桂林电子科技大学 微机综合设计.docx
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桂林电子科技大学微机综合设计
桂林电子科技大学
微机综合设计
设
计
报
告
指导老师：
吴兆华
学生：
moumou
学号：
10001502xx
桂林电子科技大学机电工程学院
一、设计题目
单片机的D/A接口应用
二、设计内容与要求
用8031单片机控制可输出电压范围0~10V，分辨率为0.1V；并且用数码管显示正在输出电压的数值。
三、设计目的意义
随着社会的发展，单片机因其高可靠性和高性价比，在工业控制系统、智能化仪器仪表和智能接口等诸多领域内得到了极为广泛的应用。
因此，本设计具有很强的现实应用性，且是对我们所学知识应用的一个很好的检验。
这个单片机控制可输出电压的设计可以适用于工业上的应用，在需要调整电压输出的时候，这个电路设计就能派上用场，而且数码管的显示更加直观。
1.通过单片机的D/A接口应用的设计，将所学的单片机知识融会贯通，锻炼个人的一种独立设计、制作和调试单片机应用系统的能力。
初步了解单片机应用系统的软、硬件调试方法和系统的研制开发过程，为今后进一步的科研实践活动打下一定的基础。
2.通过设计单片机的D/A接口应用，掌握单片机中模数转换的知识；掌握控制DAC0832的输入和输出，以及数码管的显示的软件编程和硬件设计方法；掌握根据具体设计要求，选择方案，查找确定所用元器件、设计并绘制硬件电路、编程写入并调试等一系列，掌握单片机应用的基础基本方法与步骤
3.通过这一课程设计，掌握单片机的接口及相关外围芯片的特性、使用与控制方法；对自己储备的单片机知识有所了解，巩固基础知识的同时，提高整体的动手能力和接受新任务项目时的执行能力。
4.为我们以后的工作积累经验，培养团队的合作精神和分工协调能力，为今后能独立承担起电路设计、能进行微机单片机应用系统的开发与设计工作打下一定的基础。
5.通过这一课程设计，对自己储备的单片机知识有所了解，巩固基础知识的同时，提高整体的动手能力和接受新任务项目时的执行能力。
6.培养团队的合作协调能力。
四、系统硬件电路
4.1原理图中所用元器件及功能：
4.1.1元器件列表：
Footprint
Comment
LibRef
Designator
Description
Quantity
dip8
LM358
DI
1
CAP2-100
10uF
ELECTRO2
C1
ElectrolyticCapacitor
1
CAP104
30pF
CAP
C2,C3
Capacitor
2
XTAL-1
12M
CRY
CY1
1
DIP20
DAC0832
DAC0832
DAC1
1
SIP2
CON4
CON2
J1
Connector
1
数码管
共阳
J2
1
SIP2
CON2
C,CON2
J3,J5
Connector
2
SIP2
CON3
CON2
J4
Connector
1
sip4
CON4
CO
J6
Connector
1
NPN+PNP
8050
NPN
Q1
1
NPN+PNP
NPN
NPN
Q2,Q3,Q4
3
AXIAL0.3
330
RES
R1,R2,R4,R5,R6,R7,R8,R9
8
AXIAL0.3
10K
RES2
R3
1
AXIAL0.3
4.7k
RES
R10,R11,R12,R13
4
SIP9
CON9
CON9
RP1
Connector
1
SPST_4
BUTTON
SW1
1
SPST_4
BUTTON
BUTTON
SW-S-1,SW-S-2
2
DIP-40
89C51
89C51
U2
1
Approved
Notes
34
4.2元器件功能：
4.2.151单片机
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。
4.2.1.1主要功能及引脚简介：
·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）
·256bytes的数据存储器（RAM）（52有384bytes的RAM）
·32条I/O口线
·111条指令，大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器
·5个中断源，2个优先级（52有6个）
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能
·双列直插40PinDIP封装
·单一+5V电源供电
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器。
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及要显示的数据。
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格。
I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出
T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式
五个中断源的中断控制系统
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信
片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
4.2.1.2引脚说明
P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。
P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。
P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。
P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。
P0口有三个功能：
1、外部扩展存储器时，当作数据总线
2、外部扩展存储器时，当作地址总线
3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：
其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用
2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即编程脉冲：
30脚（ALE/PROG） ，编程电压（25V）：
31脚（EA/Vpp），ALE/PROG 地址锁存控制信号：
在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出，低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。
当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。
在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。
从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以作为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。
PORG为编程脉冲的输入端：
在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？
实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。
PSEN外部程序存储器读选通信号：
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
①内部ROM读取时，PSEN无动作；
②外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；
③外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；
④外接ROM时，与ROM的OE脚相接。
4.2.2DAC0832
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
4..2.2.1主要参数
*分辨率为8位；
* 电流稳定时间1us；
*可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
*只需在满量程下调整其线性度；
*单一电源供电（+5V～+15V）；
*低功耗，20mW。
4.2.2.2结构
*D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
*ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
*CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
*WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
*XFER：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
*WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
*IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
*IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
*Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
*Vcc：
电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
*VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
*AGND：
模拟信号地；
*DGND：
数字信号地。
4.2.3数码管
七段数码管是数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管,区别在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，其基本单元是发光二极管。
数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。
在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。
绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。
图8为七段数码管引脚图。
4.2.3.1七段数码管工作原理
共阳极七段数码管的显示的基本原理是当有电流流过7段数码管（a、b、c、d、e、f、g）的某一段时，该段就会发光从而能够实现显示数字0~9。
设计原理图如图示：
根据数码管的功能原理，我们可以得到十进制数0~9在数码管显示是的真值表，如下表
（2）：
abcdefgh
0
00000011
1
10011111
2
00100101
3
00001101
4
10011001
5
01001001
6
01000001
7
00011111
8
00000001
9
00001001
共阴极的：
十进制数
abcdefgh
0
11111100
1
01100000
2
11011010
3
11110010
4
01100110
5
10110110
6
10111110
7
11100000
8
11111110
9
11110110
4.2.3.2多位数码管的位码和段码
1.位码一般为com，多少位数码管就有多少个位码，一个位码对应唯一一个数码管的选择，也就是控制那一位数码管的亮和灭。
值得注意的是，共阳和共阴数码管的位码虽然一样，但是共阳数码管要选中需要置一，而共阴的则是要置零。
2.段码则是将每个数码管分成八段，以此来控制显示的数字，要注意的就是编程的时候先输出选择位码，再输出选择段码。
是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。
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。
4.2.3.3数码管使用条件：
（1）段及小数点上加限流电阻
（2）使用电压：
段：
根据发光颜色决定；小数点：
根据发光颜色决定
（3）使用电流：
静态：
总电流80mA（每段10mA）；动态：
平均电流4-5mA峰值电流100mA
图8
4.2.4运放lm358
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
4.2.4.1特性
内部频率补偿
直流电压增益高（约100dB）
单位增益频带宽（约1MHz）
电源电压范围宽：
单电源（3—30V）
双电源（±1.5一±15V）
低功耗电流，适合于电池供电
低输入偏流
低输入失调电压和失调电流
共模输入电压范围宽，包括接地
差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
4.2.5晶振
石英晶振就是用石英材料做成的石英晶体谐振器,俗称晶振。
起产生频率的作用,具
有稳定,抗干扰性能良好的，广泛应用于各种电子产品中石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。
其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准（JIS）中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。
石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。
石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网
图9
络方可产生振荡。
SPXO主要是由品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。
石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。
如图9只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。
当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
4.2.6排阻
排阻，就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。
所以如果一个排阻是由n个电阻构成的，那么它就有n+1只引脚，一般来说，最左边的那个是公共引脚。
它在排阻上一般用一个色点标出来。
本设计中用到的排阻是插装式排阻，体积小。
其作为上拉排阻，作用是给信号线提供一个驱动电压，使之传输更稳定，传输距离更远~用来抵消线路中内阻对信号的损耗。
1.3各元器件在电路图中的作用，工作过程
1.3.151单片机用以存放程序和数据，为74LS164提供脉冲信号并向其串行输出数据；
1.3.274LS164连接到51单片机的串行口输出端，使从51单片机输出的串行数据并行输出；
1.3.3排阻接在74LS164与数码显示管之间，使输出更稳定；
1.3.4由两个电容和一个晶振组成一个为51单片机提供时钟频率；
1.3.5由两个电阻和一个开关组成一个51单片机的复位电路。
4.3插装和焊接元器件注意事项
4.3.1元器件插装。
元器件插装时候遵循先插小矮元器件再插高大的元器件原则；插装时识别正确的元器件（如电阻阻值）；插装51单片机、74LS16和七段数码管时，注意分清引脚方向，引脚方向弄错功能就不能实现了。
4.3.2手工焊接。
4.3.2.1焊接原理：
锡焊是一门科学，他的原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流入被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点。
当焊料为锡铅合金焊接面为铜时，焊料先对焊接表面产生润湿，伴随着润湿现象的发生，焊料逐渐向金属铜扩散，在焊料与金属铜的接触面形成附着层，使两则牢固的结合起来。
所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理,化学过程来完成的。
1、润湿：
润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离。
引起润湿的环境条件：
被焊母材的表面必须是清洁的，不能有氧化物或污染物。
形象比喻：
把水滴到荷花叶上形成水珠，就是水不能润湿荷花。
把水滴到棉花上，水就渗透到棉花里面去了，就是水能润湿棉花。
2、扩散：
伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子间的相互扩散现象开始发生。
通常原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高。
原子活动加剧，使熔化的焊料与母材中的原子相互越过接触面进入对方的晶格点阵，原子的移动速度与数量决定于加热的温度与时间。
3、冶金结合：
由于焊料与母材相互扩散，在两种金属之间形成了一个中间层---金属化合物，要获得良好的焊点，被焊母材与焊料之间必须形成金属化合物，从而使母材达到牢固的冶金结合状态。
4.3.2.2助焊剂的作用
助焊剂（FLUX）這個字来自拉丁文是"流动"（Flow in Soldering）。
助焊剂主要功能为：
1、化学活性（Chemical Activity）
要达到一个好的焊点，被焊物必须要有一个完全无氧化层的表面，但金属一旦曝露于空气中回生成氧化层，这中氧化层无法用传统溶剂清洗，此时必须依赖助焊剂与氧化层起化学作用，当助焊剂清除氧化层之后，干净的被焊物表面，才可与焊锡结合。
助焊剂与氧化物的化学放映有几种：
（1）相互化学作用形成第三种物质；
（2）氧化物直接被助焊剂剥离；
（3）上述两种反应并存。
松香助焊剂去除氧化层，即是第一种反应，松香主要成份为松香酸（Abietic Acid）和异构双萜酸（Isomeric diterpene acids），当助焊剂加热后与氧化铜反应，形成铜松香（Copper abiet），是呈绿色透明状物质，易溶入未反应的松香内与松香一起被清除，即使有残留，也不会腐蚀金属表面。
氧化物曝露在氢气中的反应，即是典型的第二种反应，在高温下氢与氧发生反应成水，减少氧化物，这种方式常用在半导体零件的焊接上。
几乎所有的有机酸或无机酸都有能力去除氧化物，但大部分都不能用来焊锡，助焊剂被使用除了去除氧化物的功能外，还有其他功能，这些功能是焊锡作业时，必不可不考虑的。
2、热稳定性（Thermal Stability）
当助焊剂在去除氧化物反应的同时，必须还要形成一个保护膜，防止被焊物表面再度氧化，直到接触焊锡为止。
所以助焊剂必须能承受高温，在焊锡作业的温度下不会分解或蒸发，如果分解则会形成溶剂不溶物，难以用溶剂清洗，W/W级的纯松香在280℃左右会分解，此应特别注意。
3、助焊剂在不同温度下的活性
好的助焊剂不只是要求热稳定性，在不同温度下的活性亦应考虑。
助焊剂的功能即是去除氧化物，通常在某一温度下效果较佳，例如RA的助焊剂，除非温度达到某一程度，氯离子不会解析出来清理氧化物，当然此温度必须在焊锡作业的温度范围内。
当温度过高时，亦可能降低其活性，如松香在超过600℉（315℃）时，几乎无任何反应，也可以利用此一特性，将助焊剂活性纯化以防止腐蚀现象，但在应用上要特别注意受热时间与温度，以确保活性纯化。
4.3.2.3焊锡丝的组成与结构
我们使用的有铅SnPb（Sn63%Pb37%）的焊锡丝和无铅SAC（96.5%SN 3.0%AG0.5%CU）的焊锡丝里面是空心的，这个设计是为了存储助焊剂（松香），使在加焊锡的同时能均匀的加上助焊剂。
当然就有铅锡丝来说，根据SNPB的成分比率不同有更多中成份，其主要用途也不同。
4.3.2.4电烙铁的基本结构
烙铁：
（1）手柄、
（2）发热丝、（3）烙铁头、（4）电源线、（5）恒温控制器、（6）烙铁头清洗架电烙铁的作用：
用来焊接电子原件、五金线材及其它一些金属物体的工具。
4.3.2.5手工焊接过程
1、操作前检查
（1）每天上班前3-5分钟把电烙铁插头插入规定的插座上，检查烙铁是否发热，如发觉不热，先检查插座是否插好，如插好，若还不发热，应立即向管理员汇报，不能自随意拆开烙铁，更不能用手直接接触烙铁头。
（2）已经氧化凹凸不平的或带钩的烙铁头应更新的：
1、可以保证良好的热传导效果；2、保证被焊接物的品质。
如果换上新的烙铁嘴，受热后应将保养漆擦掉，立即加上锡保养。
烙铁的清洗要在焊锡作业前实施，如果5分钟以上不使用烙铁，需关闭电源。
海绵要清洗干净不干净的海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。
（3）检查吸锡海绵是否有水和清洁，若没水，请加入适量的水（适量是指把海绵按到常态的一半厚时有水渗出，具体操作为：
湿度要求海绵全部湿润后，握在手掌心，五指自然合拢即可），海绵要清洗干净，不干净的海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。
2、焊接步骤
烙铁焊接的具体操作步骤可分为五步，称为五步工程法，要获得良好的焊接质量必须严格的按下图五操作。
按上述步骤进行焊接是获得良好焊点的关键之一。
在实际生产中，最容易出现的一种违反操作步骤的做法就是烙铁头不是先与被焊件接触，而是先与焊锡丝接触，熔化的焊锡滴落在尚未预热的被焊部位，这样很容易产生焊点虚焊，所以烙铁头必须与被焊件接触，对被焊件进行预热是防止产生虚焊的重要手段。
3、焊接注意事项：
A、焊接前应观察各个焊点（铜皮）是否光洁、氧化等。
B、在焊接物品时,要看准焊接点，以免线路焊接不良引起的短路。
C、挑选正确的元器件。
保证所用元器件完好无损，并且参数正确减少返修。
D、焊接过程中不要损伤元器件，注意把握焊接时间。
特别是在焊接晶振时，不能加热太久，否则会损坏晶振。
4、操作后检查：
（1）用完烙铁后应将烙铁头的余锡在海绵上擦净。
（2）用后必须将烙铁座上的锡渣、灰尘等物清除干净，然后把烙铁放在烙铁架上。
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