單片機設(shè)計電壓傳感器

1、目錄目錄第第 1 1 章課題的設(shè)計要求、目的、意義章課題的設(shè)計要求、目的、意義 1 11.1 課題的設(shè)計要求：11.2 課題的設(shè)計目的與意義：1第第 2 2 章系統(tǒng)總體方案選擇與說明章系統(tǒng)總體方案選擇與說明 2 22.1 通道轉(zhuǎn)換方案設(shè)計 22.2 顯示部分方案設(shè)計 2第第 3 3 章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理 3 33.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 33.2 工作原理 4第第 4 4 章各單元硬件設(shè)計說明與計算方法章各單元硬件設(shè)計說明與計算方法 5 54.1 單片機的選擇 54.2 時鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計 64.3LED 顯示電路設(shè)計與器件選擇 74.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路和測量電路

2、的設(shè)計 9第第 5 5 章軟件設(shè)計與說明章軟件設(shè)計與說明 11115.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計（流程圖）115.2 程序設(shè)計 12第第 6 6 章使用說明與調(diào)試結(jié)果章使用說明與調(diào)試結(jié)果 1313總結(jié)總結(jié) 1414參考資料參考資料 1515附錄附錄 1 1 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖 1616. . . . 1 / 22附錄附錄 2 2 程程序序清單清單 1717第第 1 1 章章 課題的設(shè)計要求、目的、意義課題的設(shè)計要求、目的、意義1.11.1 課題的設(shè)計要求：課題的設(shè)計要求：設(shè)計并制作用單片機控制一個數(shù)字式電壓表。本電壓表為多路模擬量輸入，圍為 05V，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程量在 LED 數(shù)碼顯示器上顯示

3、，測量最小分辨率為 0.0196V，測量誤差為0.02V。1.21.2 課題的設(shè)計目的與意義：課題的設(shè)計目的與意義：課程設(shè)計是讓我熟練掌握了課本上的一些理論知識，課程設(shè)計也是一個學(xué)習(xí)新知識、鞏固加深所學(xué)課本理論知識的過程，它培養(yǎng)了我們綜合運用知識的能力，獨立思考和解決問題的能力。加深我們對單片機原理與應(yīng)用課程的理解。. . . . 2 / 22第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案選擇與說明系統(tǒng)總體方案選擇與說明實現(xiàn)數(shù)字電壓表的方案很多，目前廣泛采用的時基于 74 系列邏輯器件，本設(shè)計將介紹基于單片機實現(xiàn)的方案。2.12.1 通道轉(zhuǎn)換方案設(shè)計通道轉(zhuǎn)換方案設(shè)計方案一：考慮到 ADC0808 的 8 路

4、模擬量輸入本質(zhì)上也是模擬開關(guān)，因此可以利用其 8 個模擬通道中的 3 個作為通道轉(zhuǎn)換器，即根據(jù)通道對應(yīng)的電壓測量圍確定對應(yīng)的電壓方法倍數(shù)設(shè)計對應(yīng)的放大電路。方案二：利用手動開關(guān)實現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換。該方案可簡化控制程序，消減系統(tǒng)開銷?？s短反應(yīng)時間，不足之處在于操作麻煩。綜上所述：方案二所需元件少、成本低且易于實現(xiàn)，則選此方案。2.22.2 顯示部分方案設(shè)計顯示部分方案設(shè)計方案一：單片機的 P0、P2 口分別接 74LS248 和 ULN2003A 芯片來驅(qū)動四位數(shù)碼管方案二：直接用單片機的 P1、P2 口驅(qū)動數(shù)碼管，此處把ADC0808 的輸出端接 P1 口 ，因為 P1 口能夠驅(qū)動數(shù)碼管。綜上所述，

5、兩個方案都可行，但方案二所需元件少、成本低，則選擇此方案。. . . . 3 / 22第第 3 3 章章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理3.13.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)項目要求，確定該系統(tǒng)的設(shè)計方案，圖 3-1 為該方案的硬件電路設(shè)計框圖。由 6 個部分組成，即單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、LED 顯示電路、A/D 轉(zhuǎn)換器和測量電壓輸入電路。時鐘電路復(fù)位電路單片機LED 顯示電路A/D 轉(zhuǎn)換測量電壓輸入電路 圖 3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖. . . . 4 / 223.23.2 工作原理工作原理系統(tǒng)采用 12M 晶振產(chǎn)生脈沖做 AT89C51 的部時鐘信號，通過軟件設(shè)置單片機的

6、部定時器 T0 產(chǎn)生中斷信號。利用中斷設(shè)置單片機的 P2.4 口取反產(chǎn)生脈沖做 AT89C51 的時鐘信號。通過按鍵選擇八路通道中的一路，將該路電壓送入 ADC0808 相應(yīng)通道，單片機軟件設(shè)置 ADC0808 開始 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADC0808 的 EOC端口產(chǎn)生高電平，同時將 ADC0808 的 EO 端口置為高電平，單片機將轉(zhuǎn)換后結(jié)果存到片 RAM。系統(tǒng)調(diào)出顯示子程序，將保存結(jié)果轉(zhuǎn)化為 0.00-5.00V 分別保存在片 RAM;系統(tǒng)調(diào)出顯示子程序，將轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)查表，輸出到 LED 顯示電路，將相應(yīng)電壓顯示出來，程序進入下一個循環(huán)。. . . . 5 / 22第第 4 4 章章

7、 各單元硬件設(shè)計說明與計算方法各單元硬件設(shè)計說明與計算方法根據(jù)設(shè)計要求與思路，確定該系統(tǒng)的設(shè)計方案。硬件電路由5 個部分組成，即單片機時鐘電路、復(fù)位電路、4 位顯示器電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路和鍵盤與測量電路。4.14.1 單片機的選擇單片機的選擇系統(tǒng)設(shè)計使用 MCS-51 單片機 8051 芯片。8051 芯片由以下部分組成：中央處理器、256 單元的部數(shù)據(jù)存儲器、4KB 的程序存儲器、定時器/計數(shù)器、四個八位的 I/O 口，中斷控制系統(tǒng)與時鐘電路。圖 4.1 所示為采用雙列直插式封裝的 8051AH 芯片管腳圖。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD0

8、39P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51. . . . 6 / 22圖 4.1 80C

9、51 芯片管腳圖4.24.2 時鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計時鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計時鐘電路是計算機最核心的部分，它控制著計算機的工作MCS-51 單片機允許的時鐘頻率典型值為 12MHZ。80C51 單片機部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，分別是 80C51 的 19 腳和 18 腳。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接石英晶體與兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。石英晶振起振后要能在 XTAL2 線上輸出一個 3V左右的正弦波，使 MCS-51 片的 OCS 電路按石英晶振一樣頻率自激震蕩。通常，OCS 的輸出時鐘頻率 fosc

10、 為 0.5MHZ16MHZ，典型值為 12MHZ 電容器 C1 和 C2 通常取 30pF 左右，對震蕩頻率有微調(diào)作用。調(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào)震蕩周期 fosc 的目的。單片機的 RST 管腳為主機提供一個外部復(fù)位信號輸入端口。復(fù)位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間應(yīng)為 2 個機器周期以上。單片機的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手工復(fù)位兩種。圖4-2 所示是 51 系列單片機常用的上電復(fù)位電路，只要 Vcc 上升時間不超過 1ms，它們都能很好地工作。復(fù)位以后，單片機各部件恢復(fù)到初始狀態(tài)。電阻電容器件的參考值:R1=200,R2=1K,C3=22F。RET 按鍵可以選擇專門的復(fù)位按鍵，也可以選擇

11、輕觸開關(guān)。電路圖如圖 4-2 所示。. . . . 7 / 22圖 4-2 時鐘電路與復(fù)位電路4.3LED4.3LED 顯示電路設(shè)計與器件選擇顯示電路設(shè)計與器件選擇單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進行人機對話。這包括人對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入，以與應(yīng)用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結(jié)果。顯示器、鍵盤電路就是用來完成人機對話活動的人機通道。LED 顯示器的驅(qū)動是一個非常重要的問題，此設(shè)計不采用段驅(qū)動芯片和位驅(qū)動芯片，直接由單片機的 P1，P2 口驅(qū)動，實驗證明可行。. . . . 8 / 22在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計要求不同，使用的 LED 顯示器的位數(shù)也不同，因此生產(chǎn)廠家就生產(chǎn)了多種位數(shù)、尺寸、型號

12、不同的 LED顯示器。在我們的設(shè)計中，選擇 4 位一體的共陰極時鐘型 LED 顯示器，采用動態(tài)顯示方式。圖 4-2 為本系統(tǒng) LED 顯示電路，采用P1 口作為 LED 的段碼輸出信號，P2 口的低四位作為 LED 位碼的輸出控制信號。圖 4-3 LED 顯示原理圖說明：1 位顯示轉(zhuǎn)換通道，2、3 和 4 位顯示電壓表數(shù)值。. . . . 9 / 224.44.4 A/DA/D 轉(zhuǎn)換電路和測量電路的設(shè)計轉(zhuǎn)換電路和測量電路的設(shè)計A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量轉(zhuǎn)換為與其大小成正比的數(shù)字量信號。能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的原理和方法很多，此設(shè)計采用 ADC0808轉(zhuǎn)換器。ADC0808 是一種逐次逼近型的 8

13、位 A/D 轉(zhuǎn)換器件，片有8 路模擬開關(guān)，可輸入 8 個模擬量，單極性，量程為 0+5V。 74LS373: 是帶有清除端的 8D 觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為 11 腳 CLK，采用上升沿鎖存。1D8D 為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q 為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用做 8 位地址鎖存器。用單片機的 P2.4 對應(yīng) ADC0808 的 ALE 端，P2.5 對應(yīng) EOC 端，P2.6 對應(yīng) OE 端,P3.3 對應(yīng) CLK 端，用軟件設(shè)定給定的值。ADDA、ADDB 和 ADDC 連接 74LS373 的輸出端，由 74LS373 輸出值選擇通道。IN0I

14、N7 分別 8 個被測電位器，根據(jù)選擇的通道，ADC0808 選擇測量相應(yīng)通道的電位。電路圖如圖 4-4 所示。. . . . 10 / 22圖 4-4 A/D 轉(zhuǎn)換測量電路說明：0808 芯片的 IN0-IN7 分別接 8 個電位器，OUT1-OUT8接單片機 P0 口并與 74373 的 D0-D7 連接。74373 的 OE 接地，LE接單片機 P3.2 管腳，用程序控制其鎖存地址。0808 芯片的 CLK接 P3.3 用程序給其初始化脈沖。ST 和 ALE 接 P2.4,OE、EOC 分別接 P2.6、P2.5，編程控制以控制 0808 芯片。. . . . 11 / 22第第 5 5

15、 章章 軟件設(shè)計與說明軟件設(shè)計與說明5.15.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計（流程圖）系統(tǒng)軟件設(shè)計（流程圖）圖 5.1 為程序軟件設(shè)計流程圖 其中(a)為主程序流程圖，（b）為 A/D 轉(zhuǎn)換子程序流程圖。開始初始化調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序開始開始模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換是否完成取得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果并轉(zhuǎn)化為工程量顯示轉(zhuǎn)化結(jié)果結(jié)束（a）主程序流程圖（b）A/D 轉(zhuǎn)換子程序流程圖調(diào)用延時程序其中 A/D 轉(zhuǎn)換子程序是將 0808 轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量，需通過轉(zhuǎn)化子程序轉(zhuǎn)化成工程量并通過查表送到 P1 口送給 LED 顯示。. . . . 12 / 225.25.2 程序設(shè)計程序設(shè)計（1）初始化程序 給 ADC0808 時

16、鐘脈沖信號，并指向 0808 的 0通道啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，通過延時等待 8 路采集完畢。（2）數(shù)據(jù)讀入 控制 0808 芯片的 ALE、START、EOC 和OE，STRT 為正脈沖時轉(zhuǎn)換開始， EOC 為低電平時 A/D 轉(zhuǎn)化結(jié)束，OE 為高電平時轉(zhuǎn)換結(jié)果送到數(shù)據(jù)線并被單片機讀入，ALE 為上升沿信號地址鎖存允許 CLR P2.4SETB P2.4 CLR P2.4 JNB P2.5,$ SETB P2.6 MOVX A,DPTR MOV ADC,A CLR P2.6（3）消抖 防抖動的時間是 10ms。（4）通道轉(zhuǎn)換 當(dāng)判斷有按鍵按下后 P3.2 口置位即允許74373 地址鎖存，DPT

17、R 加 1 指向下一通道。. . . . 13 / 22第 6 章 使用說明與調(diào)試結(jié)果該數(shù)字電壓表可以同時測量 8 路直流數(shù)據(jù)，電壓表測量圍為0.005.00V，測量最小分辨率為 19.5mv。整個系統(tǒng)由一個按鈕控制，最左邊個 LED 顯示器是指向當(dāng)前通道，即電位器編號。用 Proteus 仿真中點 PLAY 電壓表默認顯示第 8 通道即第 8 個電位器 RV8 的測量值。第一次按下按鈕后，改變測量通道即第 1 通道 RV1 的值，第2 下為第 2 通道，依次循環(huán)測量 8 個電位器的電壓值。選擇其中任意電位器并撥動其位置能改變其值，最大值為5V，最小值為 0V，在中間時為 2.49V，單片機能

18、讀出并正確顯示。經(jīng)調(diào)試后該系統(tǒng)能達到目標要求。. . . . 14 / 22總結(jié)這次課程設(shè)計對我來說學(xué)到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作?，F(xiàn)在想來，也許學(xué)校安排的課程設(shè)計有著它更深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理論知識來運用到設(shè)計和創(chuàng)新，還讓我們知道了一個團隊凝聚在一起時所能發(fā)揮出的巨大潛能!在團隊中，我們互幫互助，對整個課程設(shè)計來說，這是至關(guān)重要的，缺少每一個人都會對我們的設(shè)計產(chǎn)生影響。還有要感指導(dǎo)老師在我們遇到困難時，給予我們的建議與鼓勵。 在一個星期后的今天我已明白課程設(shè)計對我來說的意義，它不僅僅是讓我們把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，更

19、重要的是同學(xué)間的團結(jié)，雖然我們這次花去的時間比別人多，但我相信我們得到的也會更多! 發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。. . . . 15 / 22參考資料1 51 周向紅.系列單片機應(yīng)用與實踐教程.：航空航天大學(xué)，2008 2 王迎旭.單片機原理與應(yīng)用.：機械工業(yè), 2004 3 公茂法.單片機人機接口實例. :航空航天大學(xué),2006. . . . 16 / 22附錄 1 系統(tǒng)原理圖. . . . 17 / 22附錄 2 程序清單ADC EQU 50HLED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HLED_3 EQ

20、U 33HORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP INT0ORG 0030HMAIN:LCALL CLK ;初始化MOV R4,#8MOV LED_3,R4START1:MOV DPTR,#7FF0H ;指向 0 通道 MOVX DPTR,A ;讀取轉(zhuǎn)換數(shù)值P3.4,AAA1 LCALL DELAY ;調(diào)用延時程序 LCALL DELAYLCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAY. . . . 18 / 22 LCALL DELA

21、Y P3.4,AAA1 ;判斷是否按下按鈕并開始轉(zhuǎn)換數(shù)值SETB P3.2 ;P3.2 給高電平鎖存地址INC R4CJNE R4,#9,AAA2MOV R4,#1AAA2: MOV LED_3,R4 ;顯示所選通道INC R5INC DPTR ;指向下一通道 MOV B,R5 ;顯示通道并重新鎖存地址 MOV P0,B CLR P3.2JNB P3.4,$AAA1: CLR P2.4 SETB P2.4CLR P2.4JNB P2.5,$SETB P2.6MOVX A,DPTR ;讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)化為工程量 MOV ADC,A CLR P2.6LCALL CONV ;調(diào)用轉(zhuǎn)換子程序LCALL DISP ;調(diào)用顯示子程序LCALL DELAY ;調(diào)用延時程序LJMP START1CONV: MOV A,ADC ;數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序MOV B,#51DIV ABMOV LED_2,A. . . . 19 / 22 MOV A,B CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 MUL A