基于51单片机-PCF8591数字电压表课程设计

课程名称：微机原理课程设计
题目：数字电压表
ﻬ摘要
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器,控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机(最小系统）,和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它最早是被用在工业控制领域。

其中我们用于学习用的最多的是SＴＣ89C5２单片机，ＳTC89C52是ＳTＣ公司生产的一种低功耗、高性能ＣMOS8位微控制器,具有８K在系统可编程Flash存储器。

STC８9Ｃ52使用经典的MＣS-51内核,但也做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

STC89C52具有8k字节Ｆlash，５12字节RAM,3２位I／O口线,看门狗定时器,内置4KB EE ＰROM，ＭAX810复位电路，３个１6位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构,全双工串行口。

本设计就是以单片机SＴC89C52为核心，附以外围电路,实现数字电压表的功能，并运用软件Proteｕs进行仿真来得到实验结果。

关键词：STC89Ｃ５2单片机、仿真、中断、数字电压表、数码管显示
ﻬ目录
一、任务要求ﻩ错误!未定义书签。

1.1 设计任务ﻩ错误!未定义书签。

1．２设计要求ﻩ错误!未定义书签。

1．３发挥部分 ...................................................................................... 错误!未定义书签。

1.4 创新部分 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

二、方案总体设计与论证ﻩ4
三、硬件设计ﻩ5
3.1 单片机晶振部分................................................................................ 错误!未定义书签。

3.2 单片机复位部分................................................................................ 错误!未定义书签。

3.3电源模块部分ﻩ错误!未定义书签。

3．4 A／D转换部分ﻩ错误!未定义书签。

3.5数码管显示部分ﻩ错误!未定义书签。

3.6 单片机STC89C52 (9)
四、软件设计 (11)
４.1 程序设计总方案 (11)
４.2 系统子程序设计ﻩ错误!未定义书签。

4.3 A/Ｄ转换子程序ﻩ错误!未定义书签。

４.4 中断 ................................................................................................. 错误!未定义书签。

五、系统仿真与调试 .................................................................... 错误!未定义书签。

六、设计总结与心得体会 ............................................................ 错误!未定义书签。

6.1设计总结 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

6.２心得体会 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

七、参考文献ﻩ错误!未定义书签。

ﻬ一、任务要求
１.1设计任务
使用所学的单片机以及编程的知识,利用PCF８59１A/D转换芯片把电阻转换为电压并使用四位数码管显示出来。

1.2设计要求
利用所学的软硬件知识，使用ＫＥIL uＶiｓion4软件编写能够实现数字电压表功能的程序。

使用软件将数字电压表的硬件电路的模拟电路在70mm＊90mmPCB板模板上绘制出来，然后根据locｈmaｓter30软件所绘制的模拟电路在７0mm＊9０mｍＰCB板上焊接出来。

检查电路焊接完好后把编写好的程序下载到单片机内验证编写的程序，观察数字电压表的显示情况是否与实验要求相符。

1.３发挥部分
使用ＰCF8591A/Ｄ转换芯片通过电阻的调节改变电压并在数码管上显示出来，并且使用一个LED实时的把电压的大小体现出来,电压变高LED就变亮,电压变低LEＤ就变暗。

1.4 创新部分
本实验需求测量0－5V电压，发挥创新,将测量电压的大小增大,设置成可调挡的形式。

可测量5V、10V、2０V电压等。

由于时间关系,程序只写了测量５V电压的,稍后会更新程序。

本实验采用的是四路检测问做法,尽可能发挥了它的功能。

二、方案总体设计与论证
本次步进电机控制实验以单片机为主体,Ｐ0口接上拉电阻驱动数码管的段码，Ｐ2口连接数码管的位码,P2口的高四位从低到高分别控制第一、二、三、四个数码管亮或者灭。

Ｐ1.０口和P1.１口分别接PCＦ８591芯片的SＣL和SDＡ引脚。

ＳCＬ和SDＡ引脚分别为I2C 总线的时钟线、数据线。

AIN0口接蓝白卧式可调电阻,当可调电阻滑动时,电阻的变化引起电压的变化，经过PCＦ８5９1芯片的实时转换,通过单片机处理实时的在数码管上显示出来。

同时也能够通过外接在芯片的AOUＴ口的LEＤ体现电压的大小。

AOUT口为芯片的D/Ａ转换输出端。

外加复位和晶振电路等组成的最小系统。

EA引脚接高电平。

进行本实验之初具有两套方案：
方案一:使用附加发光二极管的亮与暗来体现电压的大小。

此方法拥有体现电压大小的效果更明确的优势。

但是硬件电路会复杂一点。

方案二:不使用附加发光二极管的亮与暗来体现电压的大小。

此方法具有硬件电路简单的优势,节约了成本。

但是体现效果不明显。

经过衡量,觉得附加ＬED体现会使电压大小的体现效果更加明了。

所以选择方案一。

使用数码管显示附加ＬＥＤ来体现不电压的大小。

设计变化框图如图1所示:
图1 变化框图
设计系统功能图如图2所示:
图２系统功能图
总体方案工作原理:SＴC８9Ｃ52是集成４0个Ｉ／O口的单片机，拥有1２MHＺ的晶振周期,电路拥有可控复位电路。

PＣF8５91芯片可实现模拟量与数字量的变化。

移动滑动变阻器,电压的变化模拟量通过PCF859１芯片转换为数字量输送到单片机中,通过单片机处理，并在数码管上显示出来。

三、硬件设计
3.1单片机晶振部分
如图3所示,为单片机的晶振电路部分。

其中C1、C2为２2pＦ的电容,它是振荡回路交联电容,如果没这两个电容的话,振荡部分会因为没有回路而停振。

电路就不能正常工作。

Y1就是1２ＭＨZ的晶振。

一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振(或接陶瓷振荡器)和电容就可组成振荡器,晶振结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

可以说晶振就是单片机的心脏,为单片机工作提供动力。

图3单片机晶振电路部分
3.２单片机复位部分
如图4所示,为单片机的复位电路部分。

复位电路,就是利用它把电路恢复到起始状态。

当电源低于单片机正常工作电压,影响单片机工作；程序跑飞,时钟失步等情况下需要使单片机复位。

该复位电路为按键复位，按键复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RSＴ端和正电源VCC之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则ＶCＣ的+５Ｖ电平就会直接加到RST端。

按键复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。

图4单片机复位电路部分
3．３电源模块部分
如图５所示,为单片机的电源模块部分。

电源模块包括一个四脚直排针(P0），一个蓝白自锁开关（Ｓ５),一个1K限流电阻（R2）和一个发光二极管(L0)。

电源模块能够为电路提供电源。

图5 电源模块部分
3．4 A/D转换部分
如图6所示,为A/D转换部分。

其中R3为蓝白卧式电位器，调节电阻可使VO输入芯片的电压发生变化Ｒ4为LED的限流电阻，Ｌ1为电压大小体现的发光二极管。

图６A/D转换部分
ＰＣＦ８5９1是一个单片集成、单独供电、低功耗、８-bitＣMOS数据获取器件。

PCＦ8５91具有4个模拟输入、１个模拟输出和1个串行I２C总线接口。

PCF8５９1的3个地址引脚A０，A1和A2可用于硬件地址编程,允许在同个I2C总线上接入8个ＰCF8591器件，而无需额外的硬件。

在PCＦ85９１器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

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Ｉ2C总线的最大速率决定。

如图7为PCF8591内部结构图：
如图７为PＣＦ8591内部结构图
如图8为ＰCF859１引脚图:
如图8为PCF8５91引脚图
AIN０~AＩN3：模拟信号输入端。

Ａ0~Ａ3:引脚地址端。

VDＤ、ＶSＳ:电源端。

SＤＡ、ＳCL：Ｉ2C总线的数据线、时钟线。

OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。

EXT:内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EＸT接地。

AGND:模拟信号地。

AOUＴ:D/A转换输出端。

VRＥＦ：基准电源端。

3.5 数码管显示部分
数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、３位、4位、5位、６位、7位等数码管；
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管,共阴数码管在应用时应将公
共极COＭ接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮,当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。

本实验用的是四位八段共阴数码管。

图9为共阴极数码管电路结构。

图９共阴数码管电路结构
如图10所示,为本实验的数码管显示部分。

图1０数码管显示部分
如图1１所示，为四位共阴数码管的引脚图。

图1１四位共阴数码管引脚图
如图1１所示,其中Ａ１,Ａ２,A３,A4分别是数码管从左到右的位选，dp为共地端,在使用时，共阴极数码管应该将它接地。

其中,a,b，c，ｄ,e，ｆ，g,dp对应的段选分别为如图12对应段选。

图12 数码管的段选
数码管要显示数字就需要通过PＯ口输入高低电平控制每个ＬEＤ灯的亮灭，公共端接地线P０口接１K的上拉电阻。

由于并未用到小数点显示,所以DP引脚悬空。

如表1所示为数码管显示数字的实现：
显示字型dｐ,g,f,e,d,c,b，a 字符码
０0 0 １1 1 1 1 1 0ｘ３f
1 0 0 0 0 0１1 0 ０x0６
2 0１0 1 １０1 1 0x５b
3 ０1 0 0 １1 1 1 0x4ｆ
4 ０ 1 1０0 1１0 0x6６
5 0 1 1 0 1 10 1 0x６d
6 0１ 1 1 １1 0 1 0x7ｄ
7 0 0 00 0１１1 0x07
8 0 1 1１11 1 1 ０ｘ７f
9 0 1 1 ０1 1 1 10x6f
表1 数码管的显示
3.6单片机STC89Ｃ５2
STＣ８９C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能ＣＭOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flａｓｈ存储器。

STC８9C5２使用经典的MCS-51内核,但也做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

SＴＣ89C52具有８k字节Fｌasｈ，５1２字节RAM，３2位Ｉ/O口线,看门狗定时器，内置４KB EＥPＲOM，MAX８1０复位电路,3个16位定时器/计数器，４个外部中断,一个7向量4级中断结构,全双工串行口。

如图13所示为SＴＣ８9C52的引脚图。

图13 单片机STC89Ｃ５2
以下为STC8９Ｃ５2的管脚说明:
1）P0口：P0口为一个８位漏级开路双向I/Ｏ口，每脚可吸收８TTＬ门电流。

当Ｐ0口的管脚第一次写“１”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，Ｐ0口作为原码输入口，当FＩASH进行校验时,P０输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

2）Ｐ１口：Ｐ1口是一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。

Ｐ1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FＬASＨ编程和校验时,P１口作为低八位地址接收。

3）Ｐ2口: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TT Ｌ门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。

并因此作为输入时，Ｐ2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

Ｐ２口当用于外部程序存储器或１６位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P２口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在ＦLASＨ编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

4）P3口: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。

当P３口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P３口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

Ｐ3口也可作为ＳＴC8９C5２的一些特殊功能口:P3.０ＲXD(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);Ｐ3.4T0（记时器０外部输入);P3.5T1(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。

5）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。

6）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低位字节。

在ＦＬＡＳH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时,ＡＬE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1／６。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个AＬE脉冲。

如想禁止AＬE的输出可在SＦR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOＶＸ,MOＶC指令是ALE才起作用。

另外,该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALＥ禁止，置位无效。

7）/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。

但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PＳＥN信号将不出现。

8）/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。

注意加密方式1时,／ＥＡ将内部锁定为RESET;当／EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FLAＳＨ编程期间,此引脚也用于施加12Ｖ编程电源(ＶＰP)。

9）ＸTＡL１:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

10）XＴAL2:来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：XTAL1和ＸTＡL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAＬ２应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

ﻬ四、软件设计
数字电压表程序编写是通过时下最流行的ＫEIＬｕVｉｓioｎ4一体化集成编程软件完成,在KEIＬ环境下编写程序并生成二进制文件。

软件流程图如图4所示。

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。

４.1程序设计总方案
程序流程图是人们对解决程序问题的方法,思路或者算法的一种描述。

流程图的优点是：采用简单规范的符号，画法简单。

结构清晰,逻辑性强。

便与描述,容易理解。

程序流程图画法不可随意,一旦随意就会使程序结构杂乱无章,这样的程序令人难以理解和接受，并且容易出错。

因此程序必须遵守三个结构:顺序结构,选择结构,循环结构。

在流程图中,不同的图形代表着不同的含义。

图14为本程序设计总方案：
图１4 程序设计总方案
４．2 系统子程序设计
初始化程序,所谓初始化，是对将要用到的SＴC８9C52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
４.3 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1５所示。

图15 转换流程图
4.4中断
中断是ＣPU对系统发生的某个事件作出的一种反应。

引起中断的事件称为中断源。

中断源向CＰU提出处理的请求称为中断请求。

发生中断时被打断程序的暂停点成为断点。

ＣPU暂停现行程序而转为响应中断请求的过程称为中断响应。

处理中断源的程序称为中断处理程序。

ＣPU执行有关的中断处理程序称为中断处理。

而返回断点的过程称为中断返回。

中断的实现实行软件和硬件综合完成,硬件部分叫做硬件装置,软件部分成为软件处理程序。

大体上可以把中断全过程分为5个阶段:中断请求、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回。

单片机有五个中断源:外部中断0(ＩNT０)；定时器Ｔ0中断；外部中断1（INT１）；定时器T１中断,串行口中断。

ﻬ五、系统仿真与调试
本次设计的仿真软件为PROＴEUS。

首先在PROTEUＳ文件下创建步进电机电路原理图。

根据设计需求打开器件模型库,在MＣU库查找ＡT89Ｃ５2模型,在电机类库中查找步进
电机模型，在模拟ＩＣ库查找电机驱动器PCＦ8５91模型，依次在相应器件模型子库中查找单片机的外围复位电路、晶振电路等的常用器件模型;然后将软件左侧的器件拾取框将相应器件拖入原理图工作区,基于单片机控制的数字电压表原理图如图16所示。

图１6单片机数字电压表原理图
电路接通后，数码管显示最初始电压数值,由于电位器置于最高位,所以数码管显示最大电压５Ｖ。

如图17是电路接通后通道1电压显示的状态图:
图17 通道1电压显示状态图
如图１8是第二路电压显示：
图１8 通道2电压显示状态图如图１9是第三路电压显示:
图１9通道3电压显示状态图如图20是第四路电压显示：
图20 通道４电压显示状态图
以下为焊接实物图。

如图21为PCB实物图的正反面图:
图21PCＢ板的正（左）反（右)面图
六、设计总结与心得体会
6.1 设计总结
经过将近十天的制作过程,终于完成了这次设计所要实现的功能。

旋转电位器数码管能够实现电压的变化。

6．2心得体会
经过这次的制作后感觉还是软件编程是相当的重要。

能够使用软件解决的问题绝不用硬件解决。

程序开始只能显示０-0.2５5,不能显示0-５。

一直检查不出来，最后经过老师的指点,是数据的类型弄错了，最后经过修改程序就没有问题了。

在硬件的问题上基本没有错误。

ﻬ七、参考文献
[1] 杨居义、杨晓琴、王益斌.单片机课程设计指导［M］.出版社：清华大学出版社；出版年：2009.
［2] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].出版社：北京航空航天大学出版社．第3版;出版年:2006.。