【正文】 計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 由于單片機在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來 。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使 計算機系統(tǒng) 更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，當(dāng)時的單片機都是8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上發(fā)展出了MCS51 系列單片機系統(tǒng)。因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。盡管2021 年以后 ARM 已經(jīng)發(fā)展出了 32 位的 主頻 超過 300M 的高端單片機，直到目前基于 8031 的單片機還在廣泛的使用。在很多方面單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機家族的發(fā)展壯大，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、 電話 、 計算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標等電腦配件中都配有 12 部單片機。 汽車上一般配備 40 多部單片機，復(fù)雜的 工業(yè)控制系統(tǒng) 上甚至可能有數(shù)百臺單片機在 同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 第二章 設(shè)計背景 3 目前 單片機 滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。 導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸 ，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC 卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機 、 攝像機 、全自動洗 衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇： 智能儀器 單片機 具有體積小、功耗低、控制功能強、擴 展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實現(xiàn)諸如電壓、電流、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用 電子或 數(shù)字電路 更加強大。 例如精密的測量設(shè)備（電壓表、 功率計 ， 示波器 ，各種分析儀）。 工業(yè)控制 單片機具有體 積小、控制功能強、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種 報警系 統(tǒng) ，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 家用電器 現(xiàn)在的家用電器廣泛采用了 單片機 控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他 音響 視頻器材、再到 電子秤 量設(shè)備和 白色家電 等。 網(wǎng)絡(luò)和通信 現(xiàn)代的 單片機 普遍具備 通信接口 ，可以很方便 地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型 程控交換機 、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信， 無線電 對講 機等。 醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域 單片機 在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 模塊化系統(tǒng) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 4 某些專用 單片機 設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種 電路 中進行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子 芯片 中（有別于 磁帶機 的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù) 字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由 微控制器 讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。 汽車電子 單片機 在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機 控制器，基于 CAN 總線的汽車發(fā)動機智能 電子控制器 、 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、 abs 防抱死系統(tǒng) 、制動系統(tǒng)、胎壓檢測等。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 數(shù)字電壓表 數(shù)字電壓表的 特點 數(shù)字電壓表 (DVM )是將被測的電壓模擬量自動轉(zhuǎn)換成開關(guān)量，然后進行數(shù)字編碼、譯碼，以數(shù)字形式顯示出來的一種電測儀表，它具有如下主要特點 : (1)準確度高 :目前可達到 10^6 數(shù)量級，因此用它代替直讀儀表，可大大提高測量精度。 (2)靈敏度高 :一般可做到 10 微伏至 1 微伏，目前已有 10^9 伏數(shù)量級的儀表。 (3)輸入阻抗高 :一般可達 1000 兆歐以上，而且工作時零電流很小，一般可達 10^10 安。 (4)測量速度快 :采樣速度一般每秒種為幾十次到上萬次，甚至可達百萬次。 (5)讀數(shù)準確 :因是數(shù)字顯示，所以 讀數(shù)準確，可以消除人為的讀數(shù)誤差。 (6)使用方便用途廣 :開機預(yù)熱預(yù)調(diào)后即可使用，可配接打印機自動記數(shù) .還可配接相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器，用來測量交流電壓、直流電流、電阻和溫度等參量。 第三章 設(shè)計目的與功能要求 5 第三章 設(shè)計目的與功能要求 設(shè)計目的 通過制作簡易的數(shù)字電壓表，加深對所學(xué)專業(yè)知識的認識，提高分析，解決工程實際問題的能力，提高對單片機的應(yīng)用能力，提高收集文獻，資料的能力，從而達到綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識進行電子產(chǎn)品設(shè)計，制作與調(diào)試的能力。 功能要求 ⑴以 MCS51 系列單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。 ⑵采用 1 路模擬量輸入，能夠測量 05V 之間的直流電壓值。 ⑶電壓顯示用 4 位一體的 LED 數(shù)碼管顯示，至少能夠顯示兩位小數(shù)。 ⑷盡量使用較少的元器件。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第四章 總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。硬件電路包括：單片機及外圍電路，模擬信號采集電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，數(shù)碼管顯示電路，各部分電路的銜接。軟件的程序可采用 C 語言或匯編，這里采用匯編語言，詳細的設(shè)計思路在后面介紹。 設(shè)計方案 數(shù)字電壓表的設(shè)計方案很多，但采用集成電路來設(shè)計較流行。其設(shè)計主要 是由 模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成， 模擬部分包括 A/D 轉(zhuǎn)換器，基準電源等 。數(shù)字部分包括振蕩器，數(shù)碼顯示，計數(shù)器等。 其中， A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 它是數(shù)字電壓表的一個核心部件，對它的選擇一般有兩種選擇方案： 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它有多路調(diào)制的 BCD 碼輸出端和超量程輸出端，采用動態(tài)掃描顯示，便于實現(xiàn)自動控制。但芯片只能完成 A/D轉(zhuǎn)換功能，要實現(xiàn)顯示功能還需配合其它驅(qū)動芯片等，使得整部分硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 2. 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。它的轉(zhuǎn) 換速度更快，而且精度更高，比如ADC080 ADC0809 等，它們通常具有 8 路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機進行分析和顯示。這樣 電路設(shè)計簡單，電路板布線不復(fù)雜，便于焊接、調(diào)試。 這里采用這種方案。 顯示部分可以采用各類數(shù)碼管或用 LCD 顯示器顯示。在此簡化采用 4 位八段共陰極數(shù)碼管對 A/D 轉(zhuǎn)換變換后的結(jié)果加以顯示。 第四章 總體設(shè)計 7 總 體 設(shè)計框圖 圖 431 總體 設(shè)計 框 圖淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 8 第五章 設(shè)計原理圖 設(shè)計原理圖 圖 511 設(shè)計原理圖 第六章 硬件電路設(shè)計 9 第六章 硬件電路設(shè)計 信號調(diào)理模塊 該部分主要實現(xiàn)的功能是自動量程切換和電壓變換，模塊主要由電壓極性檢測電路、電壓范圍粗測電路、電壓變換電路三部分組成。 電壓極性檢測電路 電壓極性檢測電路采用過零比較器檢測負電壓的方式實現(xiàn)的，運算放大器LM324 的反向端接 地，同向端通過 100K 電阻接輸入信號。 圖 611 電壓范圍粗測電路 為了粗略地得到被測量的電壓范圍我們采用多組比較器的方式，通過階梯式比較的方法確定輸入電壓的范圍。 圖 612 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 10 量程切換電路 電路由衰減電阻、切換繼電器和運算放大器組成，對應(yīng)的是衰減 1/ 1/1/4 和無零漂放大 50 倍，切換電路如圖所示。電壓變換到 05V 標準信號后，再由 A/D 轉(zhuǎn)換進行采樣，最后由單片機算法還原。 單片機模塊 芯片的介紹和選 擇 單片機 AT89C51 介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（ FPEROM — Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控 制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖 621 所示 圖 621 芯片引腳圖 (1)主要特性 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 第六章 硬件電路設(shè)計 11 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 (2)引腳描述 VCC： 電源電壓 GND： 地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動 8 個 TTL 電路。當(dāng) “1”被寫入 P0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 P0 口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。 P0口在閃爍編程時， P0 口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。 P1 口： P1 口一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時， P1 口接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)