【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸出 ∞ / 7 GND 地 0/0 8 Q2 反相位輸出 ∞ / 9 Q2 同相位輸出 。 10 PR2 控制 11 CLK2 時(shí)鐘信號(hào) ∞ / 12 D2 觸發(fā)信號(hào) 13 CLR2 復(fù)位信號(hào) 14 Vcc 電源 圖 23 74LS74引腳圖 SEGMPX4 數(shù)碼管 本實(shí)驗(yàn)的顯示模塊主要由一個(gè) 4 位一體的 7段 LED 數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。它是一個(gè)共 陽(yáng) 極的數(shù)碼管。每一位數(shù)碼管的 a,b,c,d,e,f,g 和 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 10 dp 端都各自連接在一起，用于接收 AT89S51 產(chǎn)生的顯示段碼。 1， 2， 3， 4 引腳端為其位選端，用于接收 AT89S51 的 P3口產(chǎn)生的位選碼。 在此電路中，通過(guò) P1口控制數(shù)碼管的段選信號(hào)，通過(guò)朋 ~ 控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。 圖 24 四位一體數(shù)碼管實(shí)物圖 第三章 硬件電路設(shè)計(jì)分析 電源部分 電源部分電路主要是要求能提供穩(wěn)定可靠的電壓，使整個(gè)系統(tǒng)能正常的工作。采用 220V的工頻交流電壓，而單片機(jī)的工作電壓是直流 +5V，為此，先通過(guò)一個(gè)普通的變壓器降低電壓，再通過(guò)橋式整流，然后再通過(guò) 7805芯片的進(jìn)一步穩(wěn)壓，確保 +5V電源的穩(wěn)定、可靠。而且 7805集成穩(wěn)壓器是常用的固定輸出 +5V電壓的集成穩(wěn)壓器。它的內(nèi)部含有限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)電路，采用了噪聲低 、溫度漂移小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。 1腳為輸入端， 2腳為接地端， 3腳為輸出端，使用十分方便，可以在任何有交流電壓的地方使用，不需另帶電池。通過(guò)整流濾波以后輸出直流電壓，為了確保整個(gè)電路能正常工作，考慮到不接負(fù)載或電源電壓有波動(dòng)時(shí)電容能承受的耐壓，必須加電容。發(fā)光二極管 D2點(diǎn)亮表示電源電路正常工作，其電源電路如圖 31所示： 圖 31 電源電路 AD 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠 家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。如果按照工作原理劃分，ADC主要有 4種類型，即雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器和并行式 A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)比較式 A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。 V IN1GND2VOUT3U5 7 8 0 5123J1P O W E R1234D1B R ID G E 1C41 0 4C51 0 4C64 7 0 U F /2 5 VC74 7 0 U F /1 6 VC81 O 4R 1 42KD2L E DV C C 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 12 圖 32 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件要想?yún)f(xié)調(diào)一致地工作，必須在統(tǒng)一口令 —— 時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)有兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部有一個(gè)構(gòu)成振蕩器的增益反相放大器 ，引腳 XTAL1和 XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸入端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。在該圖中，電容 C1和 C2取 20PF，晶體的振蕩頻率取 12MHz,晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。 圖 33 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 數(shù)碼管顯示電路 本 電路 的顯示模塊主要由一個(gè) 4位一體的 7段 LED數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。它是一個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的 a,b,c,d,e,f,g和 dp端都各自連接在一起，用于接收 AT89S51的 P1口產(chǎn)生的顯示段碼。 1， 2， 3， 4引腳端為其位選端，用于接收 AT89S51的 P3口產(chǎn)生的位選碼。 本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描方式。掃描方法是用其接口電路把所有數(shù)碼管的 8個(gè)比劃段 a～ g和 DP同名端連在一起，而每一個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM各自獨(dú)立地受 I/O線控制。 CUP從字段輸出口送出字型碼時(shí)，所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管亮，則取決于 COM端。 COM端與單片機(jī)的 I/O接口相連接，由單片機(jī)輸出位位選碼到 I\O接口，控制何時(shí)哪一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管的位掃描過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫 。但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動(dòng)態(tài)方式的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，即耗電省，在動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程中，任何時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管是處于工作狀態(tài)的。具體原理圖如圖 34所示 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 14 圖 34 顯示電路圖 第四章 程序設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 初始化中主要對(duì) AT89S51， ADC0809 的管腳和數(shù)碼管的位選及所用到的內(nèi)存單元進(jìn)行初始化設(shè)置。 準(zhǔn)備工作做好后便啟動(dòng) ADC0809對(duì) IN0腳輸入進(jìn)的 0～ 5V 電壓模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的 0～ 255十進(jìn)制數(shù)字量。 在數(shù)據(jù)處 理子程序中，運(yùn)用標(biāo)度變換知識(shí)，編寫(xiě)算法將 0～ 255 十進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 ～ 的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序進(jìn)行顯示。 整個(gè)主程序就是在 A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理及顯示程序循環(huán)執(zhí)行。整個(gè)程序流程框圖如 下圖 所示。 開(kāi) 始初 始 化調(diào) 用 A /D 轉(zhuǎn) 換 程 序調(diào) 用 顯 示 程 序調(diào) 用 數(shù) 據(jù) 處 理 程 序 41主程序流程圖 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 16 A/D 轉(zhuǎn)化程序設(shè)計(jì)框圖 啟動(dòng) ADC0809 對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)判斷 EOC（ ）來(lái)確定轉(zhuǎn)換是否完成，若 EOC 為 0，則繼續(xù)等待；若 EOC 為 1，則把 OE 置位，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 dispbuf 數(shù)組 中。 程序流程圖如 下圖 所示 ： 開(kāi) 始 初 始 化 啟 動(dòng) A / D 轉(zhuǎn) 換 A / D 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 P 3 . 2 = 1 ？ P 3 . 1 置 位 ， 允 許 輸 出 將 轉(zhuǎn) 換得 到 的 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 結(jié) 束是否 42 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖 顯示模塊程序框圖 顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) 四 位數(shù)碼管的數(shù)值顯示 ，在定時(shí)器中斷里實(shí)現(xiàn) 。測(cè)量所得的 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在 dispbuf 數(shù)組 中，測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制 BCD 碼 。 用單片機(jī)的 ~ 作為數(shù)碼管的位選， P1口作為數(shù)碼管的段選 。程序流程圖如 下圖 所示。 開(kāi) 始定 時(shí) 器 中 斷 1 初 始化啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 1 ， 進(jìn)入 中 斷 服 務(wù) 程 序查 詢 段 碼 送 往 P 1口 ， 查 詢 為 碼 ， 送到 P 2 口 的 相 關(guān) 引 腳D i s p c o u n td i s p c o u n t 清 零 顯 示 小 數(shù) 點(diǎn)等 于 8 等 于 5 43顯示子程序流程圖 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 18 第五章 Protues 仿真 軟件簡(jiǎn)介 Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： ①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤(pán)和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 ②支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有： ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、 AVR 系列、 PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多種外圍芯片。 ③提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具 有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision MPLAB 等軟件。 ④具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 圖 51Protues界面 硬件仿真 通過(guò) Prtotues 仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的 模擬 調(diào)試 工作。 圖 521 數(shù)字電壓表硬件仿真圖 設(shè)定模擬電壓值 圖 522模擬設(shè)定電 壓值位 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 20 模擬結(jié)果顯示在數(shù)碼管中 圖 523采集到的電壓值顯示在數(shù)碼管上 調(diào)試結(jié)果分析 在系統(tǒng)上電開(kāi)始測(cè)量前， 首先在 Protues 上模擬硬件仿真是否正確，如果設(shè)計(jì)的電路可行，再在電路板上焊接，在這里只進(jìn)行 Protues 的仿真工作。 同時(shí)焊接電路板時(shí)要注意一下情況： 要用萬(wàn)用表的電壓檔對(duì)被測(cè)電壓進(jìn)行估測(cè)，然后以此選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，防止過(guò)大電壓燒壞 A/D 轉(zhuǎn)換器。首先用萬(wàn)用表按照原理圖逐步檢查印刷板中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，有否斷路、短路或者虛焊，尤其是給電路供電的電源部分要重點(diǎn)檢查 ，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量7805 輸出端的電壓是否為 +5V，是否穩(wěn)定，能夠輸出 +5V，且穩(wěn)定即可說(shuō)明電源電路的設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。 如果電壓沒(méi)有達(dá)到要求，要及時(shí)排查給予解決，以免燒壞芯片和其他元器件。 軟件調(diào)試時(shí)先進(jìn)行單元測(cè)試，分別對(duì)各個(gè)代碼模塊進(jìn)行測(cè)試，看其是否實(shí)現(xiàn)了規(guī)定功能，再把已經(jīng)測(cè)試過(guò)的模塊組合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，一旦不能正確運(yùn)行，要找出程序中的錯(cuò)誤，確定大致的出錯(cuò)位置，研究有關(guān)部分的錯(cuò)誤程序，找出錯(cuò)誤原因，修改設(shè)計(jì)和代碼，以排除錯(cuò)誤。 我們?cè)诔绦蚓帉?xiě)完成后，就可以利用仿真器進(jìn)行初步調(diào)試，觀察在計(jì)算機(jī)里能否通過(guò)編譯與 運(yùn)行并達(dá)到設(shè)計(jì)的基本要求。在基本符合的情況下，利用仿真器與工作正常的硬件連接進(jìn)行仿真調(diào)試；或用編程器把程序燒寫(xiě)到芯片中，直接觀察能否正常運(yùn)行。如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者不能正常運(yùn)行，可以直接在程序中進(jìn)行修改。 系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決的方法 ： 1）在應(yīng)用濾波電容的過(guò)程中，一開(kāi)始是把電容串聯(lián)在電路中，導(dǎo)致電路無(wú)法導(dǎo)通，而后我們短路電容，解決了問(wèn)題。 2）電源指示燈上，一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)接上電源，指示燈不亮，經(jīng)過(guò)儀器測(cè)量發(fā)現(xiàn)正負(fù)極接反，后重新焊接，問(wèn)題解決。 3）由于源程序的多處錯(cuò)誤，使得仿真無(wú)法通過(guò)，后經(jīng)過(guò)單步調(diào)試，把 存在的錯(cuò)誤一一排除，通過(guò)了軟件仿真。 4）在燒錄芯片的過(guò)程中，由于選擇燒錄文件的錯(cuò)誤及芯片自身問(wèn)題（因多次燒錄，無(wú)法再次燒錄）使得燒錄失敗，后經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)并更換了 AT89C51 芯片，解決了問(wèn)題。 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 22 參考文獻(xiàn) [1] 作者：陳潔，《 EDA軟件仿真技術(shù)快速入門(mén) Protel99e+Multisim+Protues 7》 ,中國(guó)電力出版社 2021 年 。 [2] 作者： 魏立峰 ，《 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) 》 ,北京大學(xué)出版社 2021 年。 [3] 作者：陳光絨，《單片機(jī)技