【正文】 計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)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(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)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(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個(gè)芯片中，使 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)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(jì)出的處理器，當(dāng)時(shí)的單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)。因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評(píng)。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(jī)，直到目前基于 8031 的單片機(jī)還在廣泛的使用。在很多方面單片機(jī)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(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、 電話 、 計(jì)算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12 部單片機(jī)。 汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的 工業(yè)控制系統(tǒng) 上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在 同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 第二章 設(shè)計(jì)背景 3 目前 單片機(jī) 滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。 導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸 ，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī) 、 攝像機(jī) 、全自動(dòng)洗 衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī)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(gè)范疇： 智能儀器 單片機(jī) 具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò) 展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實(shí)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(jī)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(qiáng)大。 例如精密的測量設(shè)備（電壓表、 功率計(jì) ， 示波器 ，各種分析儀）。 工業(yè)控制 單片機(jī)具有體 積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，用單片機(jī)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(hào)檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機(jī)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(bào)警系 統(tǒng) ，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)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(jī) 控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jī) 普遍具備 通信接口 ，可以很方便 地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型 程控交換機(jī) 、樓宇自動(dòng)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(dòng)電話，集群移動(dòng)通信， 無線電 對(duì)講 機(jī)等。 醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域 單片機(jī) 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(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)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(jī) 設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種 電路 中進(jìn)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(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子 芯片 中（有別于 磁帶機(jī) 的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號(hào)以數(shù) 字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于 ROM），由 微控制器 讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(hào)（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(cuò)誤率，也方便于更換。 汽車電子 單片機(jī) 在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī) 控制器，基于 CAN 總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能 電子控制器 、 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、 abs 防抱死系統(tǒng) 、制動(dòng)系統(tǒng)、胎壓檢測等。 此外，單片機(jī)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(diǎn) 數(shù)字電壓表 (DVM )是將被測的電壓模擬量自動(dòng)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量，然后進(jìn)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(diǎn) : (1)準(zhǔn)確度高 :目前可達(dá)到 10^6 數(shù)量級(jí)，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(jí)的儀表。 (3)輸入阻抗高 :一般可達(dá) 1000 兆歐以上，而且工作時(shí)零電流很小，一般可達(dá) 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(dá)百萬次。 (5)讀數(shù)準(zhǔn)確 :因是數(shù)字顯示，所以 讀數(shù)準(zhǔn)確，可以消除人為的讀數(shù)誤差。 (6)使用方便用途廣 :開機(jī)預(yù)熱預(yù)調(diào)后即可使用，可配接打印機(jī)自動(dòng)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(jì)目的與功能要求 5 第三章 設(shè)計(jì)目的與功能要求 設(shè)計(jì)目的 通過制作簡易的數(shù)字電壓表，加深對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高分析，解決工程實(shí)際問題的能力，提高對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用能力，提高收集文獻(xiàn)，資料的能力，從而達(dá)到綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制作與調(diào)試的能力。 功能要求 ⑴以 MCS51 系列單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)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(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)及外圍電路，模擬信號(hào)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(xì)的設(shè)計(jì)思路在后面介紹。 設(shè)計(jì)方案 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方案很多，但采用集成電路來設(shè)計(jì)較流行。其設(shè)計(jì)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(zhǔn)電源等 。數(shù)字部分包括振蕩器，數(shù)碼顯示，計(jì)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(gè)核心部件，對(duì)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(dòng)態(tài)掃描顯示，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但芯片只能完成 A/D轉(zhuǎn)換功能，要實(shí)現(xiàn)顯示功能還需配合其它驅(qū)動(dòng)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(jì)和實(shí)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(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。這樣 電路設(shè)計(jì)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(duì) A/D 轉(zhuǎn)換變換后的結(jié)果加以顯示。 第四章 總體設(shè)計(jì) 7 總 體 設(shè)計(jì)框圖 圖 431 總體 設(shè)計(jì) 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(jì)原理圖 設(shè)計(jì)原理圖 圖 511 設(shè)計(jì)原理圖 第六章 硬件電路設(shè)計(jì) 9 第六章 硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)調(diào)理模塊 該部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是自動(dòng)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(fù)電壓的方式實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)算放大器LM324 的反向端接 地，同向端通過 100K 電阻接輸入信號(hào)。 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(yùn)算放大器組成，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，再由 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，最后由單片機(jī)算法還原。 單片機(jī)模塊 芯片的介紹和選 擇 單片機(jī) AT89C51 介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)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(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 第六章 硬件電路設(shè)計(jì) 11 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器 5 個(gè)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(shí)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(shí)，每一個(gè)管腳都能夠驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路。當(dāng) “1”被寫入 P0 口時(shí)，每個(gè)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(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時(shí)激活內(nèi)部的上拉電阻。 P0口在閃爍編程時(shí)， P0 口接收指令，在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令，需要接電阻。 P1 口： P1 口一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 電路。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)輸出一個(gè)電流。閃爍編程時(shí)和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個(gè)內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 電路。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時(shí)，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 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)