基于PCF8591数字电压表设计.docx

1、基于PCF8591数字电压表设计 课程设计报告题 目： 学生姓名： 学生学号： 系 别： 专 业： 指导教师： 电气信息工程学院制2013年6月第1章 课程设计的总体方案1.1 课程设计的目的1.了解A/D芯片PCF8591转换性能及其编程方法。2.掌握A/D转换器与单片机的接口方法3.学会使用A/D转换器进行电压信号采集1.2课程设计的要求1.利用A/D芯片PCF8591及1602液晶显示屏组成。2采用4路模拟量输入。3.尽量使用较少的元器件。 1.3课程设计的思路1.根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。2.A/D转换采用PCF8591实现，利用PCF8591将模拟电压转换

2、为数字量。3.经单片机将数字量转换成对应电压值，电压显示采用4位一体的LED数码管。1.4 课程设计的方案硬件电路设计由6个部分组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LCD显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。 图1 数字电压表系统硬件设计框图第2章 系统方案硬件设计2.1 系统方案的提出 根据4路模拟量输入设计的需要，为单片机和A/D转换器提供以下设计方案。2.1.1 单片机方案 AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k字节Flash可擦写存储器（PEROM）。AT89C51器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性

3、存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，AT89C51的片内Flash允许程序存储器通过传统编程器反复编程。由于芯片内集成了通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的微处理器ATMEL AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：4k Bytes Flash存储器、128 bytes的RAM以及32个I/O口、2个16位定时/计数器,5个中断优先级2层中断嵌套中断、1个全双工串行通信口、片内时钟振荡器。 AT89C51芯片，如图所示，各引脚功能如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：为一个8位漏

4、级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P1口：是个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。 图3-1 AT89C51设计 P2口：为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高。 P3口：管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输

5、入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

6、XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.2 A/D转换器方案 PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由IC总线的最大速率决定。1、主要技术指标和特性单独供电; PCF8591的操作电压范围2.5V-6V ;低待机电流 通过I2C总线串行输入/输出;PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址 PCF8591的采样率由I2C总线速率决定; 4个模拟输入可编程为单端型或差分输入频道选择自动增量;PCF8591的模拟电压范围从Vss到VDD; PCF8591内置跟

7、踪保持电路;8-bit逐次逼近A/D转换器；通过1路模拟输出实现DAC增益 PCF8591引脚图2.1.3 时钟电路 AT89S51的时钟电路如图所示，在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚接一个晶振及两个电容构成了时钟电路电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，在设计时取30uF。晶振为11.0592MHz，故选择12MHz即可。 图2-2 时钟电路 图2-3 复位电路2.1.4复位电路 AT89S51的复位电路如图所示。当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态，就可以通过按键手动使其复位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的

8、一种操作。电容C3和电阻R10实现上电自动复位。增加按键开关S1和电阻R9又可实现按键手动复位功能。R9的作用是在S1按下的时候，防止电容C3放电电流过大烧坏开关S1的触点。2.1.5 显示电路LED硬件设计 LED数码管由8个发光二极管组成，其中7个按“8”型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。 共阳极LED电路连接如图2-4所示,8支发光二极管的阳极共同接到电源上，所以叫共阳极LED，在每个发光二极管的阳极接的电阻将起到保护作用。在输入管脚接低电平时，对应的发光二极管将会发光。和共阴极LED一样，适当编码后，8支发光二极管组合起来就可以显示数据了。 2-4共阳极

9、接法原理图 动态显示来完成该显示电路的硬件设计。 图2-5显示电路设计2.1.6总体设计电路图：见Protel图第3章 系统软件设计3.1.1程序设计总方案 根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。图3-1 数字式直流电压表主程序框图3.1.2系统子程序设计 初始化程序所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等3.1.3 A/D转换子程序A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采

10、集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图3-2所示。图3-2 A/D转换流程图3.1.4 显示子程序显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms10。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11s定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。第四章电路原理图和PCB板的设计第5章 实习总结 经过两周的单片机课程

11、设计，我有了很多的体会和感想。通过本次对简易电压表的设计，我们对单片机这门课程有了更进一步的了解。无论是在其硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。本次课程设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往我们我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过本次实验及查阅相关资料，我们对其之间的区别有了一定的认识，在本课题设计报告的硬件介绍部分也对其作了详细的论述。S51在C51的基础上增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。另外，在对单片机编程方面，我们又掌握了一些新的编程思想，使得程序更为简练、易懂，而且更为严谨，程序执行的稳定性得到了提高。 设计中我们还用到了模/数转换芯片

12、PCF8591，以前在学单片机这门课程时只是对其理论知识有了初步的了解。通过本次实验，我们对它的工作原理彻底理解了，对其启动设置、转换结束判断以及输出控制等都基本掌握。电路连接方面，我们对其与单片机的连接也有了更为直观的认识，通过实验的摸索以及必要的理论知识，我们准确的实现了它于单片机的互连。设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，比如，自己对单片机编程时遇到了很多阻碍，想要放弃，然而，就在要放弃的那一刻，我明白了，原来结果并不那么重要，我们更应该注重的是这一整个过程。于是，我坚持了下来。我非常感激实习老师对我的的指导和帮助，没有老师的指导，我只能晕头转向的瞎忙。 通过这次设计，这也对我们今后的

13、工作敲响了警钟：要认真的看待每个需要处理的问题，不要认为事情过于简单，不能急于求成，但不要放弃。要保持头脑清醒。单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习。最后感谢老师对我的精心指导和帮助，感谢同学们对我的帮助。参考文献1. 魏立峰 王宝兴.单片机原理及应用技术.北京：北京大学出版社， 2006 .2. 张毅刚. MCS-51单片机应用与设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003 .3. 马忠梅 单片机的C语言应用程序设计.北京：北京航

14、空航天大学出版社2003 4.PCF8591使用说明书 程序: ORG 0000H LJMP START ORG 0003H RETI ORG 000BH RETI ORG 0013H RETI ORG 001BH RETI ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI* 初始化程序中的各变量 *CLEARMEMIO: CLR A MOV P2,A MOV R0,#70H MOV R2,#0DHLOOPMEM: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOPMEM MOV 20H,#00H MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A MOV P3,A R

15、ET* 主 程 序 *START: LCALL CLEARMEMIO ;初始化MAIN: LCALL TEST ;测量一次 LCALL DISPLAY ;显示数据一次 AJMP MAIN NOP ;PC值出错处理 NOP NOP LJMP START* 显 示 控 制 程 序 *DISPLAY: JB 00H,DISP11 ; MOV R3,#08H ;8路信号循环显示控制 MOV R0,#70H ;显示数据初址70H77H MOV 7BH,#00H ;显示通道路数初值DISLOOP1: LCALL TUNBCD ;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H MOV R2,#0FFH

16、;每路显示时间控制 4MS*255DISLOOP2: LCALL DISP ;调四位显示程序 LCALL KEYWORK1 ; DJNZ R2,DISLOOP2 ; INC R0 ;显示下一路 INC 7BH ;通道显示数加一 DJNZ R3,DISLOOP1 RETDISP11: MOV A,7BH ;单路显示控制子程序 SUBB A,#01H ; MOV 7BH,A ; ADD A,#70H ; MOV R0,A ;DISLOOP11: LCALL TUNBCD ;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H(最大5.00v) MOV R2,#0FFH ;每路显示时间控制 4MS*2

17、5DISLOOP22: LCALL DISP ;调四位显示程序 LCALL KEYWORK2 ;按键检测 DJNZ R2,DISLOOP22 INC 7BH ;通道显示数加一 RET* 显示数据转为三位BCD码程序 *显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H(最大值5.00v)；TUNBCD: MOV A,R0 ;255/51=5.00V运算 MOV B,#51 ; DIV AB ; MOV 7AH,A ;个位数放入7AH MOV A,B ;余数大于19H,F0为1,乘法溢出,结果加5 CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 ; MUL AB ;

18、MOV B,#51 ; DIV AB JB F0,LOOP2 ; ADD A,#5LOOP2: MOV 79H,A ;小数后第一位放入79H MOV A,B CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 ; MUL AB ; MOV B,#51 ; DIV AB JB F0,LOOP3 ; ADD A,#5LOOP3: MOV 78H,A ;小数后第二位放入78H RET* 显 示 子 程 序 *共阳显示子程序，显示内容在78H-7BH；DISP: MOV R1,#78H ;共阳显示子程序，显示内容在78H-7BH MOV R5,#0FEH ;数据在P1输出，列扫

19、描在P3.0-P3.3PLAY: MOV P1,#0FFH MOV A,R5 ANL P3,A MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P1,A JB P3.2,PLAY1 ;小数点处理 CLR P1.7 ;小数点显示（显示格式为XX.XX）PLAY1: LCALL DL1MS INC R1 MOV A,P3 JNB ACC.3,ENDOUT RL A MOV R5,A MOV P3,#0FFH AJMP PLAYENDOUT: MOV P3,#0FFH MOV P1,#0FFH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,9

20、2H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH ;断码表* 延时程序 *DL10MS: MOV R6,#0D0H ;10MS延时子程序DL1: MOV R7,#19HDL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RETDL1MS: MOV R4,#0FFH ;(513+513)ms=1MSLOOP11: DJNZ R4,LOOP11 MOV R4,#0FFHLOOP22: DJNZ R4,LOOP22 RET* 电压测量（A/D）子程序 *一次测量数据8个，依次放入70H-77H单元中；TEST: CLR A ;模数转换子程序 MOV P2,A MOV R0,#70H ;转换值存

21、放首址 MOV R7,#08H ;转换8次控制 LCALL TESTART ;启动测试WAIT: JB P3.7,MOVD ;等A/D转换结束信号 AJMP WAITTESTART: SETB P2.3 ;测试启动 NOP NOP CLR P2.3 SETB P2.4 NOP NOP CLR P2.4 NOP NOP NOP NOP RETMOVD: SETB P2.5 ;取A/D转换数据 MOV A,P0 MOV R0,A CLR P2.5 INC R0 MOV A,P2 ;通道地址加1 INC A MOV P2,A CJNE A,#08H,TESTEND ;等8路A/D转换结束TESTEN

22、D: JC TESTCON CLR A ;结束恢复端口 MOV P2,A MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A MOV P3,A RETTESTCON: LCALL TESTART LJMP WAIT* 按键检测子程序 *KEYWORK1: JNB P3.5,KEY1KEYOUT: RETKEY1: LCALL DISP ;延时消抖 JB P3.5,KEYOUTWAIT11: JNB P3.5,WAIT12 CPL 00H MOV R2,#01H MOV R3,#01H RETWAIT12: LCALL DISP ;键释放等待时显示用 AJMP WAIT11KEYWORK2: JNB P3.5,KEY1 JNB P3.6,KEY2 RETKEY2: LCALL DISP ;延时消抖用 JB P3.6,KEYOUTWAIT22: JNB P3.6,WAIT21 INC 7BH MOV A,7BH CJNE A,#08H,KEYOUT11KEYOUT11: JC KEYOUT1 MOV 7BH,#00HKEYOUT1: RETWAIT21: LCALL DISP ;键释放等待时显示用 AJMP WAIT22END