单片机设计电压传感器

1、目录目录第第 1 1 章课题的设计要求、目的、意义章课题的设计要求、目的、意义 1 11.1 课题的设计要求：11.2 课题的设计目的与意义：1第第 2 2 章系统总体方案选择与说明章系统总体方案选择与说明 2 22.1 通道转换方案设计 22.2 显示部分方案设计 2第第 3 3 章系统结构框图与工作原理章系统结构框图与工作原理 3 33.1 系统结构框图 33.2 工作原理 4第第 4 4 章各单元硬件设计说明与计算方法章各单元硬件设计说明与计算方法 5 54.1 单片机的选择 54.2 时钟电路与复位电路的设计 64.3LED 显示电路设计与器件选择 74.4 A/D 转换电路和测量电路

2、的设计 9第第 5 5 章软件设计与说明章软件设计与说明 11115.1 系统软件设计（流程图）115.2 程序设计 12第第 6 6 章使用说明与调试结果章使用说明与调试结果 1313总结总结 1414参考资料参考资料 1515附录附录 1 1 系统原理图系统原理图 1616. . . . 1 / 22附录附录 2 2 程程序序清单清单 1717第第 1 1 章章 课题的设计要求、目的、意义课题的设计要求、目的、意义1.11.1 课题的设计要求：课题的设计要求：设计并制作用单片机控制一个数字式电压表。本电压表为多路模拟量输入，围为 05V，将采集的数据转换成工程量在 LED 数码显示器上显示

3、，测量最小分辨率为 0.0196V，测量误差为0.02V。1.21.2 课题的设计目的与意义：课题的设计目的与意义：课程设计是让我熟练掌握了课本上的一些理论知识，课程设计也是一个学习新知识、巩固加深所学课本理论知识的过程，它培养了我们综合运用知识的能力，独立思考和解决问题的能力。加深我们对单片机原理与应用课程的理解。. . . . 2 / 22第第 2 2 章章 系统总体方案选择与说明系统总体方案选择与说明实现数字电压表的方案很多，目前广泛采用的时基于 74 系列逻辑器件，本设计将介绍基于单片机实现的方案。2.12.1 通道转换方案设计通道转换方案设计方案一：考虑到 ADC0808 的 8 路

4、模拟量输入本质上也是模拟开关，因此可以利用其 8 个模拟通道中的 3 个作为通道转换器，即根据通道对应的电压测量围确定对应的电压方法倍数设计对应的放大电路。方案二：利用手动开关实现通道转换。该方案可简化控制程序，消减系统开销。缩短反应时间，不足之处在于操作麻烦。综上所述：方案二所需元件少、成本低且易于实现，则选此方案。2.22.2 显示部分方案设计显示部分方案设计方案一：单片机的 P0、P2 口分别接 74LS248 和 ULN2003A 芯片来驱动四位数码管方案二：直接用单片机的 P1、P2 口驱动数码管，此处把ADC0808 的输出端接 P1 口 ，因为 P1 口能够驱动数码管。综上所述，

5、两个方案都可行，但方案二所需元件少、成本低，则选择此方案。. . . . 3 / 22第第 3 3 章章 系统结构框图与工作原理系统结构框图与工作原理3.13.1 系统结构框图系统结构框图根据项目要求，确定该系统的设计方案，图 3-1 为该方案的硬件电路设计框图。由 6 个部分组成，即单片机、时钟电路、复位电路、LED 显示电路、A/D 转换器和测量电压输入电路。时钟电路复位电路单片机LED 显示电路A/D 转换测量电压输入电路 图 3-1 系统结构框图. . . . 4 / 223.23.2 工作原理工作原理系统采用 12M 晶振产生脉冲做 AT89C51 的部时钟信号，通过软件设置单片机的

6、部定时器 T0 产生中断信号。利用中断设置单片机的 P2.4 口取反产生脉冲做 AT89C51 的时钟信号。通过按键选择八路通道中的一路，将该路电压送入 ADC0808 相应通道，单片机软件设置 ADC0808 开始 A/D 转换，转换结束 ADC0808 的 EOC端口产生高电平，同时将 ADC0808 的 EO 端口置为高电平，单片机将转换后结果存到片 RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为 0.00-5.00V 分别保存在片 RAM;系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到 LED 显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。. . . . 5 / 22第第 4 4 章章

7、 各单元硬件设计说明与计算方法各单元硬件设计说明与计算方法根据设计要求与思路，确定该系统的设计方案。硬件电路由5 个部分组成，即单片机时钟电路、复位电路、4 位显示器电路、A/D 转换电路和键盘与测量电路。4.14.1 单片机的选择单片机的选择系统设计使用 MCS-51 单片机 8051 芯片。8051 芯片由以下部分组成：中央处理器、256 单元的部数据存储器、4KB 的程序存储器、定时器/计数器、四个八位的 I/O 口，中断控制系统与时钟电路。图 4.1 所示为采用双列直插式封装的 8051AH 芯片管脚图。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图 4.1 80C

9、51 芯片管脚图4.24.2 时钟电路与复位电路的设计时钟电路与复位电路的设计时钟电路是计算机最核心的部分，它控制着计算机的工作MCS-51 单片机允许的时钟频率典型值为 12MHZ。80C51 单片机部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2，分别是 80C51 的 19 脚和 18 脚。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接石英晶体与两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。石英晶振起振后要能在 XTAL2 线上输出一个 3V左右的正弦波，使 MCS-51 片的 OCS 电路按石英晶振一样频率自激震荡。通常，OCS 的输出时钟频率 fosc

10、 为 0.5MHZ16MHZ，典型值为 12MHZ 电容器 C1 和 C2 通常取 30pF 左右，对震荡频率有微调作用。调节它们可以达到微调震荡周期 fosc 的目的。单片机的 RST 管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为 2 个机器周期以上。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图4-2 所示是 51 系列单片机常用的上电复位电路，只要 Vcc 上升时间不超过 1ms，它们都能很好地工作。复位以后，单片机各部件恢复到初始状态。电阻电容器件的参考值:R1=200,R2=1K,C3=22F。RET 按键可以选择专门的复位按键，也可以选择

11、轻触开关。电路图如图 4-2 所示。. . . . 7 / 22图 4-2 时钟电路与复位电路4.3LED4.3LED 显示电路设计与器件选择显示电路设计与器件选择单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以与应用系统向人们显示运行状态与运行结果。显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。LED 显示器的驱动是一个非常重要的问题，此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的 P1，P2 口驱动，实验证明可行。. . . . 8 / 22在应用系统中，设计要求不同，使用的 LED 显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号

12、不同的 LED显示器。在我们的设计中，选择 4 位一体的共阴极时钟型 LED 显示器，采用动态显示方式。图 4-2 为本系统 LED 显示电路，采用P1 口作为 LED 的段码输出信号，P2 口的低四位作为 LED 位码的输出控制信号。图 4-3 LED 显示原理图说明：1 位显示转换通道，2、3 和 4 位显示电压表数值。. . . . 9 / 224.44.4 A/DA/D 转换电路和测量电路的设计转换电路和测量电路的设计A/D 转换器的功能是将模拟量转换为与其大小成正比的数字量信号。能实现这种转换的原理和方法很多，此设计采用 ADC0808转换器。ADC0808 是一种逐次逼近型的 8

13、位 A/D 转换器件，片有8 路模拟开关，可输入 8 个模拟量，单极性，量程为 0+5V。 74LS373: 是带有清除端的 8D 触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为 11 脚 CLK，采用上升沿锁存。1D8D 为数据输入端，1Q8Q 为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用做 8 位地址锁存器。用单片机的 P2.4 对应 ADC0808 的 ALE 端，P2.5 对应 EOC 端，P2.6 对应 OE 端,P3.3 对应 CLK 端，用软件设定给定的值。ADDA、ADDB 和 ADDC 连接 74LS373 的输出端，由 74LS373 输出值选择通道。IN0I

14、N7 分别 8 个被测电位器，根据选择的通道，ADC0808 选择测量相应通道的电位。电路图如图 4-4 所示。. . . . 10 / 22图 4-4 A/D 转换测量电路说明：0808 芯片的 IN0-IN7 分别接 8 个电位器，OUT1-OUT8接单片机 P0 口并与 74373 的 D0-D7 连接。74373 的 OE 接地，LE接单片机 P3.2 管脚，用程序控制其锁存地址。0808 芯片的 CLK接 P3.3 用程序给其初始化脉冲。ST 和 ALE 接 P2.4,OE、EOC 分别接 P2.6、P2.5，编程控制以控制 0808 芯片。. . . . 11 / 22第第 5 5

15、 章章 软件设计与说明软件设计与说明5.15.1 系统软件设计（流程图）系统软件设计（流程图）图 5.1 为程序软件设计流程图 其中(a)为主程序流程图，（b）为 A/D 转换子程序流程图。开始初始化调用 A/D 转换子程序调用显示子程序开始开始模数转换转换是否完成取得模数转换结果并转化为工程量显示转化结果结束（a）主程序流程图（b）A/D 转换子程序流程图调用延时程序其中 A/D 转换子程序是将 0808 转化后的数字量，需通过转化子程序转化成工程量并通过查表送到 P1 口送给 LED 显示。. . . . 12 / 225.25.2 程序设计程序设计（1）初始化程序 给 ADC0808 时

16、钟脉冲信号，并指向 0808 的 0通道启动 A/D 转换，通过延时等待 8 路采集完毕。（2）数据读入 控制 0808 芯片的 ALE、START、EOC 和OE，STRT 为正脉冲时转换开始， EOC 为低电平时 A/D 转化结束，OE 为高电平时转换结果送到数据线并被单片机读入，ALE 为上升沿信号地址锁存允许 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 防抖动的时间是 10ms。（4）通道转换 当判断有按键按下后 P3.2 口置位即允许74373 地址锁存，DPT

17、R 加 1 指向下一通道。. . . . 13 / 22第 6 章 使用说明与调试结果该数字电压表可以同时测量 8 路直流数据，电压表测量围为0.005.00V，测量最小分辨率为 19.5mv。整个系统由一个按钮控制，最左边个 LED 显示器是指向当前通道，即电位器编号。用 Proteus 仿真中点 PLAY 电压表默认显示第 8 通道即第 8 个电位器 RV8 的测量值。第一次按下按钮后，改变测量通道即第 1 通道 RV1 的值，第2 下为第 2 通道，依次循环测量 8 个电位器的电压值。选择其中任意电位器并拨动其位置能改变其值，最大值为5V，最小值为 0V，在中间时为 2.49V，单片机能

18、读出并正确显示。经调试后该系统能达到目标要求。. . . . 14 / 22总结这次课程设计对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!在团队中，我们互帮互助，对整个课程设计来说，这是至关重要的，缺少每一个人都会对我们的设计产生影响。还有要感指导老师在我们遇到困难时，给予我们的建议与鼓励。 在一个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更

19、重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多! 发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。. . . . 15 / 22参考资料1 51 周向红.系列单片机应用与实践教程.：航空航天大学，2008 2 王迎旭.单片机原理与应用.：机械工业, 2004 3 公茂法.单片机人机接口实例. :航空航天大学,2006. . . . 16 / 22附录 1 系统原理图. . . . 17 / 22附录 2 程序清单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 ;读取转换数值P3.4,AAA1 LCALL DELAY ;调用延时程序 LCALL DELAYLCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAY. . . . 18 / 22 LCALL DELA

21、Y P3.4,AAA1 ;判断是否按下按钮并开始转换数值SETB P3.2 ;P3.2 给高电平锁存地址INC R4CJNE R4,#9,AAA2MOV R4,#1AAA2: MOV LED_3,R4 ;显示所选通道INC R5INC DPTR ;指向下一通道 MOV B,R5 ;显示通道并重新锁存地址 MOV P0,B CLR P3.2JNB P3.4,$AAA1: CLR P2.4 SETB P2.4CLR P2.4JNB P2.5,$SETB P2.6MOVX A,DPTR ;读取转换数据开始转化为工程量 MOV ADC,A CLR P2.6LCALL CONV ;调用转换子程序LCALL DISP ;调用显示子程序LCALL DELAY ;调用延时程序LJMP START1CONV: MOV A,ADC ;数值转换子程序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