單片機(jī)數(shù)字電壓表系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27719單片機(jī)數(shù)字電壓表系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 123888第1章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1177491.1單片機(jī)系統(tǒng) 1295281.1.1單片機(jī)的特點(diǎn)介紹 1124871.1.2單片機(jī)系統(tǒng) 2299551.2輸入電路 3312061.3A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接 4248071.41602液晶與單片機(jī)的連接 6193551.5鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接 7272091.6本章小結(jié) 830733第2章軟件設(shè)計(jì) 8160742.1KeilC51軟件的介紹 8210282.2Proteus軟件簡(jiǎn)介 9313152.3程序匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的選擇 9205462.4主程序的設(shè)計(jì) 9系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)1.1.1單片機(jī)的特點(diǎn)介紹對(duì)于單片機(jī)的選擇，讓我們已經(jīng)初步了解過(guò)單片機(jī)；簡(jiǎn)單地說(shuō)，它就是一個(gè)芯片，而且是高度集成的一類(lèi)電路芯片，它是一個(gè)具有實(shí)際意義的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的集成技術(shù)，把許多可以實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)一個(gè)芯片連接在一起，是方便了設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)候的便捷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的高速化處理?，F(xiàn)如今，單片機(jī)技術(shù)受到各行業(yè)人們的歡迎，單片機(jī)在功能方面的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了人們廣泛的使用，簡(jiǎn)單易學(xué)易懂并且之后的調(diào)試與查找錯(cuò)誤也都會(huì)比較方便。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)圖1.1.2單片機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)含有單片機(jī)系統(tǒng)的電路中，通常包含電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。以下是電壓表電路中單片機(jī)系統(tǒng)的原理圖：圖3-2單片機(jī)系統(tǒng)的電路連接和原理圖在單片機(jī)系統(tǒng)所包含的幾種電路模塊中，晶振電路是為單片機(jī)提供時(shí)鐘的，相當(dāng)于外接了一個(gè)時(shí)鐘。對(duì)于單片機(jī)AT89C51，它的晶振是12MHZ，特別注意的是其中的兩個(gè)電容C1、C2的大小都為10UF；另外在復(fù)位電路模塊中，電阻R1的大小是1KΩ，電容C3的值是100UF,。輸入電路在輸入電路模塊中，為了起到保護(hù)電路的作用，以防電壓的數(shù)值遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)電壓（2V)，所以特地在輸入電路模塊里加入了電壓衰減器。通過(guò)衰減電路的作用，就可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇衰減率的大小，以達(dá)到切換數(shù)字電壓表檔位的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以下是電壓表電路中輸入電路模塊的原理圖:圖3-3輸入電路模塊原理圖若要將電壓表設(shè)置為可調(diào)檔電壓表，則必須通過(guò)計(jì)算，來(lái)確定不同量程所需要在可知設(shè)計(jì)衰減器中所用電阻的大小，即圖中R2，R3和R4的電阻大?。唤?jīng)過(guò)計(jì)算，它們依次對(duì)應(yīng)為:9MΩ，900KΩ，100KΩ。在這次的設(shè)計(jì)中，特地將切換檔位的開(kāi)關(guān)設(shè)置為雙開(kāi)關(guān)，其目的是我們希望此次的電壓表設(shè)計(jì)更加地自動(dòng)化和智能化，即能夠使單片機(jī)可以對(duì)檔位進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，然后進(jìn)一步測(cè)算對(duì)應(yīng)的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器與AT89C51連接的模塊中，我們選擇A/D轉(zhuǎn)換器的通道0，依次將A/D轉(zhuǎn)換器的input端連接AT89C51的P1.3口，output端連接AT89C51的P1.4口，CS端連接AT89C51的P1.5口，脈沖端連接單片機(jī)的P1.6口。以下是A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接的原理圖:圖3-4A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接原理圖對(duì)于這個(gè)模塊所選擇的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，以下是它的封裝引腳圖和功能說(shuō)明：圖3-5TLC2543的封裝引腳圖引腳的功能說(shuō)明如下：引腳定義I/O說(shuō)明1～9,11,12AIN0～AIN10I模擬量輸入端。11路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通。對(duì)于2.1MHz的I/OCLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Ω，而且用60pF電容來(lái)限制模擬輸入電壓的斜率15CSI在CS端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止DATAINPUT和I/OCLOCK17DATANPUTI串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來(lái)選擇模擬量輸入通道16DATAOUTOA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。CS為高時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，CS為低時(shí)處于激活狀態(tài)19EOCO轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止10GNDGND是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說(shuō)明外，所有電壓測(cè)量都相對(duì)GND而言18I/OCLOCKI輸入/輸出時(shí)鐘端。I/OCLOCK接收串行輸入信號(hào)并完成以下四個(gè)功能：（1）在I/OCLOCK的前8個(gè)上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2）在I/OCLOCK的第4個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開(kāi)始向電容器充電，直到I/OCLOCK的最后一個(gè)下降沿為止。（3）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到DATAOUT端，在I/OCLOCK的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)始變化。（4）I/OCLOCK的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位14REF+I正基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為Vcc）被加到REF+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與REF-端的電壓差決定13REF-I負(fù)基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的低端（通常為地）被加到REF-20Vcc電源[6]表3-1TLC543引腳的功能說(shuō)明1602液晶與單片機(jī)的連接測(cè)量電壓的結(jié)果需要被收集和顯示，因此設(shè)計(jì)顯示器和單片機(jī)的連接模塊是很重要的。將1602液晶的RS端連接AT89C51的P1.2，將RW端連接AT89C51的P1.1，將E端連接AT89C51的P1.0；1602液晶數(shù)據(jù)的各端口就連接AT89C51的P0口。以下是1602液晶與單片機(jī)連接模塊的原理圖：圖3-61602液晶與單片機(jī)的連接原理圖對(duì)于1602液晶，以下對(duì)它的引腳功能進(jìn)行介紹，其中：第1腳：VSS是地或電源第2腳：VCC接入電源電壓，大小為5V第3腳：V0是液晶顯示器的對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端第15～16腳：空腳或背燈電源；15腳背光正極，16腳背光負(fù)極[7]鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接在鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接模塊中，鍵盤(pán)的一端選擇接地，另外一端單片機(jī)與AT89C51的P2.0連接[8]。以下是鍵盤(pán)和單片機(jī)連接模塊的原理圖：圖3-7鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接原理圖這個(gè)鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)目的在于，當(dāng)按下鍵盤(pán)時(shí)，對(duì)后面五秒的電壓進(jìn)行平均數(shù)求值。本章小結(jié)本章對(duì)所要用到的單片機(jī)進(jìn)行介紹并對(duì)硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。對(duì)本設(shè)計(jì)具體闡述了高精度數(shù)字電壓表的各電路系統(tǒng)和不同模塊間的組成和連接。軟件設(shè)計(jì)KeilC51軟件的介紹在眾多的軟件開(kāi)發(fā)工具中，KeilC51是一款比較優(yōu)秀的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；它是美國(guó)KeilSoftware公司出品,提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具,提供了人性化的全Windows程序設(shè)計(jì)界面。它擁有及其強(qiáng)大的調(diào)試工具,并給出了編輯各種單片機(jī)的頭文件[9]。KeilC51系列的開(kāi)發(fā)軟件能夠完成完整的開(kāi)發(fā)流程，能夠和許多電路仿真軟件進(jìn)行方便的操作，可以直接將編譯好的代碼嵌入到仿真原理圖上，在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)上非常的方便，是當(dāng)今在單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)中使用頻率最高的,幾乎所有的大型工程都是此軟件開(kāi)發(fā)的[10]。Keil軟件界面如圖4-1所示。圖4-1Keil軟件界面圖Proteus軟件簡(jiǎn)介Proteus軟件屬于EDA軟件，是一種可以進(jìn)行電路仿真的軟件，是大學(xué)大部分工科專(zhuān)業(yè)必學(xué)的軟件之一，它擁有龐大的仿真元件庫(kù)，幾乎包含所有主流的CPU、交流和直流等元器件。Proteus軟件支持KeilC51軟件的嵌入使用，原理圖仿真完成之后，可以直接將編程好的代碼嵌入式用，操作非常的便捷[11]。在進(jìn)行仿真圖的繪制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種元器件的組合，并且接線(xiàn)的方式可以自己選擇，可以進(jìn)行傳統(tǒng)的引腳接線(xiàn)，將引腳連在一起，這樣是比較直觀(guān)的，也可以將接線(xiàn)隱藏起來(lái)，這樣就沒(méi)有那么的直觀(guān)，但是效果是完全相同的，一般在接線(xiàn)很多的情況下都會(huì)將接線(xiàn)隱藏起來(lái)，讓仿真原理圖看上去更加的整潔[12]。2.3程序匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的選擇對(duì)于絕大多數(shù)的電路設(shè)計(jì)，都是依靠硬件電路和軟件編程相結(jié)合的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的；其中，對(duì)于程序的匯編語(yǔ)言的選擇，是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。在基于單片機(jī)應(yīng)用的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最常見(jiàn)和被使用到的是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言[13]。接下來(lái)首先介紹匯編語(yǔ)言，它具有占用內(nèi)存單元較少和執(zhí)行速率高的優(yōu)點(diǎn)。但是不足之處是它的程序在移植和讀取時(shí)所體現(xiàn)的性能比較差，而且會(huì)比較依賴(lài)于計(jì)算機(jī)硬件。相比于匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言就在使用上更為方便和靈活，由于它的語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，同時(shí)可以運(yùn)用不同的表達(dá)化類(lèi)型，寫(xiě)出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多種多樣的控制語(yǔ)句；即使它的執(zhí)行效率相對(duì)匯編語(yǔ)言更低，但是較好的可重用性、可移植性能在一定程度上彌補(bǔ)程序此次設(shè)計(jì)過(guò)程中效率不足的缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)綜合分析，在基于單片機(jī)作為此次設(shè)計(jì)的核心系統(tǒng)，考慮到單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，處理器速率快的特點(diǎn)。最終選擇使用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件程序，來(lái)控制