8路输入模拟信号数值显示器的设计.docx
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8路输入模拟信号数值显示器的设计
毕业设计（论文）
题目：
8路输入模拟信号数值显示器的设计
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
指导教师
职称
系别
专业
自动化
题目
8路输入模拟信号数值显示器的设计
任务与要求
一.任务：
设计一个8路输入模拟信号数值显示器，采用AT89C52单片机控制，由集成电路0809完成模数转换。
本显示器可自动轮流显示8路输入模拟信号的数值，最小分辨率为0.02V，最大显示数值为255（输入为5V时），模拟输入最大值为5V，可作为数字电压表用。
二.要求：
1、熟练掌握0809模数转换的实际应用原理。
2、设计硬件电路，配合软件编程，完成8路输入模拟信号数值显示的功能。
3、能自动轮流显示模数转换的数值，最大显示数值为255。
要求熟悉单片机系统设计，熟悉汇编语言或C语言编程，硬件电路知识扎
实，具有较强的软件编程能力，要熟练掌握硬件电路的焊接技术，提高动手能
力。
用PROTUSE软件画出电路原理图。
开始日期
2007年3月19日
完成日期
2007年6月24日
系主任（签字）
年
月
日
西安邮电学院
毕业设计（论文）工作计划
学生姓名指导教师职称
系别专业自动化
题目8路输入模拟信号数值显示器的设计
____________________________________________________
工作进程：
起止时间
工作内容
第1周3.19～3.25完成知识储备，认真复习单片机知识。
第2周3.26～4.1查阅相关资料，了解所设计的内容，
提交毕业设计开题报告。
第3周4.2～4.8学习PROTEUS仿真工具的使用。
第4周4.9～4.15初步确立系统的硬件设计。
第5周4.16～4.22编写相应的软件程序。
第6周4.23～4.29利用PROTEUS对系统进行仿真。
第7周4.30～5.6提供中期报告，并进行中期检查。
第8周5.7～5.13继续对系统进行仿真工作。
第9周5.14～5.20准备元器件，进行电路板的焊接工作。
第10周5.21～5.27开始进行系统调试。
第11周5.28～6.3继续调试，并准备进行后期检查。
第12周6.4～6.10开始撰写毕业设计论文。
第13周6.11～6.17完成毕业设计论文，进行毕业答辩。
第14周6.18～6.24登录毕业论文答辩成绩。
主要参考书目（资料）
张国勋,孙海.单片机原理与应用.北京：
北京航空航天大学出版社，2003
李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，2003
楼然苗，李光飞.51单片机设计实例.北京：
北京航空航天大学出版社，2003
诸昌钤.LED显示屏系统原理及工程技术.成都：
电子科技大学出版社，2000
主要参考书目（资料）
主要仪器设备及材料
1、PC机一台
2、示波器一台
3、数字万用表一块
4、单片机集成编译环境、实验板、焊接工具
5、芯片、阻容器件若干
6、PROTEUS软件
论文（设计）过程中教师的指导安排
按计划书中的工作内容要求，每周两次定时指导学生设计，同时检查设计进度情况。
学生有问题也可随时联系指导。
对计划的说明
学校
毕业设计（论文）开题报告
系专业级班
课题名称：
8路输入模拟信号数值显示器的设计
学生姓名：
学号：
指导教师：
报告日期：
2007年3月28日
1．本课题所涉及的问题及应用现状综述
本课题所涉及的主要问题就是将8路的模拟输入信号转换成数字输出信号，并且利用软件编程实现接口电路的转换功能。
应用现状综述：
8路输入模拟信号数值显示器不论是在国内还是国外都被广泛应用，数值显示是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查询，将其在某一段时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。
随着工、农业的发展，多路模拟信号数值显示器势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。
如今，随着科技的不断发展，电子技术类产品经历了一个蓬勃发展的阶段，国内国外在该技术上都朝着更先进、更智能化的方向发展，多路模拟信号数值显示器的功能也会越来越强，自然地其应用领域也会越来越广泛。
2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近法A/D，转换时间在典型时钟频率下约为100μs，适用于多种数据采集，所以AT89C51与ADC0809接口时，必须弄清和处理好3个问题：
（1）要给START线送一个100μs宽的启动正脉冲；
（2）获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；
（3）要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是在OE线上送一个地址译码器输出信号。
解决思路：
AT89C51与ADC0809接口可以采用查询方式和中断方式，由于ADC0809片内无时钟，故利用AT89C51提供的地址，锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，START和ALE互连可使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作，START启动信号由单片机的P2.7作为片选信号，与
进行或非操作，得到一个正脉冲，加到ADC0809的ALE和START引脚上产生的。
ADC0809的EOC端经反相器连接到单片机的P3.3引脚，作为查询或中断信号。
由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出线可直接与单片机数据总线相连，单片机的低8位地址信号在ALE作用下锁存在74LS373中。
可行性分析：
本课题可以方便的实现8路的模拟输入信号在LED上的数值显示，在现实社会中具有很大的实用性，不论在国内还是在国外，模拟信号数值显示器在工业、农业、医药、化工、食品等领域的生产过程中起到至关重要的作用。
3．完成本课题的工作方案
第一周完成知识储备，认真复习单片机知识。
第二周查阅相关资料，了解设计所涉及的内容，
提交毕业设计开题报告。
第三周学习PROTEUS仿真工具的使用。
第四周初步确立系统的硬件设计。
第五周编写相应的软件程序。
第六周利用PROTEUS对系统进行仿真。
第七周提供中期报告，并进行中期检查。
第八周继续对系统进行仿真工作。
第九周准备元器件，进行电路板的焊接工作。
第十周开始进行系统调试。
第十一周继续调试，并准备进行后期检查。
第十二周开始撰写毕业设计论文。
第十三周完成毕业设计论文，进行毕业论文答辩。
第十四周毕业论文总结。
4．指导教师审阅意见
指导教师（签字）：
年月日
说明：
本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。
西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表
学生姓名
性别
学号
专业班级
自动
课题名称
8路输入模拟信号数值显示器的设计
课题
类型
硬件
设计
难度
一般
毕业设计（论文）时间
2007年3月19日～2007年6月24日共14周
指导教师
（职称）
课题任务
完成情况
论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；
其它（含附件）：
指导教师意见
分项得分：
开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分
指导教师审阅成绩：
指导教师（签字）：
年 月 日
评
阅
教
师
意见
分项得分：
选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；外文翻译分
评阅成绩：
评阅教师（签字）：
年 月 日
验收小组意见
分项得分：
准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分
验收成绩：
验收教师（组长）（签字）：
年 月 日
答
辩
小组
意
见
分项得分：
准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分
答辩成绩：
答辩小组组长（签字）：
年月日
成绩计算方法
（填写本系实用比例）
指导教师成绩（％）评阅成绩（％）验收成绩（％）答辩成绩（％）
学生实得成绩（百分制）
指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评
答辩委员会意见
毕业论文（设计）总评成绩（等级）：
系答辩委员会主任（签字）：
系（签章）
年月日
备
注
西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）
摘要
本文主要论述了基于单片机的A/D转换的硬件结构,并在此基础上进行了软件设计。
以AT89C52单片机及模数转换芯片ADC0809为核心，该系统有两个部分：
A/D转换，数据处理和显示。
具体包括控制、显示、A/D转换器等。
设计中用ADC0809进行8路数据的采样，利用AT89C52单片机的串行口发送和接收数据。
显示部分由LED数码显示器构成。
硬件设计应用电子设计自动化工具，软件设计采用模块化编程方法。
关键词：
AT89C52，单片机，模数转换，ADC0809，LED数码管
Abstract
ThehardwarestructureofdatacollectionsystembasedonSCMisprimarilypresentedinthepaper.Anditssoftwareisdesignedsecondly.TaketheAT89C52SCManda/dconversionchipADC0809asacore,thissystemhastwoparts:
A/Dtransforms,dataprocessinganddemonstration.Specificallyincludesthecontrol,thedemonstration,theA/Dswitchandsoon.Inthedesigncarrieson8wayswithADC0809accordingtothesampling,usestheAT89C52SCMtheserialmouthtransmissionandthereceivedata.DemonstratedpartiallyconstitutesbytheLEDnumericalcodemonitor.Thehardwaredesignapplicationelectrondesignautomationtool,thesoftwaredesignusesthemodularprogrammingmethod.
KeyWords:
AT89C52，SCM，A/dconversion，ADC0809，LEDnumericalcodetube
1引言
随着计算机技术的飞速发展及普及，多路输入模拟信号数值显示系统在多个领域有着广泛的应用。
多路输入模拟信号数值显示是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。
同时，还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。
随着工、农业的发展，多路输入模拟信号数值显示势必将得到越来越广泛的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。
在科学研究中，运用多路输入模拟信号数值显示系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。
总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。
在本论文中，主要讨论以单片机为主控技术的8路输入模拟信号数值显示电路的实现。
把由电压表输出的0~5V的模拟电压信号送给模数转换器，然后A/D转换器将该模拟信号转换为00H~FFH的数字信号，当转换结束时发送转换结束信号给单片机AT89C52，单片机对其转换后的结果进行处理，处理后的结果送往LED数码管进行显示。
2系统概述
8路输入模拟信号数值显示器实际上就是一个数据采集系统，任务是把由电压表输出的0~5V的模拟电压信号送给模数转换器，然后A/D转换器将该模拟信号转换为00H~FFH的数字信号，当转换结束时发送转换结束信号给单片机AT89C52，单片机对其转换后的结果进行处理，处理后的结果送往LED数码管进行显示。
8路输入模拟信号数值显示系统可以分为两大模块：
●硬件电路模块
●软件设计模块
2.1硬件电路简介
根据系统的设计要求，可以将系统硬件电路模块划分为以下三个部分：
●主控制器模块
●数据采集模块
●显示模块
2.1.1主控制器模块
主控制器模块是8路输入模拟信号数值显示器的核心控制部分，该模块主要由单片机构成，通过单片机的各个I/O口对外围设备的控制，以达到A/D转换，显示数据等功能。
2.1.2数据采集模块
工程实践中经常遇到被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、位移、速度等，这些参数都是模拟量。
虽然这些模拟量已经由传感器、变送器变换成标准的电压或电流信号，但还需要通过A/D转换器，将其转换成计算机能处理的相应的数字信号。
所以，单片机与A/D转换接口技术是构成单片机测控系统的重要内容之一。
在本论文中，数据采集模块主要是模数转换器ADC0809。
通过单片机提供的时钟频率，通过一个I/O口送入ADC0809的CLOCK引脚，使ADC0809得到一个能够可靠工作的时钟脉冲。
并且通过START引脚启动转换，将转换得到的数字信号利用8位数据输出线传输给单片机的P0口。
2.1.3显示模块
显示器是单片机应用系统常用的设备，包括LED、LCD等。
LED显示器由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光。
控制相应的二极管导通，就能显示出对应字符。
本论文中，显示模块主要有七段共阳极LED数码管构成，显示电路采用的是动态显示接口电路。
通过单片机的P1口进行数码管的输出显示口，P3口作为数码管的位选择口。
2.2软件设计简介
该系统的软件设计也可以相应的分为以下两部分：
●A/D转换程序设计
●显示程序设计
2.2.1A/D转换程序设计
A/D转换程序的设计是该系统实现的核心部分，通过设计A/D转换程序驱动单片机向模数转换器ADC0809输入指令开启模数转换，以达到系统设计的主要功能。
2.2.2显示程序设计
我们要的是一个能够用眼睛直接接受的一个结果，而不是眼睛看不到，需要在各种仿真软件里才能看到结果的设计，所以数码管显示程序的设计也是该系统设计环节的主要部分。
这部分程序也主要是对单片机进行编程来驱动LED数码管进行正常的显示工作。
3系统方案的选择和论证
8路输入模拟信号数值显示器，采用AT89C52单片机控制，由集成电路0809完成模数转换。
本显示器可自动轮流显示8路输入模拟信号的数值，最小分辨率为0.02V，最大显示数值为255（输入为5V时），模拟输入最大值为5V，可作为数字电压表用。
3.1系统设计方案的选择
8路输入模拟信号数值显示器的硬件电路可以分为三个模块：
1、主控制器模块；2、数据采集模块；3、显示模块。
其中系统的主控制器采用AT89C52单片机,直接驱动LED数码管，数据采集模块由AT89C52与ADC0809组成。
3.2各模块方案选择和论证
根据该设计所完成的功能，可以将系统分为3个模块：
单片机模块、数据采集模块、显示模块。
系统框图如图3-1所示
图3-1系统模块框图
3.2.1主控制器模块的分析与选择
用单片机作为这一控制系统的核心，接收来自ADC0809的数据，经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，单片机通过与LED数码显示器相连，驱动显示器显示相应通道采集到的数据。
考虑到该数据采集系统所需的程序空间（ROM）和数据空间（RAM）较小，选用AT89C52单片机作为该系统的核心，它含有8K字节的EPROM和256字节的RAM足够本设计所用，并且功能强大的AT89C52单片机可提供许多高性价比的应用场合，所以采用AT89C52单片机作为本设计的主控制器。
时钟电路的选择：
AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈的元件的片外石英晶体和陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
方案一：
内部时钟方式，如图3-1
图3-1内部时钟方式
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF士10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF士l0pF。
方案二：
外部时钟方式，如图3-2
图3-2外部时钟方式
外部振荡器信号的接法与芯片类型有关。
CMOS工艺的MCU其XTAL1端接外部时钟信号，XTAL2端可悬空。
HMOS工艺的MCU则XTAL2端接外部时钟信号，XTAL1端须接地。
由于外部时钟方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机同步。
所以时钟电路采取内部时钟方式。
3.2.2数据采集模块的分析与选择
根据设计要求，该设计需要对8路模拟信号进行采样，并且最小分辨率为0.02V。
a转换原理的选择
随着大规模集成电路技术的迅速发展，A/D转换器新品不断推出。
按工作方式原理分，ADC的主要种类有：
逐次逼近式和双积分式。
方案一：
逐次逼近式ADC的转换原理
图3-3是逐次逼近式ADC的工作原理图。
由图可见，ADC由比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和控制逻辑组成。
图3-3逐次逼近式ADC原理图
在时钟脉冲的同步下，控制逻辑先使N位寄存器的D7位置1（其余位为0）。
此时该寄存器输出的内容为80H，此值经DAC转换为模拟量输出为VN，与待转换的模拟输入信号VIN相比较，若VIN大于等于VN，则比较器输出为1。
于是在时钟脉冲的同步下，保留D7=1，并使下一位D6=1，所得新值（C0H）再经DAC转换得到新的VN，再与VIN比较，重复前述过程。
反之，若使D7=1后，经比较，若VIN小于VN，则使D7=0，D6=1，所得新值VN再与VIN比较，重复前述过程。
以此类推，从D7到D0都比较完毕，转换便结束。
转换结束时，控制逻辑使EOC变为高电平，表示A/D转换结束，此时的D7~D0即为对应于模拟输入信号VIN的数字量。
方案二：
双积分式ADC的转换原理
图3-4是双积分式A/D转换器。
图3-4双积分式A/D转换器
图3-5是双积分式ADC的工作原理图。
控制逻辑先对未知的输入模拟电压VIN进行固定时间T的积分，然后转为对标准电压进行反向积分，直至积分输出返回起始值。
对标准电压的积分时间t2（或t2’）正比于模拟输入电压VIN。
输入电压大，则反向积分时间长。
用高频率标准时钟脉冲来测量积分时间t2（或t2’），即可得到对应于模拟电压VIN的数字量。
图3-5双积分式ADC工作原理
b转换时间的选择
转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。
A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。
通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。
由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。
cADC位数的选择
A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。
对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为
输入为0～5V时，分辨率为
—A/D转换器的满量程值
—ADC的二进制位数
量化误差为
ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。
用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛，所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。
dADC0809与单片机的接口
ADC0809与单片机的接口方式是该系统的核心部分，选择好的接口方式是实现该系统功能的重要步骤。
方案一：
经典接口方式。
ADC0809与单片机的接口电路如图3-6所示。
图3-6ADC0809与MCS-51的接口电路
由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。
ALE引脚得脉冲频率是AT89C52时钟频率的1/6。
单片机时钟频率采用12MHz,则ALE输出的频率是2MHz，二分频后为1MHz,符合ADC0809对频率的要求。
由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。
通道基本地址为0000H～0007H。
其对应关系如表3-1所示。
表3-10809输入通道地址
地址码
输入通道
C
B
A
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
控制信号：
将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。
由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。
在读取转换结果时，用单片机的读信号
和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，打开三态输出锁存器。
方案二：
简易接口方式。
ADC0809转换的必要条件就是CLOCK引脚得到一个能够正常工作的时钟脉冲，以经典接口方式来看，是由单片机的ALE引脚经分频器给CLOCK一个时钟脉冲，通过硬件电路直接给CLOCK引脚一个时钟脉冲。
所以，只要能让ADC0809的CLOCK引脚得到一个能够工作的时钟脉冲，那么A/D转换也就基本能实现。
但是直接利用单片机的任意的一个I/O口与CLOCK引脚连接，通过软件编程的方法给CLOCK引脚送入一个时钟脉冲，那么ADC0809也就可以满足A/D转换的必要条件了。
这样，不仅可以节省了器件，而且又不会出
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