基于单片机的多功能数字测量仪毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的多功能数字测量仪毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

器发声报警。 单片机最小系统主 要完成单片机和其他外围电路的连接，通过程序的运行完成单片机对所测的电流、电压、电阻、温度等进行处理和显示；增益放大电路主要是采集并放大被测信号； A/D 转换电路将采样放大电路送来的模拟信号转换成数字信号输入单片机，由显示电路对被测信号进行数 字显示；按键输入电路进行物理量、量程、交直流的选择以及计时，当被测信号超过所选量程时进行报警。 因此，可将整个设计过程分为硬件和软件来完成，按照需求设计多功能数字测量仪表：先按照硬件需求，研究硬件实现的框架结构 和模块划分，再对软件设计进行分块设计。 下图是多功能数字测量仪表的系统总体设计图 21： 图 21 多功能数字测量仪系统总体设计图 增益放大 被 测信号电压、电流、电阻 通道选择与整形 超限报警 液晶显示 AD 转换器 温度测量信号 微控制器最小系统 按键输入 长春理工大学本科毕业设计 6 芯片的选择及介绍 AT89S52 芯片的介绍 （ 1） AT89S52 引脚框图： 图 22 AT89S52 芯片引脚图 （ 2） AT89S52 主要性能： 1）与 MCS51 单片机产品兼容 2） 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 3） 1000 次擦写周期 4）全静态操作： 0Hz～ 33Hz 5）三级加密程序存储器 6） 32 个可编程 I/O 口线 7）三个 16 位定时器 /计数器 8）多个中断源 9）全双工 UART 串行通道 10）低功耗空闲和掉电模式 11）掉电后中断可唤醒 12）看门狗定时器 13）双数据指针 14）掉电标识符 长春理工大学本科毕业设计 7 （ 3）功能特性描述： AT89S52 是一 种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器 ，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 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，当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时， 该引脚 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。 长春理工大学本科毕业设计 8 ADC0809 芯片的介绍 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。 它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 （ 1） ADC0809 的内部逻辑结构 图 23 ADC0809 的内部逻辑结构 上图可知， ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。 三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 （ 2）引脚结构 图 24 ADC0809 引脚结构图 IN0－ IN7： 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求： 信号单极性，电压范围是 0－ 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 长春理工大学本科毕业设计 9 地址输入和控制线： 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存， 经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0－ IN7上的一路模拟量输入。 数字量输出及控制线： 11 条 ST 为转换启动信号。 当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST 应保持低电平。 EOC 为转换结束信号。 当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。 OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE＝ 1，输出转换得到的数据； OE＝ 0，输出数据线呈高阻状态。 D7－ D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。 因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ， V（＋）， VREF（－）为参考电压输入。 ADC0809 应用说明： 1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51 单片机直接相连。 2） 初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平。 3） 送要转换的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。 4） 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 5） 是否转换完毕，我们根据 EOC 信号 来判断。 6） 当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 DS18B20 芯片的介绍 （ 1） DS18B20 测温原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。 DS18B20测温原理如图 35 所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的 脉冲输入。 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55℃所对应的一个基数值。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。 长春理工大学本科毕业设计 10 图 25 DS18B20 的测温原理图 （ 2） DS18B20 的引脚结构 图 26 DS18B20 的引脚结构图 （ 3） DS18B20 的技术性能描述 1）采用单总线技术，与单片机通信只需要一根 I/O 线，在一根线上可以挂接多个 DS18B20。 2）每只 DS18B20 具有一个独有的，不可修改的 64 位序列号，根据序列号访问相应的器件。 3）低压供电，电源范围从 ～ ，可以本地供电，也可以直接从数据线窃取电源（寄生电源方式 ）。 4）测温范围为 55℃～ +125℃，在 10℃～ +85℃范围内误差为177。 ℃。 5）可编辑数据为 9～ 12 位，转换 12 位温度时间为 750ms（最大）。 斜率累加器 预置 比较 计数器 1 低温度系数晶振 预置 =0 温度寄存器 高温度系数晶振 计数器 2 =0 加 1 停止 LSB 置位 /清除 长春理工大学本科毕业设计 11 6）用户可自设定报警上下限温度。 7）报警搜索命令可识别和寻址超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 8） DS18B20 的分辨率由用户通过 EEPROM 设置为 9～ 12 位。 9） DS18B20 可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。 10）负电压特性，电源极性接 反时，温度计不会因为发热而烧毁，只是不能正常工作。 LCD1602 液晶显示器介绍 （ 1） LCD1602 液晶显示器的基本特征 LCD1602 是工业字符型液晶，能够同时显示 16 02 共 32 个字符。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，目前市面上的 1602 液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，其控制原理是完全相同，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于大部分1602 字符型液晶。 （ 2） LCD1602 液 晶显示器的引脚功能 LCD1602 液晶显示器的引脚功能如表 21 所示，引脚结构图 27。 表 21 1602 液晶显示器的引脚功能 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 VSS 电源地 9 D2 数据 I/O 口 2 VCC 电源正极 10 D3 数据 I/O 口 3 VO 液晶显示偏压信号 11 D4 数据 I/O 口 4 RS 数据 /命令选择端（ H/L） 12 D5 数据 I/O 口 5 R/W 读 /写选择（ H/L） 13 D6 数据 I/O 口 6 E 使能信号 14 D7 数据 I/O 口 7 D0 数据 I/O 口 15 BLA 液晶背光源正极 8 D1 数据 I/O 口 16 BLK 液晶背光源负极 图 27 LCD1602 引脚结构图 长春理工大学本科毕业设计 12 第 3 章 多功能数字测量仪硬件设计 本章将对多功能数字测量仪的硬件进行研究，通过对电路的工作过程进行简单的描述，根据功能对其进行模块的划分，进行硬件的设计，完成整体电路原理图的绘制，整体原理图见附录 1。 电路工作过程描述 根据本次设计要求实现的功能，将相应的控制 程序写入单片机是使电路各部分能协调工作，完成既定任务的前提。 通过按按键选取要测量的信号（电压、温度、电流、电阻和时间），然后通过选取合适的量程进行测量，以获得更准确的测量数据。 单片机通过控制 ADC0809 芯片，完成 A/D 转换，通过 P0 口将转换得到的数字信号送入单片机。 单片机根据按键，确定所选档位和量程对数据进行处理后，送至 LCD1602 液晶处进行输出。 若发生待测信号超出量程的情况，蜂鸣器会立即报警，提示使用者切换更高的量程进行测量。 系统各部分实现方法 电源电路 为了满足在绝 大多数情况下都能正常。