课程设计电阻测量带程序版.docx
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课程设计电阻测量带程序版
摘要
本设计电阻测量是利用A/D转换原理,将被测模拟量转换成数字量,并用数字方式显示测量结果的电子测量仪表。
通常测量电阻都采用大规模的A/D转换集成电路,测量精度高,读数方便,在体积、重量、耗电、稳定性及可靠性等方面性能指标均明显优于指针式万用表。
其中,A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量,逻辑控制电路产生控制信号,按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开,保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果通过计数译码电路变换成BCD码,最后驱动显示器显示相应的数值。
本系统以单片机AT89C52为系统的控制核心,结合A/D转换芯片ADC0809设计一个电阻测量表,能够测量一定数值之间的电阻值,通过四位数码显示。
具有读数据准确,测量方便的特点。
关键词:
单片机(AT89C52);电压;A/D转换;ADC0809
设计要求
电阻测量(需要简单的外围检测电路,将电阻转换为电压)
测量100,1k,4.7k,10k,20k的电阻阻值,由数码管显示。
测试:
误差10%。
1、方案论证与对比
1.1方案一
利用单稳或电容充放电规律等,可以把被测电阻量的大小转换成脉冲的宽窄,即脉冲的宽度Tx与Rx成正比。
只要把此脉冲和频率固定不变的方波(以下称为时钟脉冲)相与,便可以得到计数脉冲,将它送给数字显示器。
如果时钟脉冲的频率等参数合适,便可实现测量电阻。
计数控制电路输出的脉冲宽度Tx应与Rx成正比,其电路原理图及具体555单稳态触发器的构成及仿真如图1所示。
用555构成的单稳态电路在正常工作条件下输出脉冲的宽度Tx与Rx的函数关系是:
所产生的时间误差可能达到百分之十五,再加上其他原因产生的误差,测量是的时间延迟太大。
图1方案一原理图
1.2方案二
用ADC0809电阻测量,以一个1K的电阻作为基准电阻。
和被测电阻进行分压,分压比例得出电阻比例。
=
用ACD0809测量电阻时间误差为%10以下,分辨率高,输出能与TTL电平兼容。
其原理图如图2所示。
图2方案二原理图
1.3方案对比与比较
由于课程设计的要求是电阻测量需要简单的外围检测电路,将电阻转换为电压,测量100,1k,4.7k,10k,20k的电阻阻值,由数码管显示。
测试:
误差10%。
通过比较以上两个方案,可知方案二相对来说比较适合。
所以选用方案二作为实验方案。
2、系统硬件电路的设计
2.1振荡电路模块
振荡电路通过这两个引脚外并接石英晶体振荡器和两只电容(电容和一般取33pF),这样就构成一个稳定的自激振荡器。
为单片机提供时钟信号。
如图3所示。
图3.振荡电路
2.2A/D转换电路模块
ADC0809是采用逐次逼近式原理的A/D转换器。
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上,9电路图如图4所示。
图4A/D转换电路原理图
2.2.1主要性能
1分辨率为8位二进制数。
2模拟输入电压范围0V—5V,对应A/D转换值为00H—FFH。
3每路A/D转换完成时间为100µs。
4允许输入4路模拟电压,通过具有锁存功能的4路模拟开关,可以分时进行4路A/D转换。
5工作频率为500kHz,输出与TTL电平兼容。
2.2.2ADC0809芯片的组成原理
具体设计要求如图5所示,它是由地址锁存器、4路模拟开关、8位逐次A/D转换器和三态锁存输出缓冲器构成。
由3位地址输入线ADDRA、ADDRB、ADDRC决定4路模拟输入中的1路进8位A/D转换器,A/D转换值进入三态锁存输出缓冲器暂存,在CPU发来输出允许控制信号OE后,三态门打开,经DB7—DB0进入CPU总线,完成一次A/D转换全过程。
图5 A/D转换电路原路图
2.2.3ADC0809引脚功能
ADC0809采用28引脚的封装,双列直插式。
A/D转换由集成电路ADC0809完成。
ADC0809具有8路模拟输入端口,地址线(23—25脚—即C,B,A,)可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。
22脚为地址锁存控制(ALE),当输入为高电平时,对地址信号进行锁存。
6脚为测试控制(START),当输入一个2us宽高电平脉冲时,就开始A/D转换。
7脚为A/D转换结束标志(EOC),当A/D转换结束时,7脚输出高电平。
9脚为A/D转换数据输出允许控制(OE),当OE脚为高电平时,A/D转换数据从该端口输出。
10脚为ADC0809的时钟输入端(CLOCK),利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。
单片机的P1、P3.0—P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。
P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮,P3.6端口用作单路显示时选择通道。
P0端口作A/D转换数据读入用,P2端口用作ADC0809的A/D转换控制。
2.3主控芯片AT89C52模块
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS—51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口。
3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
如图6所示为AT89C52管脚图。
图6AT89C52管脚图
2.3.1主要功能特性
·与MCS—51产品指令和引脚完全兼容
·8k字节可重擦写Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作:
0Hz—24MHz
·三级加密程序存储器
·32个可编程I/O口线
·低功耗空闲和掉电模式
·3个16位定时/计数器
·可编程串行UART通道
2.3.2主要引脚功能
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P1口和P2口的第二功能如下表1所示。
表1P0和P1口的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数2捕获/重载触发和方向控制)
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89C52特殊功能(第二功能)使用,在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
具体功能如表2所示:
表2P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
外中断0
P3.3
外中断1
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器1)
P3.6
外部数据存储器写选通
P3.7
外部数据存储器读选通
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
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flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.4显示控制电路的设计及原理
显示子程序采用动态扫描法实现4位数码管的数值显示。
测量所得的A/D转换数据放70H—77H内存单元中,测量数据在显示时须经过转换成为十进制BCD码放在78H—7BH单元中,其中7B存放通道标志数。
寄存器R3用作8路循环控制,R0用作显示数据地址指针。
本系统显示部分采用4位数码管动态扫描显示。
动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起,而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时,所有显示器接收到相同的字形码,但究竟是那个显示器亮,则取决于COM端,而这一端是由I/O控制的,所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法,轮流控制各个显示器的COM端,使各个数码管轮流点亮。
本系统采用4位共阴极数码管,COM端接接P20—P23端,8个笔划段a-h分别按顺序接P07—P00,轮流给P20—P23口低电平,使各个数码管轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms),但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位显示器并非同时点亮,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。
显示控制电路由图7的8255芯片和图8的数码管显示电路两部分组成
图78255芯片
图8数码管显示电路
3、程序设计
3.1初始化程序
voidInit()
{
ST=0;
OE=0;
a8255_CON=0x81;
PB=0xff;
PA=0xff;
}
3.2主程序
voidmain()
{
ucharI=0,J=0;
uintRRR=0;
Init();
while
(1)
{
Get_Resistance();
If(RRR==0)RRR=R_T;//计算平均值
else
if(J==30){R=RRR;RRR=0;J=0;}//J为30个平均值《可改》
elseJ++;
Display();
}
}
3.3显示子程序
voidDisplay()
{
ucharA;
uintB=10000;
for(A=0x02;A<=0X40;A<<=1)
{
if(R/B)
{if(A!
=0X02)Delay(150);
PB=0XFF;
PA=0XFF;
PB=LED_CODE[(R%(B*10))/(B)];
PA=~A;
}B/=10;
}
}
3.4A/D转换测量子程序
ucharAd_Cover()
{
ucharAD_DATA;
ST=0;
ST=1;//启动AD转换
ST=0;
while(EOC==0)CLK=~CLK;
OE=1;
AD_DATA=P0;
OE=0;
returnAD_DATA;
}
4、系统调试与分析
4.1硬件调试
硬件调试时可以检查印制板和外围电路是否有断路或短路问题,在检查无误的情况下,通过外围电路接入一个被测电阻,检查数码管显示是否正常,若不正常,用万用表检查出电路的问题所在,并纠正电路的焊接问题。
为了测量的精准度,用万用表选择
的基准电阻,尽量使基准电阻接近
减少测量的误差。
4.2软件调试
将用keil编译产生的HEX文件下载到单片机开发板中,通过外围电路接入一个已知的被测电阻,看数码管上的显示数值是否接近已知的电阻值,若不对,则反复调试程序,直到正确为止。
4.3性能分析
1.误差W=
100%,如表3所示。
2.误差分析
AD的分辨率只有八位,分辨率小,所以测量小电阻的时候误差小,随着测量电阻的变大误差变大。
表3误差分析
电阻理想阻值R(K)
万用表测量值R0(K)
模拟测量值R1(K)
误差w
1
0.99
0.995
0.5%
4.7
4.61
4.565
0.98%
0.47
0.461
0.462
0.22%
5、元件清单
元件名称
类型或量程
数量
芯片
AT89C52
1片
芯片
8255
1片
芯片
ADC0809
1片
杜邦线
2根
万用表
1个
电阻
1K、4.7K、0.47K
各一个
电源线
供电电源线
1根
数码管
HS310361K
2个
6、总结与思考及致谢
这次单片机课程设计意义非同一般,把我从单深入的理论编程到硬件软件综合实现一个使用的电路。
通过这学期的单片机的学习,知道了单片机在实际应用中占据很重要的作用,也了解单片机本身的功能,用编程控制;也了解了单片机的一些扩展功能。
通过这次设计,我更深入地了解到单片机的使用原理和功能。
为期两周的设计中,我看到很多同学都很努力,很认真,我也不敢懈怠。
虽说两周的时间有点仓促,但老师和同学们夜以继日在解决问题,我做电阻测量的设计中也遇到些许问题,但通过他人的指点,并查阅很多有价值的书籍,我从中认识了不少。
也增强了自己发现问题解决问题的能力。
还有在编程的时候要仔细,要实现一个完整的功能就要考虑全面,在测试程序的时候要善于发现错误,而且可能是一些小问题,比如说把立即数和地址混用,这是很常见的。
两周的设计完满结束了,经过自己的努力和同学的帮忙终于有了成果,特别离不开指导老师方智文的悉心教导,我受益匪浅,相信他的工作作风和知识筑成都是我们学习榜样,给我很大的启迪。
感谢这些老师不畏辛劳,热心精心的指导。
在这里向他们说声谢谢,你们辛苦了。
参考文献
[1]张鑫.《单片微机原理与应用》.[M]北京.电子工业出版社.2008
[2]楼然苗.李光飞.《单片机课程设计指导》.[M]北京.航空航天大学出版社.2007
[3]长洪润.刘秀英.《单片机应用设计200例(上、下)》.[M]北京.航空航天大学出版社.2006
[4]张毅刚.《新编MCS—51单片机应用设计(第3版)》.[M]哈尔滨工业大学出版社.2008
[5]马静.《单片机原理与应用》.[M]实践教学指导书中国计量出版社.2003
附一:
原理图
附二:
程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitST=P2^7;
sbitEOC=P3^4;
sbitOE=P2^3;
sbitCLK=P2^0;
xdataucharPA_at_0xD1FF,PB_at_0xD2FF,PC_at_0xD5FF,a8255_CON_at_0xD7FF;
uintR=0,R_T;
ucharcodeLED_CODE[]={0xA0,0xBB,0x62,0x2A,0x39,0x2C,0x24,
0xBA,0x20,0x28};
voidInit()
{
ST=0;
OE=0;
a8255_CON=0x81;
PB=0xff;
PA=0xff;
}
ucharAd_Cover()
{
ucharAD_DATA;
ST=0;
ST=1;
ST=0;
while(EOC==0)CLK=~CLK;
OE=1;
AD_DATA=P0;
OE=0;
returnAD_DATA;
}
voidGet_Resistance()
{floatc;
ucharTEMP;
TEMP=Ad_Cover();
c=(float)(256-TEMP);
c=1000.000*(c/(float)TEMP);
R_T=(unsignedint)c;
}
voidDelay(uintCNT)
{
while(CNT--);
}
voidDisplay()
{
ucharA;
uintB=10000;
for(A=0x02;A<=0X40;A<<=1)
{
if(R/B)
{if(A!
=0X02)Delay(150);
PB=0XFF;
PA=0XFF;
PB=LED_CODE[(R%(B*10))/(B)];
PA=~A;
}B/=10;
}
}
voidmain()
{
ucharI=0,J=0;
uintRRR=0;
Init();
while
(1)
{
Get_Resistance();
if(RRR==0)RRR=R_T;
else
if(J==30){R=RRR;RRR=0;J=0;}
elseJ++;
Display();
}
}