單片機應用技術項目化教程課件-項目7數(shù)字電壓表的設計

*開封大學單片機課件制作組項目7數(shù)字電壓表的設計【項目導入】工業(yè)測控領域的測量信號大多都是一些模擬量，這些模擬量要送入單片機進行處理就必須進行模數(shù)轉換（A/D轉換），經(jīng)過A/D轉換的信息就可以通過I/O口進行輸出顯示。單片機的A/D應用在工業(yè)控制領域十分廣泛，在此我們通過數(shù)字電壓表的設計來講述單片機的A/D轉換和數(shù)碼管顯示電路的設計，讓大家能夠掌握A/D轉換器和數(shù)碼管顯示在單片機控制系統(tǒng)中的應用。*開封大學單片機課件制作組【項目目標】1.知識目標（1）理解A/D轉換器的基本原理；（2）掌握A/D轉換器與單片機的接口使用；（3）掌握數(shù)碼管與單片機的接口連接。（2.能力目標（1）能夠正確使用A/D轉換器；（2）能夠設計單片機與A/D轉換器的接口電路并編程控制A/D轉換器；（3）能夠設計單片機與數(shù)碼管的接口電路。3.態(tài)度目標（1）養(yǎng)成良好的學習習慣和勤于思考的態(tài)度；（2）具有與別人和諧相處、互幫互助和有效溝通的團隊協(xié)作意識能力；（3）具有良好的安全意識、環(huán)保意識和責任意識。*開封大學單片機課件制作組7.1項目描述A/D轉換在工業(yè)控制與測量領域有著廣泛的應用，比如說電壓表就是一個例子。本項目就是通過設計一塊電壓表來講述A/D轉換的基本原理、A/D轉換的基本接口電路和A/D轉換的編程以及LED數(shù)碼管顯示電路的設計。項目中轉換電路采用A/D轉換的芯片ADC0809，測量電壓范圍為直流電壓0V～5V，用LED數(shù)碼管顯示。*開封大學單片機課件制作組7.2項目目的與要求本項目的目的就是使用單片機AT89C51、ADC0809轉換器、數(shù)碼管進行設計一塊數(shù)字電壓表，該電壓表能夠準確地測量0V～5V之間的直流電壓值，其測量最小分辨率為0.02V。項目在實施過程中需要解決的一下關鍵問題（1）ADC0809芯片的轉換特性以及它與單片機的接口電路；（2）LED數(shù)碼管顯示原理及接口電路設計；（3）單片機C語言及程序設計。*開封大學單片機課件制作組7.3.1A/D轉換及接口電路

計算機只能儲存和處理二進制形式的數(shù)字量，凡遇到有模擬量的地方，就要進行模擬量向數(shù)字量或數(shù)字量向模擬量的轉換，這就是數(shù)/模和模/數(shù)轉換問題。將模擬量轉換成數(shù)字量的過程稱為A/D轉換，將數(shù)字量轉換成模擬量的過程稱為D/A轉換，與之有關的接口技術稱為模擬通道接口技術。因為在單片機應用系統(tǒng)中，常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉換成數(shù)字信號，才能輸入到單片機中進行處理，然后再將處理結果的數(shù)字量轉換成模擬量輸出，實現(xiàn)對被控對象的控制。7.3項目支撐知識鏈接*開封大學單片機課件制作組

一、A/D轉換基本知識及常用A/D

轉換器件A/D轉換器的作用是將模擬量轉換為數(shù)字量，以便計算機接收處理。傳感器單片機A/D轉換*開封大學單片機課件制作組1.A/D轉換器分類(1)逐次逼近式：逐次逼近式屬直接式A/D轉換器。(2)雙積分式：雙積分式是一種間接式A/D轉換器。(3)V/F變換式：V/F變換器能夠?qū)⒛M電壓信號轉換為頻率信號。(4)并行式：并行式也屬于直接式A/D轉換器，它是所有類型A/D轉換器中轉換速度最快的。*開封大學單片機課件制作組2.A/D轉換器主要技術性能指標

(1)分辨率：分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個最低有效位（LeastSignificantBit——LSB）所對應的輸入模擬電壓的變化量。

n

為A/D轉換器輸出的二進制位數(shù)(2)量化誤差：模擬量是連續(xù)的，而數(shù)字量是斷續(xù)的，當A/D轉換器的位數(shù)固定后，數(shù)字量不能把模擬量所有的值都精確地表示出來，這種由A/D轉換器有限分辨率所造成的真實值與轉換值之間的誤差稱為量化誤差。一般量化誤差為數(shù)字量的最低有效位所表示的模擬量，理想的量化誤差容限是±1/2LSB。

*開封大學單片機課件制作組(3)轉換精度：轉換精度是一個實際的A/D轉換器和理想的A/D轉換器相比的轉換誤差。絕對精度一般以LSB為單位給出，相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。(4)轉換時間：指A/D轉換器完成一次A/D轉換所需時間。轉換時間越短，適應輸入信號快速變化能力越強。其倒數(shù)是轉換速率。(5)溫度系數(shù)：是指A/D轉換器受溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1℃所產(chǎn)生的相對誤差來表示，單位是PPM/℃(10-6/℃)。*開封大學單片機課件制作組3.A/D轉換器原理

（1）采樣與保持采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉換成時間上離散的模擬量稱為采樣。取樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs≥2fmax,y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復原模擬信號),取樣的具體過程如圖所示*開封大學單片機課件制作組A/D轉化過程中的采樣*開封大學單片機課件制作組保持：由于A/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。采樣后保持的過程如圖所示。采樣―保持電路及輸出波形*開封大學單片機課件制作組（2）量化和編碼數(shù)字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。將采樣—保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。電平量化的過程如圖所示。。*開封大學單片機課件制作組（a）量化誤差大（b）量化誤差小劃分量化電平的兩種方法*開封大學單片機課件制作組

二、常用A/D器件的接口電路

ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道、8位逐次逼近式A/D轉換器。*開封大學單片機課件制作組STARTCLOCKEOCD0D7IN0IN7ADDAADDBADDCALE八位轉換器A/D三態(tài)輸出鎖存器VCCGNDOEREF(+)REF(-)38地址鎖存與譯碼八路模擬量開關......1．結構及轉換原理

（1）八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器（2）8位A/D轉換器

（3）三態(tài)輸出寄存器

*開封大學單片機課件制作組2．引腳功能

ADC0809采用DIP-28（雙列直插式）封裝12345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVCCREF(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7(MSB)D6D5D4D0(LSB)REF(-)D2ADC0809*開封大學單片機課件制作組引腳功能表*開封大學單片機課件制作組3．ADC0809的時序

4．ADC0809與MCS-51單片機的接口電路寫信號、P2.7有效時，啟動AD轉換。轉換結束后，輸出高電平，向CPU發(fā)出中斷請求讀信號、P2.7有效時，允許輸出AD轉換結果。轉換時鐘由ALE分頻得到。A1A2803174LS373ADC0809分頻CLOCKD0~D7≥1≥11GEOCSTARTALEOERDP2.7WRALEP0A0~A7A0REF(+)REF(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1轉換結果由此輸出ADDAADDBADDCINT1*開封大學單片機課件制作組主要功能信號的處理方法

(1)時鐘信號：當單片機時鐘頻率高于6MHz時，ALE信號必須經(jīng)2或4分頻后才能接到ADC0809的CLOCK引腳上，否則不能正常工作。(2)地址線和數(shù)據(jù)線：ADC0809的地址選擇信號線和輸出數(shù)據(jù)線均與P0口相接。ADDA～ADDC三根地址線的連接與芯片及模擬通道選擇又密切關系，地址線經(jīng)地址鎖存器可提高輸入信號的穩(wěn)定性。(3)控制信號：通過、和P2.7的組合實現(xiàn)對ADC0809控制，顯然只有當P2.7為低電平時才能對ADC0809進行操作。轉換結束信號EOC通過非門與8031的連接，用來發(fā)出中斷請求或供CPU查詢轉換狀態(tài)。

*開封大學單片機課件制作組各個通道的地址選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809ST××××××××××××CBA

0××××××××××××000

…

…

0××××××××××××111設無關地址位為“1”，則模擬通道IN0～IN7的地址依次為7FF8H～7FFFH*開封大學單片機課件制作組5．程序設計

單片機的A/D轉換編程有兩條基本原則：一方面要滿足所選A/D轉換器的轉換時序要求，另一方面要根據(jù)具體的接口電路編寫具體的轉換程序——即應用軟件要和硬件協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。對于ADC0809而言，其控制程序的主要任務是如何判斷一次A/D轉換何時結束，只有以此為前提才能保證取回的轉換結果的正確性。

*開封大學單片機課件制作組(1)軟件延時等待方式

完成一次A/D轉換的一般流程是：單片機工作寄存器初始化送通道地址及啟動轉換信號軟件延時等待轉換結束送讀取轉換結果信號輸出轉換結果。其中軟件延時時間取決于ADC器件的轉換時間，可以通過計算和調(diào)試獲得。*開封大學單片機課件制作組(2)程序查詢方式

將A/D轉換器的轉換結束信號EOC接至單片機的某端口(如接入P3.3，即

)，啟動轉換開始后用程序查詢該輸入端是否出現(xiàn)轉換結束信號，沒有則繼續(xù)查詢，一旦出現(xiàn)結束信號即可取回轉換結果。*開封大學單片機課件制作組(3)中斷方式

將ADC的轉換結束信號EOC經(jīng)一定的邏輯接口引至單片機的外部中斷輸入端（如接入），用來向單片機提出中斷申請。編程時，在主程序中啟動A/D轉換并繼續(xù)執(zhí)行主程序。當接收到ADC的轉換結束EOC（即中斷請求）信號后立即轉去執(zhí)行中斷服務程序，并在其中完成取回轉換結果、啟動下一次轉換等操作。*開封大學單片機課件制作組例如：數(shù)據(jù)傳送程序：#defineADDIN0XBYTE[0XFEF0]//定義0809的口地址Unsignedcharaddata；addata=ADDIN0；//讀A/D轉換數(shù)據(jù)（INT0）該指令在送出有效口地址的同時，發(fā)出有效信號，使ADC0809的輸出允許信號OE有效，從而打開三態(tài)門輸出，把轉換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入內(nèi)部變量addata中。*開封大學單片機課件制作組【例7-1】在圖7-6所示的接口電路設計中如何實現(xiàn)8路模擬量輸入的巡回監(jiān)測系統(tǒng)。過程分析：ADC0809的8路通道地址為0FEF0H～0FEF8H，在51程序設計中，要訪問外部RAM器件，需通過XBYTE指令定義在本系統(tǒng)中，ADC0809的通道0的地址為0xfef0，讀取該通道值的語句為ad_value=XBYTE[0xfef0]。程序設計如下：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineAD08090xfef0SbitP3_5=P3^5;Unsignedchardat=0xff;Unsignedcharchannel_num=0x00;Unsignedcharad_value[8];/*************主程序***********/*開封大學單片機課件制作組main(){IT1=1;EA=1;EX1=1;XBYTE[AD0809+channel_num]=0x00;//啟動AD0809While(1);}/*************主程序***********/VoidInt1_Int1SR()interrupt2{ad_value[channel_num]=XBYTE[AD0809+channel_num];channel_num++;XBYTE[AD0809+channel_num]=0x00;//重新啟動AD0809If(channel_num==8){channel_num=0;}}*開封大學單片機課件制作組7.3.2

LED數(shù)碼管顯示控制技術一、LED數(shù)碼管顯示器結構

在LED數(shù)碼管是由七段管芯為磷化鎵或砷化鎵的發(fā)光二極管構成8字型，可以顯示0~9以及a~f的數(shù)字或符號，此外，有些LED數(shù)碼管顯示器帶一個小數(shù)點發(fā)光短段。根據(jù)內(nèi)部發(fā)光二極管極性的接法不同可以分成共陽極和共陰極兩種。如圖7-17，發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管顯示器，所有陰極連接在一起的稱為共陰極數(shù)碼管顯示器，這些公共的陰極或陽極通常稱為公共端或位選端。*開封大學單片機課件制作組*開封大學單片機課件制作組

在每個LED數(shù)碼管顯示器由7個發(fā)光二極管組成（帶小數(shù)的點的多一個發(fā)光二極管），每個發(fā)光二極管組成顯示器中的一個段位，每個段有規(guī)定的符號名稱，分別命名為a~g段（小數(shù)點段為dp），表示小數(shù)點段。以共陰數(shù)碼管為例，當給數(shù)碼管中的段加正電壓時，對應的段發(fā)光點亮，加低電平的段不發(fā)光，這樣通過在不同的段加不同的電平就能顯示10進制的0~9及16進制的a~f任意數(shù)字。*開封大學單片機課件制作組

發(fā)光二極管是電流控制器件，其發(fā)光強度由流過二極管的電流控制，一般而言，10mA的電流是維持發(fā)光二極管正常亮度的正常電流。發(fā)光二極管導通之后的電壓降約為1.8V~2.2V之間。在單片機系統(tǒng)中的工作電壓為+5V，因此為了不損壞LED數(shù)碼管中的發(fā)光二極管段，應給每段加上限流電阻，使流過每個段的電流不超過10mA，每個段的管壓降在1.8V~2.2V之間。*開封大學單片機課件制作組

在單片機系統(tǒng)中，若用P1口接LED數(shù)碼管的段，其中P1.0接段a，P1.1接段b，余類推，P1.7接段dp。要顯示數(shù)字0~9和字母a~f的編碼如表所示。編碼方式

共陰極數(shù)碼管段編碼表顯示字符段碼顯示字符段碼012345678 3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH9ABCDEF滅6FH77H7CH39H5EH79H71H00H*開封大學單片機課件制作組LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。（1）靜態(tài)LED數(shù)碼管顯示

每一個LED使用不同的段位驅(qū)動線和公共驅(qū)動線。在顯示字符字，相應的段一直導通，或一直截止。直到顯示另一個字符為止。二、

LED數(shù)碼顯示器及接口技術

例如，7段顯示器的a，b，c段恒定導通，其余段和小數(shù)點恒定截止時顯示‘7’；當顯示字符‘8’時，顯示器的a，b，c，d，e，f，g段恒定導通，dp恒定截止。 *開封大學單片機課件制作組

特點：靜態(tài)顯示器的亮度較高。這種顯示方式編程容易，使用簡單，但占用的單片機I/O口資源較多。在顯示位數(shù)較多時通常不采用靜態(tài)顯示方式，多采用動態(tài)顯示方式。

LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極公共端接地；若為共陽極則接+5V電源。每位LED的段線接到單片機的I/O上。*開封大學單片機課件制作組數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口電路*開封大學單片機課件制作組在圖中顯示“28”的程序如下：

#include<reg51.h>ucharcodeDSY_CODE[]=//段碼表{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff}；voidmain(){P0=0xFF

；

While(1){P0=DSY_CODE[2]；//顯示數(shù)字2P2=DSY_CODE[8]；//顯示數(shù)字8}}*開封大學單片機課件制作組（2）動態(tài)LED數(shù)碼管顯示

當LED顯示位數(shù)較多的時，為了簡化電路，減低成本，通常采用動態(tài)LED顯示方法。將多位LED的段碼線并接在一起，接到單片機的段碼驅(qū)動I/O口。而每位的公共端即位控制端由各自獨立的I/O口來控制，實現(xiàn)分時選通。圖7-18所示的為5位LED的動態(tài)顯示接口。5個數(shù)碼管的所有段碼線并接在一起，接到CPU的D0~D7數(shù)據(jù)端，5個位選控制端分別為C0~C4，它們不能同時為低電平。*開封大學單片機課件制作組

若C0~C4同時為低電平，則當D0~D7口送一個段顯示數(shù)據(jù)時，由于5位LED數(shù)碼管的段碼線并聯(lián)共用，故D0~D7的段碼同時送到5位LED的a-g段，由于此時5位LED的位選線全部接低電平，5個LED顯示同一個數(shù)字，這其實沒有意義。為能使5位LED顯示5個不同的數(shù)字，必須使5位LED輪流顯示。*開封大學單片機課件制作組

在上圖中，要想從左至右顯示數(shù)字1~5，先顯示數(shù)字1，由表可知,送數(shù)字06H到D0~D7段碼端，與此同時，從位選線送出數(shù)據(jù)，使左邊第一位（L0）LED數(shù)碼管的公共段導通，即C0=0，位選線C1~C4應為高電平‘1’。這樣左邊第一位數(shù)碼管中便會顯示數(shù)字‘1’。*開封大學單片機課件制作組

接著從D0-D7上送下一個顯示數(shù)字的段碼，從C1輸出0使L1導通顯示，按同樣的方法直到第5個數(shù)碼顯示數(shù)字。不斷循環(huán)重復這一過程便能在數(shù)碼管中顯示5個連續(xù)數(shù)字。很顯然，在此過程中，任意時刻5個數(shù)碼管中只有一個在導通顯示，它們輪流工作。只要數(shù)碼管輪流時間足夠短（小于人眼視覺殘留時間），5個數(shù)碼管中顯示的便是連續(xù)數(shù)字。*開封大學單片機課件制作組動態(tài)顯示接口電路*開封大學單片機課件制作組從圖中可以看出，各位數(shù)碼管得a～h端并連在一起，通過驅(qū)動器與單片機系統(tǒng)的P1口相連，每只數(shù)碼管的共陽極通過電子開關與Vcc相連，電子開關（三極管）受控于P3口。圖中數(shù)碼管為共陽極數(shù)碼管。要點亮某一位數(shù)碼管時，先將該位顯示代碼送P1口，再選通該位電子開關（相應的口線輸出低電平）。在圖7-9中，要動態(tài)顯示“28”的C51程序如下：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedintSbitP30=P3^0SbitP37=P3^7//定義位線ucharcodeDSY_CODE[]=//段碼表{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff}；*開封大學單片機課件制作組/*********延時程序**********/VoidDelayMS(unitx){uchart;while(x--)for(t=120;t>0;t--);}/*********主程序**********/voidmain(){While(1){P0=DSY_CODE[2];//數(shù)字2的段碼送P0口

P30=0

;DelayMS(1)

;//顯示1MSP30=1

;//關閉

P0=DSY_CODE[8]

;//數(shù)字8的段碼送P0口

P37=0

;DelayMS(1)

;P37=1

;}}*開封大學單片機課件制作組7.4項目實施按照項目的設計要求，將系統(tǒng)分為主控模塊、A/D轉換模塊、LED顯示模塊、驅(qū)動電路模塊等幾個模塊，系統(tǒng)的框圖如圖7-10所示。主控模塊是AT89C51小系統(tǒng)，A/D轉換模塊采用ADC0809轉換器芯片，顯示模塊采用4位7