采用了匯編語言進行編程，開發(fā)環(huán)境使用相關集成開發(fā)環(huán)境。開發(fā)了顯示模塊程序、A/D轉換程序。2總體設計方案2.1 設計思路A、利用ADC0809及其適當?shù)耐鈬娐穼崿F(xiàn)直流電壓的

5、采集。B、采集結果在LED數(shù)碼管上顯示出來，數(shù)據(jù)范圍為：05v，超過2.5V時對其輸入信號進行LED亮燈警報C、繪制硬件連接圖，編寫相應的控制程序。D、撰寫設計報告、調試報告、設計心得。2.1.1 設計方案（1）.方案確立依據(jù)綜合課程設計的要求，利用ADC0808設計一個單通道模擬電壓采集顯示電路，要求對所接通道變化的模擬電壓值進行采集，采集來的數(shù)字量送至數(shù)碼管指示出來，通過相關轉換在數(shù)碼管上精確顯示出來。本課程設計相當于測直流電壓的大小，通過對電壓值的采集與處理，而由所學微控制器的知識可知，可以利用單片機的模數(shù)轉換來實現(xiàn)這一設計，進一步把相應的電壓值精確顯示出來。 模數(shù)轉換就是利用單片機控制

6、模數(shù)轉換芯片（A/D）,讓它對外部的一個模擬信號進行采樣、量化、編碼然后轉化為一個離散的數(shù)字量，提供給控制器作進一步處理。對于常用的A/D轉換芯片有ADC0809、ADC0808等。它們都是8位的模數(shù)轉換芯片，就是把模擬量轉換為一個8位的二進制數(shù)。利用單片機AT89C51與ADC0809設計一個電壓采集系統(tǒng)，將模擬信號（實際設計時采用05 V）之間的直流電壓值轉換成數(shù)字量信號0FF，以數(shù)碼管顯示。Proteus軟件啟動仿真，當前輸入電壓為25 0V，轉換成數(shù)字值為7FH，用鼠標指針調節(jié)電位器尺,可改變輸入模數(shù)轉換器ADC0808的電壓，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號的電壓值，

7、LED數(shù)碼管實時顯示相應的數(shù)值量。 此次電壓表總體的方案就是用單片機的I/O口輸出信號來控制A/D啟動轉換，將送入的模擬量轉換為一個8位數(shù)字量，然后再通過I/O口送回單片機內部進行處理，單片機進行一系列的運算和校準后，通過數(shù)碼管將電壓值顯示出來。而在方案的實現(xiàn)上由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件即電子元器件的選擇且將它們連接成一個可行的硬件系統(tǒng)，軟件是硬件系統(tǒng)功能化的重要組成部分。硬件的設計可以在Proteus上進行，軟件可以用Proteus自帶的匯編工具，然后在Proteus將硬軟件相結合，進行仿真，再根據(jù)結果不斷對硬件進行改進，對軟件進行調試，實現(xiàn)電壓的采集與顯示功能。2.2 設計方框

8、圖圖1.1 總體模塊圖2.2.1 電源采集電路本設計利用可變電阻器作為輸入電壓，輸入電壓范圍為0-5V，將采集端電壓最大值設置為5V，隨著可變電阻器百分比的變化輸入電壓的大小也隨之變化。此電源采集電路元器件簡單，并且操作方便，充分滿足此設計輸入電壓的要求。圖1.2元器件圖2.2.2 A/D轉換電路ADC0808是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 （1）ADC0808的內部邏輯結構 由下圖可知，ADC0808由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選

9、通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存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)。圖1.3 ADC080原理圖（2）ADC0809引腳結構 ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負端。START：A/D轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉換）.EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。OE：輸

10、出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。 圖1.4 原理圖 圖1.5 實物圖 ADC0809對輸入模擬量要求：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該保持不變，如若模擬量變化太快，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入轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表

11、所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7圖1.6 功能表數(shù)字量輸出及控制線：11條 ST為轉換啟動信號。當ST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，ST應保持低電平。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)。OE1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE0，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。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界

12、提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 2 ADC0809應用說明 （1） ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。 （2） 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 （3） 送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5） 是否轉換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 （6） 當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。AD轉換是一種非常重要的技術手段，是單片機等控制芯片與外界信號的接口部分。AD轉換將輸入的模擬電壓轉換為與之成正比的的數(shù)字量

13、。常用的AD轉換器主要有并聯(lián)比較性，逐次比較式，雙積分式。本設計采用的ADC0808A/D轉換器為8位逐次比較式轉換器。在ADC0808的轉換過程中通過引腳WR來啟動轉換的控制輸入，相當于ADC的轉換開始（CS=0時），當WR由高變?yōu)榈蜁r轉換器被清。在ADC0808元件圖中引腳VIN(+)和引腳VIN（-）為模擬電壓輸入端，單邊輸入時模擬電壓輸入接VIN(+)端，VIN(-)端接地。當轉換器進行雙邊輸入時VIN(+),VIN(-)分別接模擬電壓信號的正端和負端。當輸入的模擬電壓信號存在“零點漂移電壓”時，可在VIN(-)接一個等值的零點補償電壓，變換時將自動從VIN(+)中減去這一電壓，在本設

14、計中ADC0804采用單邊輸入模擬電壓。為保證A/D轉換器的所需的時鐘信號，通過CLKIN和CLKR外接RC振蕩電路。并且最終通過DB0-DB7輸出A/D轉換后的二進制結果。圖1.7 元器件圖2.2.3 單片機及其外圍電路ADC0808與8051單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本題中選用中斷接口方式。由于ADC0809無片內時鐘，時鐘信號可由單片機的ALE信號經D觸發(fā)器二分頻后獲得。該題目中單片機時鐘頻率采用12MHz,則ALE輸出的頻率是2MHz，四分頻后為500KHz,符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0808內部設有地址鎖存器，所以通道地址由P

15、0口的低3位直接與ADC0808的A、B、C相連。通道基本地址為0000H0007H。其對應關系上面已做介紹。 控制信號：將P2.7作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由單片機的寫信號和P2.7控制ADC的地址鎖存和啟動轉換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0808在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時，用單片機的P3.0產生正脈沖作為OE信號，用來打開三態(tài)輸出鎖存器。圖1.8 元器件圖2.2.4 LED顯示電路共陽極7段LED數(shù)碼管和共陰極LED數(shù)碼管結構類似，其引腳配置，如圖所示。從圖中可以看出7段LED數(shù)碼管同樣由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字形“8”，另

16、一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。共陽極7段LED數(shù)碼管的內部結構，如圖所示。其中所有發(fā)光二極管的陽極為公共端，接+5v電壓。如果發(fā)光二極管的陰極為低電平的時候，發(fā)光二極管導通，該字段發(fā)光；反之，如果發(fā)光二極管的陰極為高電平的時候，發(fā)光二極管截止，該字段不發(fā)光。圖1.9 元器件圖2.2.5 報警電路主程序可以不斷采樣電壓值并與設定范圍進行比較，如果電壓異常，則應該啟動定時中斷，定時中斷完成報警過程，如果報警過程中電壓恢復正常，則報警應該結束。當輸入電壓值超過所允許的范圍之內，經過一系列電路元器件的工作，LED將會亮發(fā)出報警信號。在利用中斷方式對P2.4的端口高低電平進行控制，在ADC0808輸出經過數(shù)

17、模轉換的數(shù)值與寄存器或存貯單元中存儲的警報電壓2.5V進行比較，比較過后，若超過警報電壓則輸出低電平，LED警報燈亮；反而輸出高電平。LED報警燈保持熄滅狀態(tài)。圖1.10 元器件圖3 設計原理分析3.1 系統(tǒng)整體的設計原理1 硬件設計（1）系統(tǒng)構成該系統(tǒng)主要包括幾大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、AD轉換模塊、控制模塊、顯示模塊、按鍵模塊等。采用AT89C51作為控制模塊，ADC0808作為AD轉換模塊的核心，ADC0808本身具有8路模擬量輸入端口，通過C、B、A，3位地址輸入端，能從8路中選擇一路進行轉換。如每隔一段時間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對8路輸入電壓進行測量。LED數(shù)碼管的顯

18、示采用軟件譯碼動態(tài)顯示，通過按鍵模塊的操作可以選擇8路循環(huán)顯示，也可以選擇某條單路顯示。（2）數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路是系統(tǒng)的主要組成部分，ADC0808具有8路模擬量輸入通道IN0IN7，通過3位地址輸入端C、B、A(引腳2325)進行選擇。引腳22為地址鎖存控制端ALE，當輸入為高電平時，C、B、A引腳輸入的地址鎖存于ADC0809內部鎖存器中，經內部譯碼電路譯碼選中相應的模擬通道。引腳6為啟動轉換控制端START，當輸入一個2 US寬的高電平脈沖時，就啟動ADC0808開始對輸入通道的模擬量進行轉換。引腳7為AD轉換器，當開始轉換時，EOC信號為低電平，經過一段時間，換結束，轉換結束信號

19、EOC輸出高電平，轉換結果存放干ADC0809內部的輸出數(shù)據(jù)寄存器中。引腳9腳為AD轉換數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE，當0E為高電平時，存放于輸出數(shù)據(jù)鎖存器中的數(shù)據(jù)通過ADC0808的數(shù)據(jù)線DOD7輸出。引腳10為ADC0808的時鐘信號輸人端CLOCK。在連接時，ADC0808的數(shù)據(jù)線D0D7與AT89C51的P1口相連接，ADC0808的地址引腳、地址鎖存端ALE、啟動信號START、數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE分別與AT89C51的P3口相連接，轉換結束信號EOC與AT89C52的P31相連接。2 軟件設計（1）主程序主程序包含初始化部分，調用AD轉換子程序和調用顯示子程序。（2）數(shù)據(jù)處理子程序AD

20、C0808轉換之后輸出的結果是8位二進制數(shù)。由公式(1)可知，當ADC0808輸出為(1l1l11111)時，輸入電壓值V =500V當ADC0809輸出為(00000000)時，輸入電壓值為0.0O0V；當ADC0809輸出為(10000000)時，輸入電壓值V =250V。由于單片機進行數(shù)學運算時結果只取整數(shù)部分，因此當輸出為(10000000)時計算出的電壓值V =2OOV，很不準確。為了提高精確度，必須把小數(shù)部分保留，具體運算方式如公式(2)。個位：Dout*196/10000 十分位：(Dout*196/1000)%10 百分位：(Dout*196/100)%10 千分位：（Dout

21、*196/10）%10 由此得到較為精確的數(shù)值。對上面的硬件部分，按照軟件流程框圖進行軟件設計。用C語言進行程序的編寫。3.2硬件實現(xiàn)及單元電路設計流程硬件總體框圖該系統(tǒng)硬件總體框圖由四個模塊組成，如下圖1.11所示。在芯片的選擇中，一般的A/D芯片具有多路轉換通道，本課程設計中我們只做一路通道，該通道采集電壓，對采集的電壓值進行采集、處理并顯示，我們還可以通過改變A/D芯片的參考電壓來改變其量程，達到對電壓值的多樣化顯示。A/D芯片將輸入的模擬電壓值轉換為一個8位的二進制數(shù)字，再輸送到單片機控制單元，經過處理顯示出相應電壓值。直流電壓模數(shù)轉換模塊微控制器模塊數(shù)碼顯示&LED警報模擬電壓數(shù)字電

22、壓程序控制控制模塊圖1.11 原理圖3.3軟件設計流程圖1.11 原理圖程序設計過程中，調用多個子程序，方便在增強設計過程中的邏輯性以及運行時候的查錯處理。其中包括延時程序；數(shù)碼轉換數(shù)碼管顯示程序；初始化程序；中斷程序以及主程序。其中：1.5.1 延時程序 主要用于每個執(zhí)行語句之后，用于添加時間緩沖，以減少出錯率。其中包括對ADC0808進行A/D數(shù)模轉換之后的結束信號進行了二次確認，以減少出錯。1.5.2 數(shù)碼轉換數(shù)碼管顯示程序主要用于對ADC0808輸出的轉化二進制碼輸入通過規(guī)定的公式運算后直接送到數(shù)碼顯示管進行顯示。由于DC0808轉換之后輸出的結果是8位二進制數(shù)。當ADC0808輸出為

23、(1l1l11111)時，輸入電壓值V =500V當ADC0809輸出為(00000000)時，輸入電壓值為0.0O0V；當ADC0809輸出為(10000000)時，輸入電壓值V =250V。由于單片機進行數(shù)學運算時結果只取整數(shù)部分，因此當輸出為(10000000)時計算出的電壓值V =2OOV，很不準確。為了提高精確度，必須把小數(shù)部分保留，具體運算方式如公式(2)。個位：Dout*196/10000 十分位：(Dout*196/1000)%10 百分位：(Dout*196/100)%10 千分位：（Dout*196/10）%10 由此得到較為精確的數(shù)值。1.5.3 初始化程序主要對中斷程序

24、進行初始化，對其各個寄存器進行工作方式的確認，以及對ADC0808的A/D轉換器進行3位地址輸入線用于宣統(tǒng)8路模擬輸入中的一路。1.5.4 中斷程序主要用于在每隔10ms的時間間隔之后，對C51單片機獲得的ADC0808輸入的電壓信號進行對警報值電壓進行比較。如果超過2.5V則P24接口輸出低電平以點亮LED警報燈，反之則熄滅LED警報燈。1.5.5 主程序主要用于對ADC0808的轉換結束信號進行監(jiān)控，并啟動器轉換信號和啟動ADC0808的數(shù)據(jù)輸出允許信號，對輸入的模擬信號電壓值進行A/D轉換以獲取相對應的二進制數(shù)值4 結束語通過本次課程設計，我對模數(shù)轉換芯片ADC0808有進一步了解，故我

25、將此次設計的重點放在了功能的擴展部分模塊的實現(xiàn)方法及顯示的改變上。大二學期教學實驗中，通過網上資料及課本信息，我會會了簡單的編程和設計最重要的是排版效果，在這些過程中我獲益匪淺：加深了對模數(shù)轉換的了解，能對其功能進行多元化的應用；數(shù)碼管的顯示技術上，我在以前所存靜態(tài)顯示的基礎上，又掌握了動態(tài)掃描方法；另一個收獲是在課程設計的過程中，我邊學邊用C語言，對簡單的C語言編程能夠獨立輕松的完成，C語言在單片機的編程中靈活，功能強大，效率高，簡單明了，具有很多優(yōu)勢，學會它是此次課程設計的最大收獲。參考文獻1.戴梅萼 史嘉權 微型計算機技術及應用 北京：清華大學出版社，20032.仇玉章 32位微型計算機原理與接口技術 北京：清華大學出版社，20013.鄭學堅 周斌 微型計算機原理及應用 北京：清華大學出版社，19984.李伯成 候伯亭 微型計算機及應用 西安：電子科技大學出版社，19985.鄧元慶 賈鵬 數(shù)字電路與系統(tǒng)設計 西安：電子科技大學出版社，2003附錄圖1.1整體電路原理圖源程序#include#inclu