课程设计基于单片机的8路输入模拟信号数值显示电路设计

单片机课程设计8路输入模拟信号数值显示电路姓 名: 李 花 同 组 人: 赵 家 专业班级: 电信0204班 学 号: 020910164 指导老师: 付永红 职 称: 副教授 计算机与电子工程系教务办制二00五年十二月 摘 要本系统是基于AT89S52单片机设计的，由具有8通道的模数转换芯片ADC0809采集模拟信号，并将采集到的数据送入AT89S52进行处理，其中ADC0809的1MHZ时钟脉冲直接由单片机的ALE脚输出的六分频时钟信号经过74LS74二分频得到。在设计中采用了精简电路及充分利用软件资源为原则，采用了软件译码，并利用三极管扩流来驱动数码管。同时兼顾系统的性能指标，采用了四位数码管进行动态显示，分别显示模拟通道数以及采集到的模拟电压的数值。本系统经设计调试达到了预期的设计要求，能够标准地自动轮流显示8路模拟电压数值量，精度为0.02V，误差系数为0.01。关键词：模拟信号； AT89S52； ADC0809； 数值显示目 录一、设计任务及要求5二、 总体设计方案5三、 硬件电路设计61、模拟信号采集电路：62、数据处理模块电路73、数码显示模块电路8四、 软件设计91、主程序92、初始化程序93、显示子程序94、模数转换测量子程序9五、 检测与调试10六、 系统改进设想11七、 总结12参考文献12附件一：总的电路原理图13附件二：程序清单14附件三：数值量模拟量转换对照表（ADC0809的参考电压为5V）19附件四：元件清单21一、 设计任务及要求设计一个8路输入模拟信号数值显示电路，具体要求如下：a.8路模拟信号输入；b.自动轮流显示8个通道模拟信号的数值；c.最小分辨率为0.02V；d.最大显示数值为255；f.测量电压最大值为5V。二、 总体设计方案8路输入模拟信号数值显示电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。根据设计要求，要求能同时输入8路模拟信号，故在本设计中采用了8路的模数转换器AD0809；由单片机AT89C52提供控制信号控制AD0809，并对采集到的数据进行处理，通过软件编程实现8路模拟信号电压数值自动轮流显示；为得到8路模拟信号的数值进行轮流显示，本设计中采用了四个数码管，通过软件直接译码，间接驱动4个共阳极数码管，并通过动态显示来轮流显示4个数码管。系统总体框图设计如下图所示：AD08098路模拟信号采集AT89C52控制信号数据信号数值显示电路图一 系统总体设计框图三、 硬件电路设计1、模拟信号采集电路：模拟信号采集需要用到模数转换器，而ADC0809具有较高的转换速度和精度，分辨率为8位，且受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，且具有8路模拟开关，满足本电路的设计要求，故在该电路模块中采用了ADC0809进行8路模拟信号采集，模数转换器ADC0809各引脚功能如图二所示：IN7IN0：8个模拟量输入端；START：启动信号，当START为高电平时，A/D转换开始；EOC：转换结束信号，当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕。此信号可用做A/D转换是否结束的检测信号，或向CPU申请中断的信号；ENABLE：输出允许信号。当此信号有效时，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。此信号可作为ADC0809的片选信号，高电平有效；CLOCLK：实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率； ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C，B，A所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D转换器；C，B，A：通道号选择端子。C为最高位，A为最低位；D7D0：数字量输出端；VREF（+），VREF（-）：参考电压端子。用以提供D/A转换器权电阻的标准电平。对于一般单极性模拟量输入信号，VREF（+）=+5V，VREF（-）=0V；VCC：电源端子，接+5V；GND：接地端。ADC0809是由单一电源，+5V供电，模拟电压的输入范围为05V，故本设计允许输入的模拟电压最大值为5V。该电路模块的工作过程：第22脚ALE为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存；6脚START为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换；7脚EOC为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平；9脚ENABLE为A/D转换数据输出允许控制，当ENABLE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出；则可读出数据。ADC0809的转换速度取决于芯片的时钟频率，要求时钟频率范围为：101280KHZ，在本设计中我们采用了由单片机ALE脚的六分频晶振信号再通过14024二分频得到，故ADC0809的工作频率为1MHZ，转换时间为1US。 图二 模拟信号采集电路2、数据处理模块电路该电路主要完成将接受到的ADC0809转换输出的二进制数值进行BCD码的转换，并根据设计要求完成8路数值轮流显示的功能，故需借助单片机来完成编程功能。在本设计中，采用了AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，由单片机P0口接收二进制数据。设计中单片机中的I/O口都用做普通的输入输出口，由P1口接受AD0809送来的二进制数值，P0口是数码管数值输出口，P3.0P3.3作为数码管的位驱动口。为得到AD0809的时钟信号，在设计中，利用了单片机的ALE端口。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲， 为了得到1MHZ的时钟频率，在电路中采用了74LS74带预置和清除端的双D触发器74LS74，通过总原理图的接法，可以得到二分频器，连接至ALE端之后，可以得到满足AD0809转换的时钟脉冲。74LS74的引脚功能表如下表一所示。表一 74LS74功能表单片机的P2口输出控制信号，以此来控制ADC0809的转换。具体的数据处理过程，将在软件设计中进行详细介绍。3、数码显示模块电路根据设计要求，要求自动轮流显示模拟通道数，以及8路模拟电压数值，根据功能要求，结合实际的布局布线复杂程度及调试的难易程度，为简化电路起见，在设计中我们采用了动态显示，并用四个连接的共阳数码管取代了单个的数码管，以做到调试简单，实现容易。由于根据数码管的参数要求，要求其驱动电流在10MA20MA之间，在电路中采用9012三极管进行扩流来驱动四个数码管；在本设计中段码显示是由P0口进行输出，为防止数码管灌入单片机的电流超出了允许的电流范围，在数码管与单片机的P1口之间接入了510欧姆的电阻。硬件电路图如图 所示。同样为了简化电路，且充分利用单片机的资源，采用了软件译码代替硬件译码的方式，来进行数值显示。由于人眼的视觉暂留时间为0.1S（100MS），所以每位显示的间隔不能超过20MS，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮，在本设计中每位数值的显示时间为1MS，一个通道的数值显示包括了通道数及电压数值轮流显示，共轮番显示255次，所以每个通道的停留时间为1S。图三 数码显示模块电路 由于本设计中显示的数值不是实际的模拟电压值，而只是由AD0809采集的到模拟电压显示的二进制数，为使使用者能够通过数值得到实际的模拟电压数值，可以通过下表进行查阅，例如：如果数码管显示的数值为2136，则表示，模拟通道IN2的电压值为由数值量136代表的模拟电压2.6656V。详细转换情况见附件三。四、 软件设计1、主程序当进行一次测量后，将显示出每一通道的A/D转换值。每个通道的数据显示时间在1s左右。主程序在调用显示程序和测试程序之间循环，其流程图如图四所示。2、初始化程序系统上电时，将70H77H内存单元清零，P2口置零。3、显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H77H内存单元中。测量数据在显示时需经过转换成为十进制BCD码放在78H7BH中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用来作为8路循环控制，R0用做显示数据地址指针。 4、模数转换测量子程序 模数转换测量子程序是用来控制对0809 8路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H77H内存单元，其程序流程如图五所示。具体程序清单见附件二。启动测试取数据（P2.5=1）开始A/D转换结束p3.7=1？0809地址加1地址数小于8？结束开始初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序图四 主程序流程图 图五 A/D转换测量程序流程图 程序的资源分配：内部RAM70H77H是8路模拟信号经过AD转换得到的二进制数存储单元，78H7BH是分别作为数码管的的模拟通道数，电压数值的百位、十位、个位。五、 检测与调试按照总的电路图进行布局和布线，焊接完成之后，进行了系统检测，本电路的检测步骤如下：a.在通电之前，先检查电源与地端之间的电阻大小，在正常情况下，电阻值为无穷大，但实际情况为几千欧姆。如果电阻小，则说明电路中存在短路现象，可通过定点与动点结合的试触法进行测试，检查短路的引脚，并矫正。b.通电之后，检测单片机是否工作正常，通过检测单片机的30脚ALE看是否有正弦波输出，且其电压值是否为电源电压的一半。如果单片机没工作，则看振荡电路是否正常，检测18，19脚的电压是否在2.2V左右。c.检测复位电路是否工作正常，按下复位开关之后，单片机的第9脚是否有高电平。如果没有，则检查复位电路是否连接正确。d.检测各集成芯片是否工作正常，即检测各芯片的电源端是否有电压。经检测完毕无异常情况之后，可以通过烧写器下载程序进行调试。以下是在本次调试过程当中遇到的问题：a.数码管只亮了后面两个，经检测数码管是好的，通过检测电路焊接情况，由于存在虚焊的情况，经矫正之后数码管亮了三个，为检查唯一一个不亮的数码管，采用了程序检测与硬件检测相结合的方法，最后得出结论三极管是坏的，换掉三极管之后，数码管工作完全正常。b.在数码管显示时，发现数码管在初次采样显示为00，经调节程序的顺序并修改，从程序上电之初就开始轮流采集八路模拟电压，通过数码管显示，可以得到标准的电压数值量。c.为检测得到的电压数值量与其代表的模拟电压是否相一致，用数字电压表测量模拟量与理论计算得到的模拟量进行比较，在开始检测时出现了较大的差值，经过检测发现，电压输入端存在虚焊的现象，经矫正，得到的测量值与理论值之间的误差为0.01左右，满足题目的精度要求。六、 系统改进设想本