【文章內(nèi)容簡介】 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 時鐘信號 ∞ / 12 D2 觸發(fā)信號 13 CLR2 復位信號 14 Vcc 電源 圖 23 74LS74引腳圖 SEGMPX4 數(shù)碼管 本實驗的顯示模塊主要由一個 4 位一體的 7段 LED 數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測量到的電壓值。它是一個共 陽 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 單片機的數(shù)字電壓表設計 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 P1口控制數(shù)碼管的段選信號，通過朋 ~ 控制數(shù)碼管的位選信號。 圖 24 四位一體數(shù)碼管實物圖 第三章 硬件電路設計分析 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，使整個系統(tǒng)能正常的工作。采用 220V的工頻交流電壓，而單片機的工作電壓是直流 +5V，為此，先通過一個普通的變壓器降低電壓，再通過橋式整流，然后再通過 7805芯片的進一步穩(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、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低 、溫度漂移小的基準電壓源，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。通過整流濾波以后輸出直流電壓，為了確保整個電路能正常工作，考慮到不接負載或電源電壓有波動時電容能承受的耐壓，必須加電容。發(fā)光二極管 D2點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環(huán)節(jié)，單片機通過 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)出了多種型號的 A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應用場合的需要。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 單片機的數(shù)字電壓表設計 12 圖 32 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 單片機最小系統(tǒng)設計 單片機內(nèi)部每個部件要想?yún)f(xié)調(diào)一致地工作，必須在統(tǒng)一口令 —— 時鐘信號的控制下工作。單片機工作所需要的時鐘信號有兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。圖 ：單片機內(nèi)部有一個構(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)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。 圖 33 單片機最小系統(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 4位一體的 7段 LED數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測量到的電壓值。它是一個共陽極的數(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個比劃段 a～ g和 DP同名端連在一起，而每一個數(shù)碼管的公共極 COM各自獨立地受 I/O線控制。 CUP從字段輸出口送出字型碼時，所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個數(shù)碼管亮，則取決于 COM端。 COM端與單片機的 I/O接口相連接，由單片機輸出位位選碼到 I\O接口，控制何時哪一位數(shù)碼管被點亮。在輪流點亮數(shù)碼管的位掃描過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間極為短暫 。但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動態(tài)方式的優(yōu)點是十分明顯的，即耗電省，在動態(tài)掃描過程中，任何時刻只有一個數(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 單片機的數(shù)字電壓表設計 14 圖 34 顯示電路圖 第四章 程序設計 主程序設計 初始化中主要對 AT89S51， ADC0809 的管腳和數(shù)碼管的位選及所用到的內(nèi)存單元進行初始化設置。 準備工作做好后便啟動 ADC0809對 IN0腳輸入進的 0～ 5V 電壓模擬信號進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成相對應的 0～ 255十進制數(shù)字量。 在數(shù)據(jù)處 理子程序中，運用標度變換知識，編寫算法將 0～ 255 十進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 ～ 的數(shù)據(jù)，輸出到顯示子程序進行顯示。 整個主程序就是在 A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理及顯示程序循環(huán)執(zhí)行。整個程序流程框圖如 下圖 所示。 開 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 單片機的數(shù)字電壓表設計 16 A/D 轉(zhuǎn)化程序設計框圖 啟動 ADC0809 對模擬量輸入信號進行轉(zhuǎn)換，通過判斷 EOC（ ）來確定轉(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)存儲到 dispbuf 數(shù)組 中。 程序流程圖如 下圖 所示 ： 開 始 初 始 化 啟 動 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 結(jié) 束是否 42 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖 顯示模塊程序框圖 顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn) 四 位數(shù)碼管的數(shù)值顯示 ，在定時器中斷里實現(xiàn) 。測量所得的 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在 dispbuf 數(shù)組 中，測量數(shù)據(jù)在顯示時需轉(zhuǎn)換成10進制 BCD 碼 。 用單片機的 ~ 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 始定 時 器 中 斷 1 初 始化啟 動 定 時 器 1 ， 進入 中 斷 服 務 程 序查 詢 段 碼 送 往 P 1口 ， 查 詢 為 碼 ， 送到 P 2 口 的 相 關 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) 點等 于 8 等 于 5 43顯示子程序流程圖 基于 51 單片機的數(shù)字電壓表設計 18 第五章 Protues 仿真 軟件簡介 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于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，該軟件的特點是： ①實現(xiàn)了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和 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、信號發(fā)生器等。 ②支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有： 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、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(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具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。 圖 51Protues界面 硬件仿真 通過 Prtotues 仿真，實現(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 設定模擬電壓值 圖 522模擬設定電 壓值位 基于 51 單片機的數(shù)字電壓表設計 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)上電開始測量前， 首先在 Protues 上模擬硬件仿真是否正確，如果設計的電路可行，再在電路板上焊接，在這里只進行 Protues 的仿真工作。 同時焊接電路板時要注意一下情況： 要用萬用表的電壓檔對被測電壓進行估測，然后以此選擇適當?shù)牧砍蹋乐惯^大電壓燒壞 A/D 轉(zhuǎn)換器。首先用萬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檢查 ，用數(shù)字萬用表測量7805 輸出端的電壓是否為 +5V，是否穩(wěn)定，能夠輸出 +5V，且穩(wěn)定即可說明電源電路的設計基本達到要求。 如果電壓沒有達到要求，要及時排查給予解決，以免燒壞芯片和其他元器件。 軟件調(diào)試時先進行單元測試，分別對各個代碼模塊進行測試，看其是否實現(xiàn)了規(guī)定功能，再把已經(jīng)測試過的模塊組合起來進行測試，一旦不能正確運行，要找出程序中的錯誤，確定大致的出錯位置，研究有關部分的錯誤程序，找出錯誤原因，修改設計和代碼，以排除錯誤。 我們在程序編寫完成后，就可以利用仿真器進行初步調(diào)試，觀察在計算機里能否通過編譯與 運行并達到設計的基本要求。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行仿真調(diào)試；或用編程器把程序燒寫到芯片中，直接觀察能否正常運行。如果達不到設計要求或者不能正常運行，可以直接在程序中進行修改。 系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決的方法 ： 1）在應用濾波電容的過程中，一開始是把電容串聯(lián)在電路中，導致電路無法導通，而后我們短路電容，解決了問題。 2）電源指示燈上，一開始發(fā)現(xiàn)接上電源，指示燈不亮，經(jīng)過儀器測量發(fā)現(xiàn)正負極接反，后重新焊接，問題解決。 3）由于源程序的多處錯誤，使得仿真無法通過，后經(jīng)過單步調(diào)試，把 存在的錯誤一一排除，通過了軟件仿真。 4）在燒錄芯片的過程中，由于選擇燒錄文件的錯誤及芯片自身問題（因多次燒錄，無法再次燒錄）使得燒錄失敗，后經(jīng)過老師指導并更換了 AT89C51 芯片，解決了問題。 基于 51 單片機的數(shù)字電壓表設計 22 參考文獻 [1] 作者：陳潔，《 EDA軟件仿真技術快速入門 Protel99e+Multisim+Protues 7》 ,中國電力出版社 2021 年 。 [2] 作者： 魏立峰 ，《 單片機原理及應用技術 》 ,北京大學出版社 2021 年。 [3] 作者：陳光絨，《單片機技