《單片機系統(tǒng)設(shè)計》實驗報告

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1、短學(xué)期實驗報告 （單片機系統(tǒng)設(shè)計） 題 目 ： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師 ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 完成時間 ： 成 績 ： 基于單片機的交流電壓表設(shè)計 目錄 1 系統(tǒng)的設(shè)計要求 ???????????????????? ? 2 2 系統(tǒng)的硬件要求 ???????????????????? ? 2 2.1 真有效值轉(zhuǎn)換電路的分析 ??????????????? ? 2 2.2 放大電路的設(shè)計 ??????????????????? ?3 2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 ????????????????? ? 3 2.4 單片機電路的分析??????????????

2、? ???? ?4 2.5 顯示電路??????????????????? ???? ?4 3 軟件設(shè)計 ?????????????????????????? 5 3.1 軟件的總流程圖 ?????????????????? ?? ?5 3.2 初始化定義與定時器初始化流程 圖????????????? 5 3.3 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖 ????????????????????? 6 3.4 數(shù)據(jù)處理流程圖 ????????????????????? 6 3.5 數(shù)據(jù)顯示流程圖 ????????????????????? 7 4 調(diào)試 ????????????????????????

3、??? 7 4.1 調(diào)試準(zhǔn)備 ???????????????????????? 7 4.2 關(guān)鍵點調(diào)試 ??????????????????????? 7 4.3 測試結(jié)果 ???????????????????????? 8 4.4 誤差分析 ???????????????????????? 8 5 結(jié)束語 ??????????????????????????? 8 5.1 總結(jié) ?????????????????????????? 9 5.2 展望 ?????????????????????????? 9 附錄 1 總原理圖 ??????????????????????? 10

4、附錄 2 程序 ????????????????????????? 10 附錄 3 實物圖 ???????????????????????? 14 基于單片機的交流電壓表設(shè)計 學(xué)院 專業(yè) 姓名 指導(dǎo)老師： 1 設(shè)計要求 1）運用單片機實現(xiàn)真有效值的檢測和顯示。 2）數(shù)據(jù)采集使用中斷方式，顯示內(nèi)容為有效值與峰值交替進行。 2 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)是完成一個真有效值的測量和顯示，利用 AD737 將交流電轉(zhuǎn)換成交流電壓 的有效值，用 ADC0804實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過單片機用數(shù)碼管來顯示。系統(tǒng)原理框圖 如圖 2-1所示。系統(tǒng)框圖由真有效值轉(zhuǎn)換電路、 放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、

5、單片機電路、 數(shù)碼管顯示電路五部分。 交流 轉(zhuǎn)換 放大 A/D 單片機 顯示 信號 電路 電路 轉(zhuǎn)換 電路 電路 圖 2-1 原理框圖 2.1 真有效值轉(zhuǎn)換電路 真有效值轉(zhuǎn)換電路主要是利用 AD737芯片來實現(xiàn)真有效值直流變換的， 即將輸入 的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號的有效值，其原理圖 如圖 2-2 所示。 圖 2-2 真有效值轉(zhuǎn)換電路 由于 AD737最大輸入電壓為 200mV, 所以需要接兩個二極管來限制輸入電壓， 起到限 幅的作用。如圖中 D1、D2，由IN4148構(gòu)成，電容 C6是耦合電容，電阻 R1是限流電阻。 2.2

6、放大電路設(shè)計 放大電路主要是利用運放 uA741來進行放大，電路原理圖如圖 2-3 所示 圖 2-3 放大電路原理圖 由于 AD737 可接受的信號有效值為 0～200mV 。而 ADC0804 、單片機的電源電 壓都需要 0~5V ，因此需要一個放大電路， 將 AD737 輸出的 200mV 的電壓提升至 5V， 所以放大電路的放大倍數(shù)最低需要 25 倍。該放大電路采用集成芯片 uA741 ，連接成 一個同相比例運放，輸入電阻采用 3.3K ，反饋電阻用 100K 的滑動變阻器，當(dāng)滑動變 阻器處于最大值時，放大倍數(shù)處于最大，為 AVf=(1+R3/R2 ) ≈31.3 。放大倍數(shù)

7、可以根 據(jù)滑動變阻器的滑動而改變。 2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路采用 ADC0804實現(xiàn)，其原理圖如圖 2-4 所示 圖 2-4 A/D 轉(zhuǎn)換電路原理圖 此電路考慮到做單片機系統(tǒng)時，需數(shù)據(jù)采集，而數(shù)據(jù)采集能通過 I/O 口擴展接口 電路得到，但 51單片機大多不帶 A/D轉(zhuǎn)換器，所以模擬量的采集必須靠 A/D 實現(xiàn)。所 謂 A/D轉(zhuǎn)換就是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。 改該電路采用 ADC0804

8、 芯片， 其最快轉(zhuǎn)換時間為 100us，時鐘頻率 f=1/(C5*R9) ，可對 0~5V 之間的電壓進行轉(zhuǎn)換； 輸入基準(zhǔn)電壓為實際基準(zhǔn)電壓的 1/2；若輸入基準(zhǔn)電壓為 2.56V ，其輸入模擬電壓為 (DATA/256)*2 ，DATA 為轉(zhuǎn)換數(shù)字量。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出到單片機外中斷 1，如圖 2-4所示。 /RD為外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號。 /RD為 HI 時， DB0~DB7為高阻抗； /RD為LO時，數(shù)據(jù)才輸出。 /WR用來啟動轉(zhuǎn)換控制輸入，相當(dāng)于 ADC轉(zhuǎn)換開始( /CS=0 時)，當(dāng)/WR由 HI 變?yōu)?LO時，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng) /WR為 HI 時開始轉(zhuǎn)換。 CLKI N,C

9、LK R: 接振蕩電路，振蕩頻率為 1/(1.1RC) ，如圖中 R9、C6，ADC0804的最大輸入電壓為 5V， 輸出轉(zhuǎn)換值為 0~255，R5、R11 組成分壓電路，為 VREF提供基準(zhǔn)電壓。根據(jù) ADC0804原 理圖，將輸入模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值后由 P0口輸出。 2.4 單片機電路 單片機電路主要是單片機的最小系統(tǒng)，其原理圖如圖 2-5 所示 圖 2-5 單片機電路原理圖 該部分電路主要由 89S51、晶振和復(fù)位電路組成其原理圖如 2-6所示。采用 12M的晶 振，機器周期為 0.1

10、us；上電復(fù)位；信號輸入到外中斷 0，在中斷中啟動 AD 轉(zhuǎn)換； AD轉(zhuǎn) 換結(jié)束標(biāo)志作為外中斷 1的中斷源，在中斷 1中讀取數(shù)據(jù)并保存； P1口為數(shù)碼管提供斷碼； P0.0~P0.7分別為 AD的啟動信號、 AD的讀取信號和數(shù)碼管的掃描信號。 2.5 顯示電路 顯示電路采用數(shù)碼管來顯示 如圖 2-6 所示。 圖2-6 顯示電路原理圖 該部分電路采用 3位數(shù)碼管來交替顯示所測電壓的有效值和峰值， 同時數(shù)碼管采用 動態(tài)顯示，每 1ms刷新一位， 用3個8550的PNP型三極管來片選。 圖中smg0~smg7與單片 機P0口相連接，三極管的集電極分別與共陽數(shù)碼管

11、9腳相連接，基極分別與單片機的 P2.1~P2.3相連接。 3 軟件設(shè)計 3.1 總軟件流程 總軟件流程圖如圖 3-1 所示： 圖 3-1 總軟件流程圖 3.2 初始化程序 初始化程序主要是定義主程序中要用的變量和定時器的初始化。 變量定義如下： unchar dat; //AD 采樣數(shù)據(jù)變量 unchar tab[3]; //顯示數(shù)據(jù)各個位存儲數(shù)組 定時器初始化流程圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 定時器初始化流程圖 3.3 AD 采樣程序 AD 采樣主要是根據(jù) ADC0804 的時序進行對外部數(shù)據(jù)的采用讀取。其中包括 AD 初始化時序和 AD 數(shù)據(jù)讀取

12、程序。 AD 時序圖 3-3 所示： 圖 3-3 AD 時序圖 根據(jù) 3-3 圖所示時序，寫出 AD 程序流程圖，如圖 3-4 所示 圖 3-4 AD 程序流程圖 3.4 數(shù)據(jù)處理程序 AD 對 AD 采樣的數(shù)據(jù)必須進行處理才能正常地顯示。首先的要把十六進制數(shù)的 值轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，然后進行值處理，求出有效值，峰值，接著分別求出數(shù)據(jù)中的各 個位上的數(shù)字，以便顯示。其程序流程圖如圖 3-7 所示。 圖 3-7 數(shù)據(jù)處理程序流程圖 3.5 數(shù)據(jù)顯示程序 數(shù)據(jù)顯示主要是用數(shù)碼管動態(tài)掃描的方法。其程序流程圖如土 3-8 所示 圖 3-8 數(shù)據(jù)顯示程序流程圖

13、 4 調(diào)試 4.1 調(diào)試準(zhǔn)備 調(diào)試所用到的儀器有萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、信號發(fā)生器。運用萬用表 來測量電阻、電壓，直流穩(wěn)壓電源接正負(fù) Vs和地，信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，示波器顯示 輸出波形和峰值。 4.2 關(guān)鍵點調(diào)試 （1）、放大電路調(diào)試前要先進行調(diào)零，即將運放的 2個輸入端（同相輸入端和反向輸 入端）對地短路，用萬用表測輸出電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器 R1，使輸出電壓為 0，如果不進行調(diào)零，則會導(dǎo)致輸出電壓有偏差。 （ 2）、注意輸入 A/D的基準(zhǔn)電壓為 1/2vef, 同時最合適的基準(zhǔn)電壓為 2.56V, 以便計算時 方便。 4.2.1 放大波形 （1）、理論波形

14、 2）、實際波形 4.2.2 顯示電路 4.3 測試結(jié)果 4.4 誤差分析 （ 1）放大電路的放大倍數(shù)會因輸入電阻， 反饋電阻與理論值有偏差而存在一定的誤 差，放大倍數(shù)過大會波形互失真； （ 2）當(dāng)ADC0804的基準(zhǔn)電壓為 2.56V時，其最小分辨率為 20mv，因此測量值會有± 20mv 的偏差； （3）輸入信號存在干擾和波動； （4）偏置電壓引起的誤差。 5 結(jié)束語 5.1 總結(jié) 通過本次短學(xué)期的實驗，使我對很多芯片有了一定的了解和鞏固，對它們的功能 有了一定的熟悉和掌握。如 AD737，該芯片可以用來將交流電轉(zhuǎn)換成真有效值的直流 電，如 ADC

15、0804芯片可實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時對真有效值的轉(zhuǎn)換、放大等電路的設(shè)計有 了進一步的理解和掌握。 在電路設(shè)計中必須注意電路中各元件值的選擇會影響電路最終的結(jié)果。當(dāng)在設(shè)計 放大電路時，輸入電阻、反饋電阻的不同就會使放大倍數(shù)有所不同，根據(jù)題目要求和 芯片的資料，必須保證最低放大倍數(shù) 25，因此如放大倍數(shù)太小則不能滿足要求，而太 大則會導(dǎo)致輸出波形的失真。因此，要合理選擇各元件的值。在電路調(diào)試時，應(yīng)該分 模塊進行調(diào)試，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題， 等所有模塊都調(diào)試成功再進行總體的調(diào)試。 最 后要根據(jù)自己所測的結(jié)果，進行分析，尤其對測試出的結(jié)果與理論結(jié)果進行比較，是 否有誤差，并分析形成誤差的原因，如何減少誤

16、差。 5.2 展望 雖然該電路已經(jīng)基本能實現(xiàn)對真有效值的測量和顯示，但測量結(jié)果還存在著較大 的誤差，電路設(shè)計還有待于進一步的完善，各部分電路的穩(wěn)定性也有待于進一步的提 高，希望通過更進一步的研究和學(xué)習(xí)，實現(xiàn)用更少的元件，設(shè)計出更加合理、更高效 的電路。 附錄： 1 總原理圖

17、 2 程序清單 主程序模塊 #include #include #include"adc0804.h" #include"smgdis.h" #define unchar unsigned char #define unint unsigned int unchar count=0; 10 unchar ID=0; // 任務(wù) ID，時間片分配 ID #define a 0.5 static unchar y; static time_

18、init() { TMOD=0x01;/* 定時器 T0方式 1(16位計數(shù)器) */ /* 公式為： x=65536-fosc/12*t 65536-50000=15536 其中x為定時初值， fosc 為晶振頻率， t 為定時時間 */ TH0=15536/256; /* 定時器高位 */ TL0=15536%256; /*定時器低位 , 定時時間為 50ms ， 20次為1s */ ET0=1;/* 允許定時器 T0中斷 */ TR0=1;/* 開定時器 T0*/ EA=1;/* 開總中斷 */ } void main() { unchar dat; uncha

19、r tab[3]; time_init(); while(1) { dat=get_adc_value(); value_done(dat,tab,ID); led_display(tab[0],tab[1],tab[2]); } } void timer0() interrupt 1 { TR0=0; TH0=15536/256; TL0=15536%256; /* 重裝初值 */ count++; /* 計數(shù)，累加中斷次數(shù) */ if(count==20) /* 判斷是否到 10次，即 0.5s*/ { count=0; ID++; /* 轉(zhuǎn)換下一個顯示 *

20、/ if(ID==3) ID=0; 11 TR0=1; } A/D 轉(zhuǎn)換模塊：(頭文件) #ifndef __ADC0804_H__ #define __ADC0804_H__ #ifndef unchar #define unchar unsigned char #endif #ifndef unint #define unint unsigned int #endif #define adc_databus P1 //the databus of ADC sbit cs_adc=P2^0; sbit wr=P3^6; sbit rd=P3^7; //to cho

21、ose the chip ADC0804 //wr# signal //rd# signal void value_done(unint tvdata,unchar led[],unchar ID) unint temp; //temp=(unint)(tvdata*1.0/255*500); temp=(unint)(tvdata*2); switch(ID) { case 0: //有效值 break; case 1: //峰值 temp*=sqrt(2); break; default: //其他情況 break; } led[0]=(temp/100)%10;

22、//最高位 led[1]=(temp/10)%10; led[2]=temp%10; //最低位 if(led[0]>10||led[0]<0) led[0]=11; if(led[1]>10||led[1]<0) led[0]=11; if(led[2]>10||led[2]<0) led[0]=11; 12 unchar get_adc_value(void) { unchar k; unint tvdata; // adc0804 start // cs_adc=0; k=k; //nop wr=0; k=k; wr=1; k=k; cs_adc=1; k=k;k=k;k

23、=k; // read value of adc0804 // adc_databus=0xff; cs_adc=0; k=k; rd=0; k=k; tvdata=adc_databus; rd=1; k=k; cs_adc=1; k=k; return tvdata; } #endif 顯示模塊(頭文件) #ifndef __SMGDIS_H__ #define __SMGDIS_H__ #ifndef unchar #define unchar unsigned char #endif #ifndef unint #define unint unsigned int

24、 #endif /* 全局變量定義 */ #define DataBus P0 //數(shù)據(jù)口定義 sbit c0=P2^1; //數(shù)碼管 0 控制腳 sbit c1=P2^2; //數(shù)碼管 1 控制腳 sbit c2=P2^3; //數(shù)碼管 2 控制腳 void delay(void) { unchar i; unchar t=1; while(t--) 13 for(i=0;i<125;i++); } void led_display(unchar a,unchar b,unchar c) { /*共陽數(shù)碼管數(shù)字碼 0~9+全暗碼 */ Unchar code tab0[

25、12]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0x86}; DataBus=(tab0[a]&0x7f);/* 送顯示碼，由 a 控制 */ c0=0; /* 選通數(shù)碼管 0*/ delay(); DataBus=0xff; c0=1; DataBus=tab0[b];/* 送顯示碼，由 b 控制*/ c1=0; /* 選通數(shù)碼管 1*/ delay(); DataBus=0xff; c1=1; DataBus=tab0[c];/* 送顯示碼，由 c 控制*/ c2=0; /* 選通數(shù)碼管 2*/ delay(); DataBus=0xff; c2=1; } #endif 3 實物圖 14