单片机控制ADC0809的模数转换与显示文档格式.docx
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第五章系统仿真验证与PCB的绘制.........................................................................22
5.1.基于Multisim的电源仿真验证…….................................................................22
5.2.基于Protues的单片机系统仿真验证..............................................................23
5.3基于Altiumdesigner的PCB绘制..................................................................24
第六章课程设计总结…….......................................................................................25
参考文献....................................................................................................................26
附录…........................................................................................................................27
摘要
我们这次课程设计,以STC89C52RC芯片为系统核心处理器,加以必要的辅助输出电路、AD转换电路、液晶显示电路、稳压电路等设计了一个多功能可控直流电源。
它大体上有两个功能:
一是作为一个简易电压测试表使用,对外部0~+20V的直流电压进行测量,并将所测量的电压值显示在LCD液晶显示器上。
二是能由内部输出+1.25~+20V的稳定直流电压,该稳定电压能为该电压供电范围内的器件提供供电电源。
同时,该输出电压能在LCD液晶显示屏上显示出该输出电压的实时电压数值。
这次的课程设计使我们加深了对单片机的认识,提高了学习、设计、开发单片机软件、硬件的能力。
关键词:
可控直流电源测量输出1.25~20VLCD
第一章方案与论证比较
1.1电源解决方案
单片机的工作离不开电源供电系统。
电源供电的稳定性是单片机和其他器件稳定工作的前提。
所以说一个良好的电源供电系统对单片机系统工作至关重要。
方案
(一):
供电系统直接采用市场上的电源适配器,然后引出电源适配器的电源线和地线作为单片机供电系统的电源和地。
方案
(二):
对市电采用变压、整流、滤波、稳压等电路设计出一个适合单片机系统的电源。
结论:
考虑到成本因素,市场上的电源不一定能和单片机系统工作电压相匹配的问题,还有供电电源需要与输出电源同源的问题,本设计选择方案
(二)。
图1-1稳压芯片LM7805
1.2电压输出方案
本系统的输出直流电压设定范围为1.25-20V。
相对低电压输出时要求精度较高,较稳定。
而输出相对高压则允许有一定的偏差。
良好的输出解决方案是该输出稳定性优劣的重要因素。
对市电采取变压、整流、滤波和电阻分压等电路获得所需电压范围。
对市电采取变压、整流、滤波和稳压芯片稳压等电路获得所需电压范围。
由于电阻本身存在误差,用电阻分压的方式获取所需的电压精度不够,而且需要采用多个电阻进行分压,操作起来比较麻烦。
而采取稳压芯片的稳压电路能输出较为稳定的电压,而且电压可调的灵活性强。
本设计采用方案
(二)。
图1-2稳压芯片LM317
1.3电压显示方案
本系统能输出一定范围的直流电压和对一定范围的直流电压进行测量。
所以,良好的人机交换和可视化的实时电压值显示必不可少。
采用八段数码管对输入或输出电压的电压值进行显示。
采用LCD液晶显示屏对输入或输出电压的
电压值进行显示。
使用八段数码管来对电压值进行显示,使得程序变得简单。
但数码管所能显示的
内容并不多。
而LCD液晶显示器不仅能显示数字,还能显示ASCII码的字符,能携带更多的信息,而且界面友好,编程人员可根据现实的方式和需要的不同进行编程从而获得更好的可视化体验。
图1-3QC1602A-LCD
第二章系统总体架构
2.1系统总体设计思想
本系统以STC89C52RC单片机芯片为核心处理器,再辅以A/D转换电路,可调稳压输出电路,LCD液晶显示电路,降压电路等电路实现多功能可控直流电源的功能。
其有两个工作模式。
以下对两种工作模式进行说明。
2.1.1模式一:
输入模式。
本系统能由输出模式转换到输入测量电压模式。
外部一定范围的直流电压经电压输入电路输入到A/D转换电路,同时该电压信号由模拟量转换为数字量传送到单片机内部中央处理器进行处理,并将处理结果显示到LCD液晶显示器上。
2.1.2模式二:
输出模式。
本系统有一个可调稳压输出电路,能输出一定范围稳定直流电压。
同时,输出的电压信号经A/D转换电路由模拟量转换为数字量。
然后把该电压信号传送到单片机中央处理器进行数据处理,最后将输出的实时电压值显示在LCD液晶显示器上。
2.2系统稳压输入测量架构
本系统稳压测量架构原理于输出架构相似。
但其使用的对象是外部被测量的电压,而不是输出的电压。
外部的电压经分压电路和A/D转换电路,模拟信号转换为数字信号后传送经单片机进行数据处理,最后将测量所得的结果显示在LCD液晶显示器上。
流程框图如下:
图2-2稳压输入测量架构
2.3系统稳压输出架构
本系统的稳压输出架构采用一个变压电路,将市电电压转换为+20V左右的脉动电压,再经整流电路、滤波电路,对该电压进行整流和滤波。
然后再将该电压分别输入到两个稳压电路中。
其中一个稳压电路为可调稳压电路,用于一定范围的稳定直流电压输出;
另外一个稳压电路能使输入的电压稳定输出为+5V,从而为单片机系统,AD转换芯片,LCD液晶显示器等器件提供工作电源。
图2-1稳压输出模式框图
电源几乎是所有元器件和电路工作都需要的基本条件,而对电压的测量也是对各种元器件等硬件学习开发设计的必须手段之一。
所以稳定电源电压输出和电压测量在商业工业等领域都是不可缺少的一部分。
本系统为多功能可控直流电源,系统通过对外部直流电压进行测量和输出一定范围的直流电压来实现两种不同的功能。
虽然在原理和操作上有很多相似之处,但是两种工作方式确实能实现两种迥然不同的功能,达到了以尽可能少器件的方式尽可能实现多种功能的目的,以降低成本,实现绿色、环保的智能科技。
第三章系统硬件设计
3.1单片机最小系统设计
单片机最小系统是单片机能工作的最基本条件。
没有最小系统单片机并不能正常工作。
本单片机的最小系统包括电源电路、复位电路和时钟电路。
三者缺一不可。
图3-1单片机最小系统
3.1.1电源电路
本最小系统的电源电路由变压电路、整流电路、滤波电路、分压和稳压电路和电源指示电路组成。
其中变压电路将市电220V交流经变压器降压成22V左右的交流电压。
然后经整流和滤波电路,将该交流电压整流成较为稳定的+20V左右的直流电压。
由于我们使用的稳压芯片输入电压要求在+10V左右,所以要将该+20V电压经两个电阻分压得到+10V左右的电压,再输入经稳压芯片LM7805,最后得到+5V的稳定电压源输出。
该稳定电压源能为单片机和其他芯片器件供电。
以下是该电源电路的原理图:
图3-2变压、整流、滤波、分压电路
图3-3稳压电路
稳压芯片采用FAIRCHILD公司的LM7805。
官方推荐的的输入电流IO=500mA,输入电压VI=10V,旁路电容Ci=0.33uF,退藕电容Co=0.1uF,正常情况下典型输出为5V。
以下为FAIRCHILD公司官方给出的电气特性:
图3-4LM7805典型电气特性
图3-5电源指示电路与滤波抗干扰电路
当电源VCC接通时,LED会点亮,同时C12与C13用来滤除电源的波纹与高频干扰。
3.1.2时钟电路
每个单片机都需要时钟电路来对确定单片机的工作频率。
有的单片机使用内部时钟,有的使用外部时钟。
而本系统则采用外接时钟的方式。
本时钟电路采用一个频率为12MHz的石英高速晶体振荡器。
同时使高速晶体振荡器与两个无极性电容连接。
以下为时钟电路的原理图:
图3-6时钟电路
3.1.3复位电路
当需要对单片机进行复位操作时,复位电路对单片机来说必不可少。
单片机的复位操作有两种,一种是上电复位,另一种是手动复位。
以下是原理图:
图3-7复位电路
3.2可控直流电源设计
本系统的可控直流电源电路由市电变压电路、整流滤波电路、稳压电路组成,本稳压系统采用美国国家半导体公司的LM317稳压芯片,可输出+1.25V到+20V电压,能输出最大1A电流。
以下是官方提供的推荐电路:
图3-8可调稳压电路
当调节滑动电阻器时,Vout即可输出一定范围内的稳定电压。
以下是本系统的可控直流电源电路图:
图3-9可控直流电源电路
其中C4、C5、C6为旁路电容,分别为2200uF,10uF的电解电容和0.1uF的瓷片电容。
而C7、C8、C9则为去耦电容,分别为10uF的点电解电容和0.1uF的瓷片电容。
用于滤除电源的脉动波纹和一些高频干扰。
3.3模拟/数字量转换电路的设计
本系统在输出或输入的同时其中一路电压信号进入到模拟/数字量转换电路中,转换为数字量传送给单片机进行处理。
本系统的模拟/数字量转换电路主要用到一块美国国家半导体公司的ADC0809芯片。
图3-10ADC0809内部结构图
ADC0809简介:
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。
ADC0809有28只引脚。
各引脚功能如下:
IN0-IN7:
8路模拟量输入端。
OUT1-OUT8:
8位数字量输出端。
ALE:
地址锁存允许信号线,告电平有效。
START:
AD转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns)使其启动(上升沿复位,下降沿AD转换)。
EOC:
数据结束信号线,转换期间一直为低电平,当转换结束时此段输出一个高电平。
OE:
数据输出允许信号线。
当AD转换结束时,给此端输入一个高电平,打开三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端,要求时钟不超过640KHz。
Vref+和Vref-:
参考电压输入端。
Vcc:
电源输入端。
GND:
电源地。
双列直插式28脚的ADC0809芯片引脚图:
图3-11ADC0809引脚图
ADC0809模数转换芯片的工作过程:
首先由CPU发出启动转换信号START,并送出地址选择信号ADDA、ADDB、ADDC选定模拟量输入通道,地址信号由地址锁存信号ALE控制锁存,发出启动转换后一定时间,转换结束信号EOC有效。
在输出允许信号OE得到有效高电平时,转换结果通过三态输出锁存器输出至数据总线,从而完成一次A/D转换。
ADC00809工作的时序图:
图3-12ADC0809工作时序图
官方提供的ADC0809模拟量转数字量的计算公式:
当Vfs=5V,DMAX=255,DMIN=0时,输出的数字量:
。
AD转换电路的原理图:
图3-13AD转换电路
其中,IN1-IN7为悬空,不作为信号输入端,只取IN0作为信号输入端。
同时,ADDA、ADDB、ADDC共同接地,选中IN0通道。
数据总线D0-D7接到单片机的P1总线。
而CLK、START、EOC、OE、ALE分别接单片机的P2.0-P2.4。
电压参考端REF+接VCC_5V,REF-接地。
电压信号从IN0进入ADC0809,经芯片内部转换为数字量,输出到数据总线D0-D7,最后将总线上的数据送到单片机总线。
3.4液晶接口电路设计
本系统需要对电压的数字信号进行处理和实时电压值的显示,液晶是人机交换的重要桥梁,是电压信号的显示的载体。
本液晶显示电路采用一块12864型LCD液晶显示器,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;
其显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接、方便的操口方式和简单作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
VCC:
额定输入电源为5V。
VSS:
VO:
对比度调节端。
通过该调节这端的输入电压能够调节液晶显示的对比度。
RS:
命令与数据选择端。
R/W:
读写命令控制端。
此端为低电平为读操作。
此端为高电平为写操作。
E:
使能端。
读操作时高电平有效。
写操作时下降沿有效。
D0-D7:
数据总线。
用于液晶与单片机的数据通讯。
A:
背光的正端+5V。
K:
背光的负端0V。
LCD12864的读操作时序图:
图3-14读操作时序图
LCD12864的写操作时序图:
图3-15写操作时序图
时序参数:
液晶接口电路原理图:
图3-16液晶接口电路
电源输入端与背光A端接+5V电源,电源地与背光K端接地。
数据总线D0-D7接到单片机的数据总线P0.0-P0.7。
RS、R/W、E端分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7引脚。
单片机通过控制液晶的RS、R/W、E端进而对液晶进行控制,把命令和数据写进液晶控制器内,进而实现与液晶的通讯,最后将实时电压值显示在LCD液晶上。
由于单片机的P0总线为漏极输出的三态门,因此需要在P0总线上接上拉1KΩ的电阻排,接电阻排的同时也提高了P0口的驱动能力。
3.5降压测量电路设计
要设计降压测量电路,首先要对ADC0809的工作原理要有熟悉的了解。
下面再对ADC0809芯片与降压测量电路匹配使用做简要的说明。
ADC0809有两个参考电压输入端Vref+与Vref-。
Vref-一般输入的参考电压为0V。
而Vref+输入电压的最大值为电源电压,典型为+5V。
参考电压最大为电源电压也就是说输入模拟量最大也只能输入电源电压。
当需要测量到比电源电压大的时候,芯片并不能转换得到输入电压的真实值。
严重甚至对芯片造成损毁。
图3-17降压测量电路
降压测量电路由四个阻值为1K欧的电阻串联而成。
输入的电压从R14开始输入电路。
经R15、R16进入ADC0809的IN0端。
由于R14、R15、R16的分压作用,输入IN0的电压最终只能为实际输入电压的四分之一。
从而实现了对超过+5V的电压的测量作用。
当输入电压值为+20V的时候,输入IN0的电压也刚好为+5V,这也很好的符合了设计的要求。
将四分之一的输入电压还原为输入的真实电压值则在软件部分进行操作。
后面软件部分会对该操作进行详细说明。
3.6USB转串口电路设计
USB转串口即实现计算机USB接口到通用串口之间的转换。
为没有串口的计算机提供快速的通道,而且,使用USB转串口设备等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。
作为应用最广泛的USB接口,每台电脑必不可少的通讯接口之一,它的最大特点是支持热插拨,即插即用。
本系统设计USB转串口电路主要是用于计算机与单片机之间的通讯。
当我们需要记录电压数据的时候,通过USB转串口电路,就能把所得的实时电压数据就会发送到上位机,从而把相关数据进行记录和保存。
其次,我们同时能把这个电路作为单片机的下载器,把程序烧录进单片机。
图3-18USB转串口电路
USB转串口电路使用到一块南京沁恒公司的CH340芯片。
单片机的P3.0串口经一个稳压二极管接到CH340的TXD端,P3.1经一个100欧的电阻接CH340的RXD端。
而UD+和UD-则分别接USB的D+和D-端。
CH340需要外接一个石英高速晶体振荡器为芯片内部提供时钟。
小结:
总体来说,硬件电路设计不是太复杂。
要注意的是每个电路模块的细节问题。
比如在一些需要提供稳定电源的电路上,电源和地之间接上去耦电容用来滤除波纹和高频干扰。
注意对模拟信号线和数字信号线进行分开布线。
差分信号线尽量平行、等长和靠近,以减低干扰信号对其造成影响等等。
这些都是决定系统成败的小细节。
我们也应该养成良好的layout习惯,减少一些非智力的因素对系统造成不良影响。
第4章系统软件设计
4.1总体软件设计思想与程序流程图
本系统为多功能可控直流电源,主要对其AD模数转换
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