基于单片机模拟量数字显示课程设计.docx
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基于单片机模拟量数字显示课程设计
基于单片机模拟量数字显示课程设计
目录
1.引言
（1）
2.设计方案及原理
（2）
3.模拟量数字仪表设计原理（3）
4.硬件设计（4）
4.2ADC0804的功能介绍（4）
4.3LED显示器（5）
4.3.14位数码管的驱动方式（7）
4.3.2LED显示器的选择（8）
4.3.3LED显示器与单片机接口设计（8）
5.总体电路设计（11）
6.软件设计（12）
7.总结（13）
8.参考文献（15）
1.引言
本文介绍了一种基于单片机的简易数字显示仪器仪表的设计，该设计主要由三个模块：
A\D模数转换器，数据处理模块及显示模块。
A\D模数转换器主要由ADC0804来完成，他负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。
数据处理则由芯片8751来完成，其负责把ADC0804传来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着ADC0804芯片的工作。
20世纪50年代初，世界上出现了第一台数字显示仪表。
近五十年来，随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规模集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，使数字仪表很快地从电子管式、晶体管式发展到目前集成电路式和带有微处理哭的数字仪表。
数字仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。
该系统的数字显示仪表电路简单，所用原件较少，成本低，测量精度和可靠性较高，最终结果通过四位一体共阴极八段数码显示管显示出来。
2.设计方案及原理
硬件电路设计有3个部分组成：
A/D转换电路，8751单片机系统以及LED显示系统。
P0口作为与A/D转换电路的数据口，P3口部分接口作为A/D转换电路的控制口,P0口作为LED显示系统的段选码输入口，P1口部分接口作为LED显示系统的位选控制端。
硬件电路设计框图如图1所示：
被
测
参
数标度变换模/数（A/D）转换计数显示
3.模拟量数字仪表设计原理
利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式现实出来。
本设计以8751单片机为核心，以逐次比较型A/D转换器ADC0804、4位一体的共阴极时钟型LED数码管为主体。
图2数字显示仪表组成框图
A/D转换电路模拟量输入
LED显示系统
P0P3
P0P1
8751单片机
图1模拟量数字仪表系统硬件设计框图
4.硬件设计
4.18751单片机的功能介绍
8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再次写入。
单片机应用的早，影响很大，51系列单片机已成为事实上的工业标准。
后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。
人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。
4.2ADC0804的功能介绍
芯片参数：
工作电压：
+5V，即VCC=+5V。
模拟输入电压范围：
0～+5V，即0≤Vin≤+5V。
分辨率：
8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间。
转换时间：
100us（fCK=640KHz时）。
转换误差：
±1LSB。
参考电压：
2.5V，即Vref=2.5V。
4.3LED显示器
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。
本系统中前一位显示测量值的整数位，即个位，后两位显示测量值的小数位。
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式显示。
发光二极管（LED）是一种半导体发光器件．一个LED两端所加的正向电压增加到2V左右时，就出现正向电流并发光。
为了限制流过发光管的电流，调整其亮度调整其亮度，一般都串有限流电阻。
LED的发光颜色常见的有红、绿、黄等色。
数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。
目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。
（一）发光二极管
在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。
因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。
发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压发光器件。
它的特点是：
①低电压（1.5~2.2V）,小电流（5~30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。
②发光响应速度快，高频特性好，能显示脉冲信息，单色性好，寿命长。
③由于LED工作PN结正向导通状态，性能稳定，只要加以必要的先留措施，就可以长期使用。
使寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。
④小型、防震、抗冲击性能好。
⑤使用灵活、可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器、矩阵板、固体发光板等
（二）LED显示器
将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一级做笔画电极，就构成了LED数码显示器。
如图2-3（a）所示。
只要按规定使某些笔画的发光二极管，就能组成0～9的一系列数字。
它具有重量轻、体积小、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应速度快、能在低电平条件下与数字集成电路匹配等优点可作为数字仪表，数控装置，计算机等的数字显示器件。
LED显示器一般采用七段，既把七只LED共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED的特性及驱动显示方法。
如图2-3（b）所示。
（—）
4.3.14位数码管的驱动方式1、静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可的I/O端口才32个呢：
），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
2、数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划
"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共（a）管脚排列（-）
（-）
++
dpgfedcba678910
5321
（b）共阳极++e
d
c
dpbafg-edcdpbafg-（c）共阴极
极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
4.3.2LED显示器的选择
LED显示引脚如图，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a,b,c,e,f,g为四位LED各段公共输出端，1，2，3，4分别为每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是四个单独LED组成，每个LED的断输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
4.3.3LED显示器与单片机接口设计
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专门的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。
如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题，
为了简化数字仪表电路设计。
在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机的P2口上外接上拉电阻来实现，即将LED的A-G段引脚和DP小数点引脚并联到P2口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P2口作为输出口的驱动能力，是LED能按正常的亮度显示数字。
5.总体电路设计
经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字显示仪表硬件电路。
单片机共作在最小系统下，其中复位电路中的C1、C2电容主要起滤波作用，防止外来干扰，C3主要提供上电复位的负脉冲，经过非门给复位引脚提供一个正脉冲。
本次设计主要采用外部时钟，时钟电路中C1、C2主要起微调作用，帮助和稳定波形。
四位一体LED数码管的连接中，P2口作为八段段选码的连接端，P1.1、P1.2、P1.3、P1.4作为为选信号控制端，采用510Ω上拉电阻驱动方式。
ADC转换电路中P3.2、P3.6、P3.7作为模数转换器的控制端P0口作为数据连接端，参考值电路中的VR负责调节参考值（电压2.5V、电流10mA）,模拟量输入电路中的VR主要负责进行标度转换。
硬件电路图：
6.软件设计
主程序的的内容一般包括：
主程序的程序初始化、A/D转换子程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的显示子程序和一些子程序调用等。
根据设计要求，设计出如下图所示的主程序流程图。
开始
初始化
A/D转换子程序
显示子程序
A/D转换程序的功能是采集数据，在整个系统中占有很高的地位。
当系统置好后，单片机扫描转换结束管脚P1.0的输入电平状态，当输入为高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。
若输入为低电平，则继续扫描。
A/D转换子程序中模拟量经前置电路进入A/D转换器启动转换，根据数据的输出判断其是否进行了转换，若没有则继续进行转换，若转换完成则输出转换结果，再在单片机中根据程序指令将输出的二进制数转换成十进制，经由单片机的I/O口将最终结果输送给数码显示管，完成一次数据测量。
若需要多次转换，可根据程序指令重新返回启动转换地址。
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