某單片機(jī)數(shù)字電壓表系統(tǒng)的硬件分析設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20709某單片機(jī)數(shù)字電壓表系統(tǒng)的硬件分析設(shè)計(jì)案例 194771.1單片機(jī)主控模塊的設(shè)計(jì) 1131301.1.1AT89S52單片機(jī)介紹 1268761.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng) 2258771.2信號處理電路設(shè)計(jì) 374681.2.1過壓保護(hù)電路 392091.2.2比較器和繼電器 396751.2.3工作過程 4131431.3數(shù)據(jù)采樣模塊設(shè)計(jì) 442521.1.1ADC0809轉(zhuǎn)換芯片的介紹 4272071.1.2A/D轉(zhuǎn)換電路 5161951.4顯示電路設(shè)計(jì) 6140811.5電源電路設(shè)計(jì) 61.1單片機(jī)主控模塊的設(shè)計(jì)1.1.1AT89S52單片機(jī)介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52單片機(jī)實(shí)物圖和引腳圖如圖3-1所示。圖3-1AT89S52單片機(jī)實(shí)物圖與引腳圖1.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)，即一個可工作的單片機(jī)系統(tǒng)用的是最少的元件，它也可以叫做最小應(yīng)用系統(tǒng)。定義中的51單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖3-2所示。時鐘脈沖電路：這種新的時鐘脈沖控制電路一般能夠給整個單片機(jī)系統(tǒng)帶來一定的時鐘脈沖。圖3-2中可以看出18和19引腳連接時鐘電路的兩端。我們使用兩個33pF電容器，幫助晶體振蕩器電路輸出穩(wěn)定的脈沖，達(dá)到極佳的濾波效果。復(fù)位電路：復(fù)位電路類似于手機(jī)的強(qiáng)制重啟功能，如果一臺在使用中遇到屏幕失靈或者黑屏死機(jī)，長按開機(jī)鍵數(shù)秒便會執(zhí)行手機(jī)重啟操作，手機(jī)程序從頭進(jìn)行。在圖3-2中可以看到，單片機(jī)的第9號引腳接著整個復(fù)位電路，主要是由一個10uF的電容和10KΩ的電阻并聯(lián)構(gòu)成。其主要原理是當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)開始通電，在系統(tǒng)啟動時會進(jìn)行一次復(fù)位，即上電復(fù)位。同時程序也會從頭進(jìn)行。圖32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖1.2信號處理電路設(shè)計(jì)信號處理電路主要有過壓保護(hù)電路、比較器和繼電器組成。信號處理電路圖如圖3-3所示。1.2.1過壓保護(hù)電路過壓保護(hù)也叫過電壓保護(hù)，是當(dāng)電壓超過預(yù)定的最大值時，使電源斷開或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護(hù)方式。本次電壓表中的過壓保護(hù)電路采用穩(wěn)壓二極管來制成的穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件，因?yàn)檫@類二極管是利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象而制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。1.2.2比較器和繼電器1、比較器比較器的主要工作原理就是兩個輸入端之間的電壓如果經(jīng)過零時就會導(dǎo)致輸出的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，由于輸入端有時候也可能會出現(xiàn)一個很小的輸入電壓，而這些輸入電壓也可能會直接引起比較器的輸出發(fā)生變化，為了避免這種情況，新型的比較器通常需要具有幾毫伏的滯回電壓。例如，當(dāng)“+”輸入端的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“-”輸入端時，該比較器就會輸出一個高電平，反之輸出低電平。2、繼電器繼電器是一種具有隔離和保護(hù)功能的一種自動開關(guān)元件，當(dāng)輸入和回路中電壓變化大于規(guī)定值時，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出和回路中電壓變化進(jìn)行自動控制。它的工作原理主要是利用負(fù)載回路所產(chǎn)生的電磁吸力，通過一種機(jī)械方式來傳遞，帶動整個回路之間的閉合，從而促進(jìn)負(fù)載回路的工作。1.2.3工作過程在圖3-3中是用比較器和繼電器當(dāng)作模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)了輸入量程的自動轉(zhuǎn)換。首先對輸入電壓進(jìn)行一個分壓，而這個分壓是通過1MΩ的電阻和100KΩ的電阻串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的，然后進(jìn)入比較器“+”的輸入端，而流入“-”的輸入端的是+5V的固定電壓通過1MΩ的電阻和100KΩ的電阻串聯(lián)而形成的電壓，當(dāng)一個比較器的“+”輸入超過“-”的輸入端時，比較器會輸出一定的高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器與下面的引腳進(jìn)行契合，然后將其構(gòu)成回路，把V_H的電壓傳送到采集芯片，也就是說實(shí)現(xiàn)了一個大量程的轉(zhuǎn)換；反之，當(dāng)比較器輸出一個低電平，三極管就不會導(dǎo)通，繼電器與上面的引腳契合，這樣繼電器就會接收到輸入電壓通過220KΩ和1MΩ的電阻串聯(lián)分壓所產(chǎn)生的V_L電壓，然后送入采集芯片，這樣就選擇了0-5V的量程。圖33信號處理電路圖1.3數(shù)據(jù)采樣模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊主要由ADC0809芯片組成。1.1.1ADC0809轉(zhuǎn)換芯片的介紹ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其中每路A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的運(yùn)行時間大約為100μs，模擬信號在電源下輸入的各個輸出電壓變化轉(zhuǎn)換范圍大約從0V變換到5V，由8路三態(tài)模擬輸入開關(guān)、地址編碼鎖存與信號譯碼器、8位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和3態(tài)模擬輸出信號鎖定保存信號緩沖器組成部件。其中的一個任務(wù)主要目的是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計(jì)算機(jī)對此數(shù)字信號模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示等。ADC0809的引腳圖如圖3-4所示。圖3-4ADC0809引腳圖1.1.2A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路外接電路如圖3-5所示。首先地址線A、B、C接地，這樣會選通IN0這一路模擬輸入端，因?yàn)镮N0會接收到來自信號處理電路的電壓信號，接著ALE接單片機(jī)P2.4引腳，會產(chǎn)生一個正脈沖以鎖存信號；然后當(dāng)START為上升沿時將進(jìn)行逐次逼近寄存器復(fù)位，而下降沿會啟動A/D轉(zhuǎn)換；之后EOC輸出信號會變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成的時候，EOC變?yōu)楦唠娖?，結(jié)果數(shù)據(jù)會存入鎖存器；最后當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，而D0~D7就是數(shù)字信號輸出端，會被接到單片機(jī)P0端，這樣會把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)及時傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。圖3-5A/D轉(zhuǎn)換電路圖1.4顯示電路設(shè)計(jì)OLED顯示屏主要是一種利用有機(jī)電子和自發(fā)光二極管而制作的顯示屏。它的主要發(fā)光原理是在每當(dāng)正極有一個足夠的發(fā)光電力可以進(jìn)行發(fā)光供給時，正極的空穴和兩個陰極的發(fā)光電荷將通過在兩個發(fā)光原色層中相互作用結(jié)合而直接產(chǎn)生光，紅、綠、藍(lán)RGB三種發(fā)光原色將根據(jù)它們不同的發(fā)光公式順序進(jìn)行組合產(chǎn)生，構(gòu)成一個基本的發(fā)光顏色。除此之外，OLED顯示屏還可以完成一些特定的顯示功能。OLED顯示電路圖如圖3-6所示。顯示屏的3~7號引腳分別接單片機(jī)P1.0~P1.4引腳，單片機(jī)會控制顯示屏進(jìn)行顯示被測量的電壓數(shù)值、所選的量程，并且alarm部分會顯示NO，另外當(dāng)超過量程時OLED顯示屏中的alarm部分顯示YES，這就起到超量程報警的功能。圖3-6OLED顯示電路圖1.5電源電路設(shè)計(jì)用來為各模塊提供工作電壓的單片機(jī)電路我們統(tǒng)稱為工作電源模塊，在本文的設(shè)計(jì)中我們所使用的AT89S52單片機(jī)需要5V的工作電壓進(jìn)行供電，連接在單片