单片机AT89C51数字电压表课程设计.docx

等级：湖南工程学院应用技术学院课程设 计课程名称单片机原理与应用课题名称简易数字电压表专业电气工程及其自动化班级1181学号202313010119姓名钟意指导教师 赵葵银、汪超、李晓秀等2023 年 5月 23 日湖南工程学院应用技术学院10课程设计任务书课程名称：单片机原理与应用题目：简易数字电压表专业班级：电气工程及其自动化学生姓名：钟意学号：202313010119指导教师：李晓秀审批：任务书下达日期2023年5月 12设计完成日期2023年5月 23日日设计内容与设计要求设计内容：1） 简易数字电压表可以测量 051V 的输入电压值，经过 A/D 转换， 经过单片机处理后，在 LED 数码管上显示。2） 如测试端输入 4.0V，则应显示 4.0，测试精度为 0.2V。设计要求：1） 系统设计方案正确、合理；2） 进展系统的硬件设计；3） 完成必要元器件选择；4） 完成应用程序设计与仿真调试；*5进展应用程序的调试；主 要 设 计 条 件1 、 MCS -51 单片机试验操作台 1 台；2 、 PC 机及单片机调试软件；3 、 Proteus 软件4 、 试验室调试1. 封面说 明 书 格 式2. 课程设计任务书3. 名目4. 系统总体方案设计5. 系统硬件设计6. 软件设计包括流程图7. 系统的安装调试说明8、 总结9、参考文献10、附录11、课程设计成绩评分表。进 度 安 排第一周星期一、上午：布置课题任务，课题介绍及讲课。下午：借阅有关资料，总体方案争论。星期二、确定总体方案，学习与设计相关内容。星期三、各局部方案设计。星期四、各局部设计。星期五、设计及上机调试。其次周星期一：设计及上机调试。星期二：调试，中期检查。星期三：调试、写说明书。星期四-星期五上午：写说明书、完成电子版并打印成稿。星期五下午：辩论。参 考 文 献参考文献1、 单片机原理与应用 王迎旭等编 机械工业出版社2、 51 系列单片机设计实例 楼然苗等编 北京航空航天大学出版社3、 计算机硬件技术根底试验教程黄勤等编重庆大学出版社4、微型计算机接口技术及应用 刘乐善主编华中科技大学出版社5、单片微型计算机原理及接口技术陈光东等编华中科技大学出版社目录2 总体方案设计2.1 设计要求以 MCS-51 系列单片机为核心器件，组成一个简洁的直流数字电压表。 承受 1 路模拟量输入，能够测量 0-5V 之间的直流电压值。电压显示用 4 位一体的 LED 数码管显示，至少能够显示两位小数。 尽量使用较少的元器件。2.2 设计思路依据设计要求，选择 AT89C51 单片机为核心掌握器件。A/D 转换承受 ADC0808 实现，与单片机的接口为 P1 口和 P2 口的高四位引脚。电压显示承受 4 位一体的 LED 数码管。LED 数码的段码输入,由并行端口 P0 产生：位码输入，用并行端口 P2低四位产生。独立键盘：按键传送输入信息；由于本次设计有 4 个按键故直接使用4 个 I/O 口来对应 4 个按键。2.3 设计方案硬件电路设计由 7 个局部组成; A/D 转换电路，AT89C51 单片机系统， LED 显示系统、时钟电路、复位电路、按键掌握电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图 2.1 所示。如图 2.13 硬件电路设计3.1 芯片的选择本次课程设计选用 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS8 位单片机，片内含有 4KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 128 字节的随机存储器。该器件承受ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能 8 位 CPU 和闪耀存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一种高效微掌握器，它为很多嵌入式掌握系统供给了一种敏捷性高且价廉的方案。AT89C51 功能性能:与 MCS-51 成品指令系统完全兼容；4KB 可编程闪速存储器；寿命：1000 次写/擦循环；数据保存时间：10 年；全静态工作： 0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B 内部 RAM；32 个可编程 I/O 口线；2 个 16 位定时/计数器；5 个中断源；可编程串行 UART 通道；片内震荡器和掉电模式。U119XTAL118XTAL29RSTP0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6P0.7/AD73938373635343332293031PSEN ALE EAP2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14P2.7/A152122232425262728110211312413514615716817外形及引脚排列如图 3.1 所示。P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7AT89C51P3.7/RD图 3.1 AT89C51 芯片模型3.1.2 主要功能特性(1) 4K 字节可编程闪耀存储器。(2) 32 个双向 I/O 口； 128× 8 位内部 RAM。(3) 2 个 16 位可编程定时 /计数器中断，时钟频率 0-24MHz 。(4) 可编程串行通道。(5) 5 个中断源。(6) 2 个读写中断口线。(7) 低功耗的闲置和掉电模式。(8) 片内振荡器和时钟电路。3.2 时钟电路设计单片机中 CPU 每执行一条指令，都必需在统一的时钟脉冲的掌握下严格按时间节拍进展，而这个时钟脉冲是单片机掌握中的时序电路发出的。CPU 执行一条指令的各个微操作所对应时间挨次称为单片机的时序。MCS-51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器， XTAL1 为该放大器的输入端，XTAL2 为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统承受内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器， 外部电路简，只需要一个晶振和 2 个电容即可，如图 3.1 所示。图 3.23.3 复位电路设计单片机中 CPU 每执行一条指令，都必需在统一的时钟脉冲的掌握下严格按时间节拍进展，而这个时钟脉冲是单片机掌握中的时序电路发出的。CPU 执行一条指令的各个微操作所对应时间挨次称为单片机的时序。MCS-51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器， XTAL1 为该放大器的输入端，XTAL2 为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统承受内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器， 外部电路简，只需要一个晶振和 2 个电容即可，如图 3.2 所示。图 3.33.4 按键电路设计独立键盘：按键传送输入信息；由于本次设计有 4 个按键故直接使用4 个 I/O 口来对应 4 个按键，如图 3.3 所示图 3.43.5 显示电路设计在应用系统中，设计要求不同，使用的LED 显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的 LED 显示器供选择，在本设计中， 选择 4 位一体的数码型 LED 显示器，简称“4-LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。LED 数码管模型如图 3-6 所示。A B C D E F G PD0Q 1Q 2Q 3Q3.5.1 LED 数码管的接口简介图 3.5.112图 3.5.2LED 的段码端口 AG 分别接至 AT89C51 的 P1.0P1.7 口，位选端 14 分别接至 P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，如图 3-7 所示。3.6 A/D 转换模块设计ADC 0808 承受逐次比较的方法完成 A/D 转换，由单一的+5V 电源供电。片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关，由A、B、C 的编码来打算所选的通道。ADC0809 完成一次转换需 100s 左右，它具有输出TTL 三态锁存缓冲器，可直接连接到AT89C51 的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0808 可对 05V 的模拟信号进展转换。转换过程如下：开头时，存放器各位清零，转换时，先将最高位置 1，把数据送入A/D 转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，假设转换的模拟量比输入的模拟量小，则1 保存，假设转换的模拟量比输入的模拟量大，则1 不保存，然后从其次位依次重复上述过程直至最低位，最终存放器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图 3.4.1 所示。图 3.6.1143.6.2 ADC0808 的外部引脚特征ADC0808 芯片有 28 条引脚，承受双列直插式封装，其引脚图如图 3.6.2所示。图 3.6.2下面说明各个引脚功能:IN0-IN78 条：8 路模拟量输入线，用于输入和掌握被转换的模拟电压。 地址输入掌握4 条：ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE 为高电寻常，为地址输入线，用于选择 IN0-IN7 上那一条模拟电压送给比较器进展 A/D 转换。ADDA,ADDB,ADDC:3 位地址输入线，用于选择 8 路模拟输入中的一路， 其对应关系如表 3.4.3 所示：ADC0808 通道选择表表 3.6.3START：START 为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU 送来， 宽度应大于 100ns，上升沿清零 SAR,下降沿启动 ADC 工作。EOC: EOC 为转换完毕输出线，该线上高电平表示 A/D 转换已完毕， 数字量已锁入三态输出锁存器。D1-D8：数字量输出端，D1 为高位。OE：OE 为输出允许端，高电平能使 D1-D8 引脚上输出转换后的数字量。 REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。Vcc、GND: Vcc 为主电源输入端，GND 为接地端，一般 REF+与 Vcc连接在一起，REF-与 GND 连接在一起.CLK:时钟输入端。3.7 总体电路图5+RV1% 1k76RV2% 1k32RV3% 1k82RV4% 1k78Volts+88.8Volts+88.8Volts+88.8Volts+88.80N I1N I2NU4:B I3N I0P 1P 2P 3P循环RD54U4:A6274LS02单步1U1P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2P1.1/T2EX P1.0/T2WR387654321P3.7/RD P3.6/WR P3.5/T1 P3.4/T0 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TXD P3.0/RXD17 RD16 WR15 P014 P1 1374LS0212P211p310347813141718U2D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q72569U132(CLOCK) 151619AD1 AD2 AD3ALEC422u313029EA ALE PSENP2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A82827262524232221111OE LE74LS373106U3CLOCK STARTR110KC2IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN726IN1IN027IN27EOC28IN39RST18XTAL233PX119323334353637383921201918815141712345C3XTAL1AT89C52 NET=p5P0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3 P0.2/AD2 P0.1/AD1 P0.0/AD0OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT8ADD A ADD B ADD C ALE25AD2AD1242322AD3 ALE9OEADC0808VREF(+) VREF(-)12165+10u图 3.74 软件设计多路数字电压表系统软件程序主要有主程序、A/D 转换子程序和中断显示程序组成。4.1 主程序主程序包含初始化局部、调用 A/D 转换子程序和相应外部 0 中断显示电压数值程序，初始化局部包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位 00H 掌握，初始化时 00H 位设置为 0，默认为循环显示， 当它为 1 时转变为单路显示掌握， 00H 位通过单路、循环按键掌握。流程图如图 4.1 所示。开头初始化A/D 转换子程序显示子程序图 4.1 主程序流程图4.2 A/D 转换子程序A/D 转换子程序用于对 ADC0808 的 4 路输入模拟电压进展 A/D转换，并将转换的数值存入 4 个相应的存储单元中， A/D 转换子程序每隔肯定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图 4.2 所示。开头A/D 转换调用延时存转换后的十六进制数数据指针加一入栈保护4 路转换次数减一Y推断是否为 0N进展十六进制调整显示电压值图 148.2 转换子程序流程图数字量送P1 口取段码地址YP3.1=1？N调用循环显示程序Y显示的是第 4 路调用单路显示程序N重调用显示程序4.3 中断显示程序当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中断0，然后在 中断中读取转换的数值，处理数据并送数码管显示输出。LED数码管承受软件译码动态扫描的方式。在中断程序中包含 多路循环显示程序和单路显示程序，多路循环显示程序把4 个存储单元的数值依次取出送到 4 个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进展显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制 BCD 码，放于 4 个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示通过标志位 00H 掌握。19图 4-3 中断显示程序流程图5 电路仿真图图 6.1 为 4 路通道用模拟电压表测得的理论值。图 6.1 模拟电压表测量结果图 6.2 为进展模拟仿真时的电路图5+RV1% 1k76RV2% 1k32RV3% 1k82RV4% 1k78Volts+3.35Volts+1.15Volts+1.40Volts+4.350N I1N I2NU4:B I3N I0P 1P 2P 3P循环RD54U4:A6274LS02单步1U1P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2P1.1/T2EX P1.0/T2WR387654321P3.7/RD P3.6/WR P3.5/T1 P3.4/T0 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TXD P3.0/RXD17 RD16 WR15 P014 P1 1374LS0212P211p310C422u313029EA ALE PSENP2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A82827262524232221347813141718U2D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q72569U132(CLOCK) 151619AD1 AD2 AD3ALE111OE LE74LS373106U3CLOCK STARTR110KC2IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN726IN1IN027IN27EOC28IN39RST18XTAL233PX1 19C3XTAL1AT89C52 NET=p5P0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3 P0.2/AD2 P0.1/AD1 P0.0/AD03233343536373839212019188151417OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT812345ADD A ADD B ADD C ALE25AD2AD1242322AD3 ALE129VREF(+) VREF(-)165+10uOEADC0808图 6.2 仿真时的电路图316 总结经过两周的努力最终设计成功，LED 的显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎全都，误差完全在合理的范围之内。由于仪器误差，LED 显示最大值只能是 4.9V，离标准最大值 5.0V 已经不远，到达预期目的，设计成功。本设计参考了教材上第十一章 89C51 与 ADC0809 转换的接口连线， 设计出电路图的连线，从并中理解了很多根本的学问和接线方法，在程 序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开头时四个数 码管根本不显示，后来觉察用的是共阳极的数码管，而设计是共阴极的， 更换后数码管最终显示，但问题又消灭了，单路显示和循环显示的开关 不能掌握电路的单路显示和循环显示，经过认真地检查电路和修改程序， 承受中断的方法，产生一次外部中断0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换的模拟通道相应的加一，假设按下循环按 键就返回循环显示的程序，功夫不负有心人，最终最终调试成功。在此再次向带着我们这次课程设计的李晓秀教师说声：感谢！参考文献1 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:2023年 1 月第 2 次印刷2 8051 试验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技3 徐爱钧.智能化测量掌握仪表原理与设计(其次版)M.北京:北京航空航天大学出版社,20234 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051 单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社,20235 张国勋.缩短ICL7135A/D 采样程序时间的一种方法J.电子技术应用.1993.第一期6 顶峰.单片微型计算机与接口技术M.北京科学出版社,2023.7 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予C8051F 单片机的SOC 型数据采录器的设计与实现8 型 AT89S52 系列单片机及其应用孙育才 北京：清华大学出版社2023-59 MCS-51 系列单片机系统及其应用蔡美琴高等教育出版10 过程掌握与仪表陈乐中国计量学院出版社，2023-3附录 1 源程序ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0MAIN:MOV 50H,#19HMOV 54H,#78H MOV DPTR,#7FF8H MOV 51H,DPH MOV 52H,DPL MOV R0,#04H MOV 53H,#00H MOV R7,#00H SETB EASETB IT0 SETB EX0L4: MOV R1,#00H位MOV R2,#00H位MOV R3,#0FFH MOV R4,#00H MOV R5,#00H MOVX DPTR,A LCALL DELAY MOVX A,DPTR INC DPTR;R1 存放十六进制转换成十进制后的低两;R2 存放十六进制转换成十进制后的高两;循环显示十进制数;存放 A/D 转换后的十六进制数;存放 0.5 相加后的数;开头 A/D 转换;调用延时大于 A/D 转换的时间;取 A/D 转换后的十六进制数;A/D 转换芯片的地址加一PUSH DPL;压入堆栈PUSH DPHDEC R0;4 路转换的次数减一JZ SB2;推断是否是 0V MOV R4,AL1:MOV A,R1;进展十六进制到十进制的调整ADD A,50H DA AMOV R1,A JC L2 MOV A,R5ADD A,54H DA AMOV R5,A JCL3SB1:DJNZ R4,L1环;每次加 19;假设溢出则跳转到 L2;进展 0.5V 相加;假设溢出则跳转到 L3;推断十六进制数是否转换完成，假设没有则循MOV A,R5 SWAP A ANL A,#0FH MOV B,R1 ADD A,B DA AMOV R1,A SB2:LCALL DISPLCALL DJW DJNZ R3,SB2 POP DPH POP DPLMOV A,53H INC AMOV 53H,A CJNE R0,#00H,L4 LJMP MAINL2: CLR CMOV A,R2 ADD A,#01H DA AMOV R2,A LJMP SB1L3: CLR CMOV A,R1 ADD A,#01H DA AMOV R1,A LJMP SB1DISP:MOV A,R1SWAP A ANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CLR P3.0MOV P1,A LCALL DELAYSETB P3.0 MOV A,R2 ANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR;0.5V 相加溢出后进位;显示电压子程序CLRP3.1 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.1 MOV A,R2 SWAP AANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB2 MOVC A,A+DPTR CLR P3.4MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.4RET DJW:MOV A,53HMOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CLR P3.5MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.5RET INTV: PUSH ACCPUSH 53H MOV 53H,#00HCX2: MOV R1,#00H MOV R2,#00H MOV R3,#0FFH MOV R4,#00H MOV DPH,51H;显示第几路转换电压子程序;只显示其中一路中断MOV DPL,52H MOVX DPTR,A LCALL DELAY MOVX A,DPTR MOV R4,AJZ SB22 L11:MOV A,R1ADD A,50H DA AMOV R1,A JC L22 MOV A,R5 ADD A,54H DA AMOV R5,A JCL33SB11:DJNZ R4,L11 MOV A,R5 SWAP AANL A,#0FH MOV B,R1 ADD A,B DA AMOV R1,A SB22:LCALL DISPLCALL DJW JNB P3.3,EXIT DJNZ R3,SB22 JNB P3.2,CX1 LJMP CX2;进展 0.5V 相加L22:CLR CMOV A,R2 ADD A,#01H DA AMOV R2,A LJMP SB11 L33:CLR C MOV A,R1 ADD A,#01H DA AMOV R1,A LJMP SB11CX1:INC R7MOV A,53H INC AMOV 53H,A MOV DPH,51H MOV DPL,52H INC DPTR MOV 51H,DPH MOV 52H,DPLCJNE R7,#04H,CX2 MOV R7,#00H MOV 53H,#01H MOV DPTR,#7FF8H MOV 51H,DPH MOV 52H,DPL LJMP CX2EXIT:POP 53HPOP ACCRETIDELAY:MOV R6,#1H;延时子程序D1:MOV R5,#50HD2:NOPNOPDJNZ R5,D2 DJNZ R6,D1 RETTAB1:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHTAB2:DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H DB 0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH END;码表;小数点的段码表课程设计评分表评价项目优良中及格差设计方案合理性与制造性10%开发板焊接及其调试完成状况*10%硬件设计或软件编程完成状况20%硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(20%)辩论状况(10%)完成任务状况(10%)独立工作力量(10%)出勤状况(10%)综 合 评 分指导教师签名： 日期： 注：表中标*号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最终一页。课程设计说明书装订挨次：封面、任务书、名目、正文、评分表、附件非 16K 大小的图纸及程序清单。