目錄目錄系統(tǒng)硬件設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)3.1.1單片機(jī)的特點(diǎn)介紹對于單片機(jī)的選擇，讓我們已經(jīng)初步了解過單片機(jī)；簡單地說，它就是一個芯片，而且是高度集成的一類電路芯片，它是一個具有實(shí)際意義的計算機(jī)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的集成技術(shù)，把許多可以實(shí)現(xiàn)的功能通過一個芯片連接在一起，是方便了設(shè)計系統(tǒng)時候的便捷，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高速化處理。現(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)在功能方面的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了人們廣泛的使用，簡單易學(xué)易懂并且之后的調(diào)試與查找錯誤也都會比較方便。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)圖3.1.2單片機(jī)系統(tǒng)在一個含有單片機(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)提供時鐘的，相當(dāng)于外接了一個時鐘。對于單片機(jī)AT89C51，它的晶振是12MHZ，特別注意的是其中的兩個電容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。通過衰減電路的作用，就可以通過開關(guān)來選擇衰減率的大小，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，則必須通過計算，來確定不同量程所需要在可知設(shè)計衰減器中所用電阻的大小，即圖中R2，R3和R4的電阻大??；經(jīng)過計算，它們依次對應(yīng)為:9MΩ，900KΩ，100KΩ。在這次的設(shè)計中，特地將切換檔位的開關(guān)設(shè)置為雙開關(guān)，其目的是我們希望此次的電壓表設(shè)計更加地自動化和智能化，即能夠使單片機(jī)可以對檔位進(jìn)行自動識別，然后進(jìn)一步測算對應(yīng)的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)的連接在A/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)的連接原理圖對于這個模塊所選擇的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，以下是它的封裝引腳圖和功能說明：圖3-5TLC2543的封裝引腳圖引腳的功能說明如下：引腳定義I/O說明1～9,11,12AIN0～AIN10I模擬量輸入端。11路輸入信號由內(nèi)部多路器選通。對于4.1MHz的I/OCLOCK，驅(qū)動源阻抗必須小于或等于50Ω，而且用60pF電容來限制模擬輸入電壓的斜率15CSI在CS端由高變低時，內(nèi)部計數(shù)器復(fù)位。由低變高時，在設(shè)定時間內(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為高時處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，CS為低時處于激活狀態(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。除另有說明外，所有電壓測量都相對GND而言18I/OCLOCKI輸入/輸出時鐘端。I/OCLOCK接收串行輸入信號并完成以下四個功能：（1）在I/OCLOCK的前8個上升沿，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個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/OCLOCK的最后一個下降沿為止。（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的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（4）I/OCLOCK的最后一個下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號傳送到內(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引腳的功能說明1602液晶與單片機(jī)的連接測量電壓的結(jié)果需要被收集和顯示，因此設(shè)計顯示器和單片機(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)的連接原理圖對于1602液晶，以下對它的引腳功能進(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是液晶顯示器的對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，高電平（1）時讀取信息，負(fù)跳變時執(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]鍵盤與單片機(jī)的連接在鍵盤與單片機(jī)的連接模塊中，鍵盤的一端選擇接地，另外一端單片機(jī)與AT89C51的P2.0連接[8]。以下是鍵盤和單片機(jī)連接模塊的原理圖：圖3-7鍵盤與單片機(jī)的連接原理圖這個鍵盤的設(shè)計目的在于，當(dāng)按下鍵盤時，對后面五秒的電壓進(jìn)行平均數(shù)求值。本章小結(jié)本章對所要用到的單片機(jī)進(jìn)行介紹并對硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和分析。對本設(shè)計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KeilC51軟件的介紹在眾多的軟件開發(fā)工具中，KeilC51是一款比較優(yōu)秀的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)；它是美國KeilSoftware公司出品,提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具,提供了人性化的全Windows程序設(shè)計界面。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系列的開發(fā)軟件能夠完成完整的開發(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，在項目的開發(fā)上非常的方便，是當(dāng)今在單片機(jī)程序開發(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)大部分工科專業(yè)必學(xué)的軟件之一，它擁有龐大的仿真元件庫，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，可以實(shí)現(xiàn)各種元器件的組合，并且接線的方式可以自己選擇，可以進(jìn)行傳統(tǒng)的引腳接線，將引腳連在一起，這樣是比較直觀的，也可以將接線隱藏起來，這樣就沒有那么的直觀，但是效果是完全相同的，一般在接線很多的情況下都會將接線隱藏起來，讓仿真原理圖看上去更加的整潔[12]。程序匯編語言和C語言的選擇對于絕大多數(shù)的電路設(shè)計，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，對于程序的匯編語言的選擇，是一個很重要的環(huán)節(jié)。在基于單片機(jī)應(yīng)用的電路系統(tǒng)設(shè)計中，最常見和被使用到的是匯編語言和C語言[13]。接下來首先介紹匯編語言，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所體現(xiàn)的性能比較差，而且會比較依賴于計算機(jī)硬件。相比于匯編語言，C語言就在使用上更為方便和靈活，由于它的語言簡潔，同時可以運(yùn)用不同的表達(dá)化類型，寫出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多種多樣的控制語句；即使它的執(zhí)行效率相對匯編語言更低，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)計過程中效率不足的缺點(diǎn)。經(jīng)過綜合分析，在基于單片機(jī)作為此次設(shè)計的核心系統(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語言編寫軟件程序，來控制單片機(jī)的運(yùn)行。主程序的設(shè)計為了滿足電壓表能夠完美運(yùn)行，首先需要為整個系統(tǒng)設(shè)計出它的主程序，步驟如下：（1）對單片機(jī)位進(jìn)行定義（2）為延時模塊編寫程序。（3）為1602液晶顯示模塊編寫驅(qū)動程序。（4）為A/D轉(zhuǎn)換模塊編寫驅(qū)動程序。（5）為鍵盤模塊編寫程序。系統(tǒng)程序的整體流程圖如下圖：圖4-2系統(tǒng)程序的流程圖詳細(xì)軟件程序見附錄。本章小結(jié)本章對數(shù)字電壓表系統(tǒng)的單片機(jī)程序進(jìn)行了設(shè)計，對數(shù)字電壓表系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計流程進(jìn)行闡述，并且編譯程序和代碼，闡述設(shè)計所要使用Keil軟件，功能運(yùn)行流程，本課題所用的編程軟件是KeilC51，簡單介紹了Keil軟件的特點(diǎn)并對功能實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行大致的概括。對主程序進(jìn)行設(shè)計和制作出流程圖，最終對軟件程序進(jìn)行匯編編程。之所以采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，是因為首先我個人對C語言的熟悉程度稍微高一點(diǎn)，而且C語言中，函數(shù)是程序的基本組成單位，因此可以很方便地用函數(shù)作為程序模塊來實(shí)現(xiàn)C語言程序。故用C語言來設(shè)計不僅簡單，程序的可讀性和可維護(hù)性也大大提升，減輕了程序員的代碼工作量。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試各模塊的調(diào)試檢測完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計和軟件編程之后，下一步就是要使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，接下來需要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行和測試。以下就是測試過程：5.1.1調(diào)試的目的和準(zhǔn)備設(shè)計的最終結(jié)果是否成功，首先需要我們通過對軟件的調(diào)試檢測。打開proteus仿真軟件并從本地中找出電路仿真，初始界面如圖5-1；經(jīng)過仿真調(diào)試，不僅僅能發(fā)現(xiàn)和糾正程序的錯誤，也能在過程中找出硬件的故障。軟件調(diào)試不是一氣呵成就能得到結(jié)果的，這個過程需要一個模塊接一個模塊進(jìn)行。然后最后才能調(diào)試整個程序。圖5-1仿真電路的初始圖5.1.2液晶顯示模塊的檢測調(diào)試檢查液晶顯示模塊。通過對主程序display（）和display_zifu（）函數(shù)的調(diào)用，檢測液晶顯示模塊是否能正確地顯示出字符，經(jīng)過調(diào)試以達(dá)到滿足子程序和總程序的要求[14]。圖5-2液晶顯示模塊的調(diào)試運(yùn)行5.1.3按鍵模塊的檢測調(diào)試檢查按鍵模塊程序。調(diào)用按鍵模塊子程序，對key_state1函數(shù)狀態(tài)下添加加一個任務(wù)，顯示一個字符在液晶上。最終結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)要求。圖5-3按鍵模塊的調(diào)試5.1.4A/D轉(zhuǎn)換模塊的檢測調(diào)試檢查A/D轉(zhuǎn)換模塊程序。利用仿真電路，在電路輸入端輸入某一固定電壓值，分析和觀察液晶上的數(shù)值，對誤差進(jìn)行調(diào)試以達(dá)到系統(tǒng)滿足要求。圖5-4A/D轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試5.1.5數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊的檢測調(diào)試檢查數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊程序。通過對仿真電路中不同檔位開關(guān)的選擇撥動，在不同的檔位時輸入一樣的電壓，觀察液晶顯示的電壓值是否相同或者存在誤差。如果一致。則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的算法正確的[15]。圖5-5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決的方法由于編程知識的匱乏和不熟練，最初的程序有很多錯誤的地方，導(dǎo)致仿真無法通過，后通過老師的幫忙和努力地修改調(diào)試，完善了并完成了最終的程序，并調(diào)試完成了軟件仿真。在電路仿真完成后，在對電壓的測量過程中，對于某一固定的電壓值，選取不同檔位所測量的電壓結(jié)果不同，結(jié)果存在一定誤差；經(jīng)過各模塊的檢測分析和調(diào)試，最終將誤差降到可以忽略不計。本章小結(jié)本章對數(shù)字電壓表的仿真電路進(jìn)行檢測和調(diào)試，對系統(tǒng)的不同模塊逐一調(diào)整，一步步減小系統(tǒng)誤差，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計要求，最終完成電路的仿真運(yùn)行成功，較好地完成本次的電路設(shè)計。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]瞿兵,陽泳,胡湘娟.基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表論述與仿真[J].電子世界,2015(20):29+32.[2]V.M.Bapat.DigitalVoltmeters[J].IETEJournalofResearch,2015,16(11):809-813.[3]魏立峰，單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M]，北京大學(xué)出版社2006[4]朱志珍,王哲.基于AT89C51單片機(jī)的精密數(shù)字電壓表設(shè)計[J].長春師范大學(xué)學(xué)報,2020,39(02):64-67.[5] 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