【正文】 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第四章 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制主要有軟件玩完成，要實(shí)現(xiàn)硬件各個(gè)部分能協(xié)調(diào)的工作，軟件的必不可少的。指令數(shù)據(jù)由 P0 口讀入。 外接程序儲(chǔ)存器的地址線 A8～ A14 由 P2 口提供， A0～ A7 由 P0 口通過(guò)地址鎖存器提供。 程序存儲(chǔ)器有單獨(dú)的地址編號(hào)（ 0000H～ FFFFH），地址于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器重疊，但不全被占用。 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展 由于 AT89C51 芯片的存儲(chǔ)器比較小，只有 4KB，不一定滿(mǎn)足編程需要，因此要對(duì)其存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展 ?？刂萍拇嫫鳛?8位，通過(guò)對(duì)控制寄存器的編程要改變 8255A 的工作方式。 8255A 有三種工作方式：基本輸入輸出方式；選通輸入輸出方式；雙向傳送方式。在 C51 指令中，延時(shí)子程序是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，并且延時(shí)時(shí)間也很容易更改 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低， LED 將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。 此電路中， 74LS273 用于驅(qū)動(dòng) LED 的 8位段碼， 8 位 LED 相應(yīng)的 a— g段連在一起，它們的公共端分別連至由 74LS138 譯碼選通后經(jīng) 74LS04 反相驅(qū)動(dòng)的輸出端。例如當(dāng) A、 B、 C分別與 D0、 D D2相連時(shí)，啟動(dòng) IN7 的 A/D 轉(zhuǎn)換指令如下： MOV DPTR， FE00H ； 送入 0809 的口地址 MOV A ， 07H ； D2D1D0=111 選 擇 IN7 通道 MOVX DPTR， A ； 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 單片機(jī)與 LED 顯示器接口 電路 本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài) 8 位數(shù)碼 LED 顯示 74LS273 對(duì)地址進(jìn)行鎖存，如果 P1 口僅用于顯示驅(qū)動(dòng)，而沒(méi)有與其它外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可省略這個(gè)鎖存器，直接或通過(guò)其他驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)連接 LED。 這里需要說(shuō)明的 是 ， ADC0809 的三個(gè)地址端 A、 B、 C即可如前所述與地址線相連，也可與數(shù)據(jù)線相連，例如與 D0～ D2 相連。 不管使用上述那種方式，只要一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此可以用查詢(xún)方式，測(cè)試 EOC 的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序， A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （ 1） 定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種 A/D 轉(zhuǎn)換其來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn) A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。例如要選擇 IN0 通道時(shí)，可采用如下兩條指令，即可啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換： MOV DPTR , FE00H ； 送入 0809 的口地址 MOVX DPTR , A ； 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換（ IN0） 此處的 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)，可為任意值。 圖 信號(hào) 鎖存 控制 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換只需要一條 MOVX 指令。一是 8 路模擬信號(hào)通道的選擇，二是 A/D 轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。 C1 的推薦值是 10μ F， R1 的推薦值是 10kΩ 。隨著 C1 充電，它兩端的電壓上升，使得引腳 RST 上電壓下降，最終使單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)。 圖 所示復(fù)位電路由 C1和 R1 組成。只要引腳 RST 保持高電平，單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。 （ 4）復(fù)位電路 對(duì)于 AT89C51 芯片，如果引腳 RST（引腳 9）保持 24 個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，單片機(jī)就可以完成復(fù)位。電容 C2與 C3 的取值范圍為 30pF～ 50pF。圖 CRY和電容 C2與 C3組成。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可以構(gòu)成振蕩器的放大電路。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 單片機(jī)最小電路系統(tǒng) （ 2）程序存儲(chǔ)器選擇電路 如前所述， Atmel 公司生產(chǎn)的 8051 兼容芯片具有多種容量的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的型號(hào)，因此在使用中不需要再擴(kuò)展外部程 序存儲(chǔ)器，這樣在單片機(jī)應(yīng)用電路中引腳 EA （引腳 31）可以總是接高電平。 （ 1） 供電電路 引腳 VCC（引腳 40）接 +5V 電源，引腳 GND（引腳 20）接地線。AT89S51 單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路圖如圖 所示。 D0～ D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線， 8255 與 CPU 數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng) CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過(guò)它實(shí)現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀 /寫(xiě)操作，控制字和狀態(tài)信息也通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送。 RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許 8255 通過(guò)數(shù)據(jù)總線向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即 CPU 從 8255 讀取信息或數(shù)據(jù)。端口 C 可以通過(guò)工作方式設(shè)定而分成 2 個(gè) 4位的端口， 每個(gè) 4 位的端口包含一個(gè) 4 位的鎖存器，分別與端口 A和端口 B 配合使用，可作為控制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。 圖 8255 管腳圖 PB0～ PB7:端口 B 輸入輸出線，一個(gè) 8 位的 I/O 鎖存器， 一個(gè) 8位的輸入輸出緩沖器。 8255 引腳功能說(shuō)明： RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時(shí)，所有內(nèi)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成輸入方式。若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)， 138 還可作數(shù)據(jù)分配器。 原理：當(dāng)一個(gè)選通端（ E3）為高電平，另兩個(gè)選通端 E1和 E2 為低電平時(shí)，可將地址端（ A、 B、 C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 Vref—— 參考電源參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 D0為最低位， D7為最高 OE—— 輸出允許信號(hào)。 D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。 EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。其地址狀態(tài)與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表 91。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫(xiě)為 ST. A、 B、 C—— 地址線。 START—— 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 ADC0809 簡(jiǎn)介 圖 ADC0809 管教圖 IN7～ IN0—— 模擬量輸入通道 ALE—— 地址鎖存允許信號(hào)。 (1)1 腳是復(fù)位 CLR,低電平有效 ,當(dāng) 1 腳是低電平時(shí) ,輸出腳 2(Q0)、 5(Q1)、6(Q2)、 9(Q3)、 12(Q4)、 15(Q5)、 16(Q6)、 19(Q7)全部輸出 0,即全部復(fù)位 。 PDIP40 封裝形式的單片機(jī)芯片可以很方便地使用面包板來(lái)組成應(yīng)用電路。 AT89C51 單片機(jī)的封裝 AT89C51 單片機(jī)具有多種封裝形式，包括 PDIP PDIP4 PLCC44 和 TQFP44。采用這款芯片既克服了采用 8031 需要添加外部程序存儲(chǔ)器導(dǎo)致電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，又克服了采用 8751 導(dǎo)致電路制作成本高的缺點(diǎn)。這些 公司的這類(lèi)產(chǎn)品也被稱(chēng)為 8051 兼容芯片，這些 8051 兼容芯片在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了許多特性。 MCS51 系列單片機(jī)優(yōu)異的性能 /價(jià)格比使得它從面世以來(lái)就獲得用戶(hù)的認(rèn)可。 8051 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去； 8031 片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器； 8751 內(nèi)部包含有用作程序存儲(chǔ)器的 4KB 的 EPROM。該系列的基本型產(chǎn)品是 805 8031 和 8751。與通用的計(jì)算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此它又被稱(chēng)為微控制器 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)介紹 單片機(jī)的全稱(chēng)是單片微型 計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制每個(gè)顯示器的 COM 端，使每個(gè)顯示器輪流電亮。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的 8 個(gè)筆畫(huà)字段（ a~g 和 dp）同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極 COM 各自獨(dú)立接受 I/O 線控制。 因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開(kāi)銷(xiāo)小。這樣單片機(jī)只要把顯示的字型數(shù)據(jù)代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示要發(fā)送的字型。靜 態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的 CPU 時(shí)間少。 靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制 LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的數(shù)據(jù)。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。 N 位 LED 顯示器有N 8 根段選線。其 8段分別命名為 dp g f e d c b a。把 8個(gè)發(fā)光二極管連在一起，公共端接高電平，叫共陽(yáng)極接法，相反，公共端接低電平的叫共陰極接法，我們采用共陽(yáng)極接法。 顯示設(shè)計(jì)理論 設(shè)計(jì)中采用的是 8段 LED 數(shù)碼管來(lái)顯示電壓值。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、 功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成 AD轉(zhuǎn)換。壓頻變換型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。最近的逐次比較型AD 轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。一般的電阻陣列 DA 轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。主要用于音頻和測(cè)量?！?Δ型 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。這類(lèi) AD 速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。 串并行比較型 AD 結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由 2個(gè) n/2位的并行型 AD 轉(zhuǎn)換器配合 DA 轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱(chēng)為 Half flash（半快速）型。 （ 3）并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510）模 數(shù)轉(zhuǎn)換的方法并行比較型 AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱(chēng) FLash（快速）型。其電路規(guī)模屬于中等。初期的單片 AD 轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 1）積分型（如 TLC7135）積分型 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換 本次設(shè)計(jì)是一次數(shù)字式電工儀表的設(shè)計(jì)，單測(cè)量的對(duì)象卻是模擬信號(hào)，因此將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 ，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器件是本次設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)重要元件。 的滯后，故， i′ =(ωt)= I msin(ωt π/2 Ф)= Imsin(ωt π/2)cosФ imcos(ωt π/2)sinФ (25) 當(dāng) ωt=π 時(shí)， i′=Imcosφ 因此 cosφ=i′/Im (26) 用電壓信號(hào) u 控制采樣保持器，采集 ωt=π 時(shí)刻的電流信號(hào) i′(π) ，峰值檢測(cè)電路的輸出為 Im，除法器的輸出為 i′/Im ，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，將除法器的輸出調(diào)制為 0～ 1V，調(diào)試時(shí)，輸入相位差 90176。 測(cè)量原理 設(shè)有兩信號(hào) u=Umsinωt (21) i=Imsin(ωt φ) (22) 兩信號(hào)的相位差為 φ ，待測(cè)的功率因數(shù)為 cosφ 。 根據(jù)題目要求，實(shí)驗(yàn)誤差不能大于 1%，方案一的方法雖然可以減小誤差，但是，不適合本題目的要求，通過(guò)固定電阻的分壓，無(wú)法使量程發(fā)生改變，因此，選用方案二，方案二的 中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式 ,且外部中斷 0 優(yōu)先級(jí)高于外部中斷 1。當(dāng) INT0 中斷有效時(shí)，定時(shí)器 T0 開(kāi)始定時(shí)計(jì)數(shù) ,當(dāng) INT1 中斷有效時(shí)關(guān)閉 T0 定時(shí)器。 圖 過(guò)零比較器測(cè)量信號(hào)偏移 將電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)的電壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，產(chǎn)生 TTL 方 波脈沖。因此，電壓傳輸特性如圖 (b)所示 圖 過(guò)零比較器及其電壓輸出特性 （ 2）測(cè)量方案 方案一：測(cè)量交流電流：根據(jù)用電器的額定電流選擇萬(wàn)用表相應(yīng)的交流電流檔，分別測(cè)得一純電阻（如白枳燈）電流 IR,感性負(fù)載 (如電風(fēng)