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1、大连海事大学装订线毕 业 论 文二一三年六月单通道动态数字电阻测量仪专业班级： 电子信息工程3班姓 名： 王 宁 指导教师： 刘 剑 桥 信息科学技术学院摘 要本文基于89C51单片机芯片，利用A/D转换器及数码管，完成了针对热敏电阻的动态电阻测量系统。PTC（正温度系数热敏电阻）热敏材料的性能主要由三大特性表征，其中电阻-温度特性是热敏材料最基本的特性，是衡量其性能的最佳尺度，所以对热敏电阻的阻温特性测试也就尤为重要。本系统采用89C51单片机作为主控芯片，选用了ADC0809进行模拟量到数字量的转换。配合自行设计的外围电路，结合单片机控制实现了对阻值跨度在1欧3千欧热敏电阻的精确测量；外扩
2、数码管显示模块，完成对测试数据的显示；实现了单片机与ADC0809芯片，单片机与数码管及数码管的连接电路。在测试系统的软件部分，论文分别对测量主程序、数据转换程序、显示和系统初始化程序、数据处理程序进行了讨论和设计。系统软件采用C51单片机专用语言编写，利用Keil51编译器编译，产生的目的代码的运行速度高，所需存储空间小。利用本系统对PTC热敏电阻，在其加热的情况下进行电阻测量，可以得到随温度变化的测量值。根据绘出的电阻时间曲线可以看出，系统满足最初的设计要求，可以动态的测量电阻，并且通过数码管以数字的形式显示出来。关键词：PTC电阻（正温度系数热敏电阻）；单片机；AD转换器；阻温特性IAB
3、STRACTThis article is based on thermistor, MCU, A/D converters, and Nixietube, design and completed the dynamic resistance measurement system.PTC (positive temperature coefficient thermistor) the properties of heat-sensitive materials mainly composed of three characterization, the resistance - tempe
4、rature properties are the basic properties of heat-sensitive materials, it is the best scale to measure the performance of the heat-sensitive. So the resistance test of it is very important. The system uses 89C51 microcontroller as the master chip, choice the ADC0809 to complete the conversion of an
5、alog to digital. With the external circuit designed by myself, combined with the single-chip to realization the test of PTCRs resistance in the span of 1-3 k; and the digital tube demonstration module accomplish the display of data; achieve the combined of single-chip with ADC0809 chip , and the cir
6、cuit of single-chip with digital tube.In the software part of the test system, the paper discussed and design the procedure of the main measuring program, the data conversion process, and the display system. C51 language of microcontroller system software was used by this system and use Keil51 compi
7、ler to compile code. Whos code could running in high speed and just need a small storage space.Use the system to measure the PTC thermistor in the case of it is heated. The system can get a result change with the changing temperature .It can be seen from the Resistance-Time curve, the system can mee
8、t the originally designed requirements. It can measure resistance dynamically, and display the data through digital tube in digital form.Keywords: PTC；MCU；A/D converters；R-T characteristicIV目 录第1章 绪论11.1 基于微处理芯片的智能仪器的发展现状11.2 传感技术相关概述21.3 本论文研究的目的和意义3第2章 系统硬件电路设计42.1 系统硬件设计思路概述42.2 电压表设计的总体方案52.2.1
9、设计思路52.2.2设计方案62.3 电压表A/D转换模块62.3.1 A/D转换器概述62.3.2 ADC0808主要特性:72.3.3 ADC0808外部各引脚功能72.3.4 ADC0808内部逻辑结构92.4 数据处理模块102.4.1 AT89C51单片机性能介绍102.4.2 AT89C51外部引脚功能102.4.3 单片机系统的相关电路122.5 显示模块132.5.1 四位数码管概述142.5.2 原理图及引脚图142.5.3 数码管的译码方式152.5.4 数码管与单片机接口设计162.6 外加的分压电路172.7 整体的电路原理图设计17第3章 系统软件部分设计193.1
10、电阻测量仪的主程序193.2 初始化程序203.3 A/D转换子程序213.4 显示子程序22第4章 系统运行及测试结果分析234.1 keil程序调试及proteus仿真234.1.1 proteus功能及使用概述234.1.2 调试过程中的问题及解决方案244.2 实物完成及实物调试264.2.1 电路板实物测试结果264.2.2 数码管亮度不够的解决方案264.2.3 数码管闪烁的解决方案274.3 实际电阻测量及结果分析294.3.1 实际测量的情况294.3.2 测量结果与分析294.3.3 系统存在的不足30第5章 全文总结及展望325.1 工作总结325.2 展望32参 考 文
11、献34致 谢35附录11单通道动态数字电阻测量仪单通道动态数字电阻测量仪第1章 绪论1.1 基于微处理芯片的智能仪器的发展现状随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器、计数器、并行和串行接口和A/D转换器等。它是微电子技术与计算机技术的结晶，现已成为集成电路大家族中的重要成员1。尽管单片机是从1982年才开始在我国应用的，但它一经上市便显示出强大的生命力，以其独特的优点迅速占领市场并获得广泛应用。这种超大规模集成电路芯片称为“单片微处理器”，也叫单片机。单片机的出现，对于科学技术的各个领域都产生了巨大影响，同样引起仪器仪表结构的
12、根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术有机的结合在一起，组成新一代的“智能仪器”2。单片机最大特点是单片化3，体积大大减小、功耗和成本低、可靠性高、易扩展、控制功能强、易于开发。这决定了它在智能仪器的设计中很长时期还会获得形式多样、特点不同的广泛应用。它不仅用于智能仪器、电气设备、数据采集、自动控制及国防工业等技术领域，而且进入亿万家庭。各种普通家用电器中单片机的数量与日俱增。单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS-51系列单片机3。发型之后在全国迅速得到广泛应用，但Intel公司已集中精力在CPU的生产上
13、，并逐渐放弃了单片机的生产。ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。技术优势在于Flash存储器，公司将Flash与Intel公司的80C51核相结合，形成了Flash单片机AT89系列。由于其具有80C51的原有功能，内部还含有大容量的Flash存储器，又增加了新功能，因此在电子产品开发及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，成为目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本论文所研究的系统中便使用的AT89系列的芯片3。1.2 传感技术相关概述传感器技术4是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之
14、一。目前敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。它通常是实现测试和自动控制系统的首要环节，如果没有传感器对原始数据进行精确可靠的测量则无论是信号转换还是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制都将无法实现。因此，传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科正得到空前快速的发展。并且在越来越多的领域被广泛使用。传感器种类繁多其中按使用材料可分为：半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器、超导材料传感器、纳米材料传感器、光纤材料传感器等。其中半导体传感器中的很多元件所测相关量的变化（如温度、适度、某种气体
15、浓度）最终都是通过电阻的变化表现出来的。同时半导体式传感器的应用很多，像我们身边的瓦斯烟雾检测仪、室内温度检测仪、CO探测报警器等都是对半导体式传感器的应用。其种类有半导体气敏传感器、湿敏传感器、色敏传感器、热敏传感器等。热敏电阻器：按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低。 PTCR5是英文Positive Temperature Coefficient Resistance的缩
16、写,意思是正的电阻温度系数，也常用来泛指具有正温度系数的现象和材料。PTC热敏电阻其常温电阻率在10-2104cm之间，当测试温度超过其居里温度时，在几十度温度范围内，其电阻率可以增大410个数量级，即产生所谓的PTC效应。本论文中用的热敏电阻为BaTiO3半导瓷，BaTiO3半导瓷是一种典型的铁电材料，是PTC电阻。 PTCR元件的实用化基本从上世纪60年代开始，利用其基本的电阻-温度特性，电压-电流特性与电流-时间特性，各种不同用途的PTCR元件广泛应用于工业电子设备如计算机和测量仪器，民用电子设备如家用电器和汽车零部件中，以达到传感器、温度补偿、过流保护、定温加热、暖风、自动消磁、马达启
17、动延时等作用。PTCR的三大特性（电阻-温度特性、电压-电流特性、电流-时间特性）一直是科研人员们关注的重点，这三大特性的参数测量主要包括对电阻、电压、电流、温度、频率等基本物理量的测量。在实际的理论研究及工业生产中，PTC热敏电阻元件的测试条件通常都有一定的特殊要求，比如恒定可控的温度环境，零功率测试条件，根据PTC热敏材料特性而需要采用的特定测量方法等。1.3 本论文研究的目的和意义所以最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字类仪表，和基于微处理芯片的系统的快速发展，结合嵌入式微控制器即单片机来设计智能P
18、TCR测试系统，使测试仪表朝着集成化、智能化、模块化、微型化的方向发展，符合智能仪器的发展趋势6。正是由于半导体传感器件的所测环境变量的终端体现很多都是通过电阻变化来判断的，所以电阻测量仪器是很必要的，这便是本论文中动态电阻测量仪系统研究的意义所在。所以，本文中的动态电阻测量仪是对微处理芯片技术和半导体传感器件的联合使用，就是一个相对简单的针对热敏电阻的动态电阻测量系统。第2章 系统硬件电路设计2.1 系统硬件设计思路概述首先本系统的目的是实现电阻的测量，而电阻是不能直接测量的。所以采取的方式便是，借助相关电路的设计及对电压的测量经过相应的算法计算出电阻值并让其在数码管显示。系统利用的是如下的
19、分压电路：图2-1 分压电路原理图其中电源是5V的，R1是一个已知阻值的电阻，RV1变阻器就相当于需要测试的变化的电阻，电压表接在已知电阻的两端，即电压表显示的是阻值已知的电阻两端的电压值。 其本质其实跟传统的比例法测电阻7是相同的，传统的比例法测电阻的原理图以及相关分析如下可见：图2-2比例法测电阻原理图被测电阻Rx与基准电阻R0(即为分压电路中的已知电阻)串联后接在电源V+和COM之间。参考电压输入的VREF+与V+相接，VREF-与测量电压输入端IN+相接，IN-与COM接通。R0上的压降VR0兼作基准电压，Rx上的压降VRX作为输入电压VIN，设流过R0和Rx的电流为I，参数之间关系为
20、： 测量值只与两个电阻的比值有关，而与参量电压VREF的值无关，这就是比例法测电阻的优势所在。所以同样的，在本系统中如果要测电阻，就需要借助电压表测出的已知电阻的电压值，计算出待测电阻的阻值。RXR0(5-V0)/V0现在设计主线已经很明确的，为辅助测试先要设计制作一个一路模拟量输入电压表，能够测量0-5V电压即可。然后再在软件中根据实际电路实现电阻的算法。至于显示规格，我是以千欧为单位显示的，而且显示的变化范围是0到10千欧，所以数码管采用的是四位一体的，可以显示三位小数。所以现在就可以看出来，本系统的硬件电路就是一个数字电压表的硬件电路再外加一个包括待测电阻的分压电路。而最终电阻值的显示是
21、在软件中通过相应算法实现的。2.2 电压表设计的总体方案2.2.1 设计思路数字电压表的系统设计主要包括三大模块：模拟数字转换模块、数据处理模块、显示模块。 A/D转换模块采用ADC0808实现。 数据处理模块选择AT89C51单片机为核心控制器件8来完成。 显示模块采用4位一体的LED数码管实现。图2-3系统整体运行框架2.2.2设计方案数字电压表的硬件电路设计由6个部分组成：时钟电路，复位电路，AT89C51单片机系统9，A/D转换电路，LED显示系统以及测量电压输入电路。硬件电路的设计框图如下所示：图2-4数字电压表硬件设计框图2.3 电压表A/D转换模块2.3.1 A/D转换器概述现实
22、世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型、电压频率转换型等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度
23、快，因而在实际中广泛使用。逐次逼近型A/D转换器10，最开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。图2-5逐次逼近型A/D转换器的工作原理图2.3.2 ADC0808主要特性：（1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。（2）具有转换起始控制端。（3）转换时间：128s；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电。（4）模拟输入电压范围0- +5V，不需外部零
24、点和满刻度调整。（5）低功耗，约15mW6。（6）工作温度范围为-40摄氏度到+85摄氏度。ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，与各种微控制器接口，可锁存三态输出，输出与TTL兼容。由于ADC0808设计时有考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。区别在于ADC0808 的输出端口D0-D7是高位到低位，而ADC0809是低位到高
25、位。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。2.3.3 ADC0808外部各引脚功能ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。下面说明各个引脚功能：IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。D0-D7(8条)：8位数字量输出端D0是高位。ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。 图2-6 ADC0808引脚图ADDA,ADDB,ADDC：3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，
26、其对应关系如表2所示：表2-1 ADC0808通道选择表地址码对应的输入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC：EOC为A/D转换结束信号输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器，转换期间一直是低电平。OE：OE为数据输出允许端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开三态输出门，输出数字量。REF+、REF-：参考电压输入量，给电阻阶梯网络供
27、给标准电压。VCC、GND：VCC为主电源输入端，单一接+5V。GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。2.3.4 ADC0808内部逻辑结构ADC0808由一个八路模拟开关、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。如下图所示。图2-7 ADC0808内部逻辑结构图（1）地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时，锁存从ADDA、ADDB、ADDC 3根地址线上送来的3位地址，译码后产生通道选择信号，从8路模拟通道中选择当前模拟通道。（2）8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选
28、择一路送给后面的比较器进行比较。（3）比较器8位开关树型A/D转换器逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成8位A/D转换器，当START信号有效时，就开始对当前通道的模拟信号进行转换，转换完成后，把转换得到的数字量送到8位三态锁存器，同时通过引脚送出转换结束信号。（4）三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当OE信号有效时，把转换的结果送出。ADC0808内部的工作过程：首先输入三位地址，并使ALE=1，将地址存入锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成。
29、EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已经存入锁存器，这个信号可做终端申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.4 数据处理模块2.4.1 AT89C51单片机性能介绍数据处理模块由单片机系统完成，在这里我采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C519。它是一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效
30、微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的性能8：与MCS-51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储器；寿命：1000次写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片内震荡器和掉电模式。 2.4.2 AT89C51外部引脚功能AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图5所示。图2-8 AT89C51的引脚图AT89C51芯片的各引脚功能11为：P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两
31、种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89C51不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是89C51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口
32、的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器的读/写数据。P3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表2-2所示：表2-2 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0RXT（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2/INT0（外部中断0输入）P3.3/INT1(外部中断1输入)P3.4T0（定时器/计数器0的外
33、部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6/WR（片外数据存储器写允许）P3.7/RD(片外数据存储器读允许)Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE：地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89C51的CPU在P0.0-P0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89C51自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA：片外存储器访问选择线，可以控制89C51使用片内ROM或使用片外ROM，当/EA=1的时候，允许使用片内ROM, 当/EA=0的时候，只使用片外ROM
34、。/PSEN：片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，89C51自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使89C51处于复位(即初始化)工作状态。通常89C51复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1和XTAL2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C51片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降
35、至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。 2.4.3 单片机系统的相关电路2.4.3.1 复位电路单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST11,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要
36、RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。复位电路如图2-9所示。图2-9 单片机复位电路2.4.3.2 时钟发生电路单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟
37、电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图2-10所示。图2-10 单片机时钟发生电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路12的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。2.5 显示模块显示模块采用的是四位一体的数码管，如图2-11所示。图2-11显示模块图LED是发光二极
38、管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器13即数码管是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。七段数码管由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。2.5.1 四位数码管概述四位数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4个数码管叫四位数码管。数码管按段数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）；按发光二极管单元
39、连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。其在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极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。共阴极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。2.5.2 原理图及引脚图对于一位数码管对应的端名称及排列如下图所示图2-12一位数码管引脚端名称内部的工作原理即如
40、下面两图所示。每个段其实就是一个发光二极管，导通即亮。下面的示例图都以共阳极数码管为例，共阴极数码管原理相同，只是二极管方向相反。图2-13 共阳极数码管内部电路而四位数码管即相当于四个一位的数码管段选并联而阴极（共阴数码管）或阳极（共阳数码管），则分别作为位选端。共阳极数码管的内部电路构造如图2-14所示（共阴极数码管二极管反向）。图2-14四位一体共阳极数码管内部电路图从数码管正面俯视看，对应的引脚如图2-15所示，图2-15四位一体数码管引脚图1，2，3，4分别表示从左到右四个数码管的位选端，a,b,c,d,e,f,g,dp即分别对应数码管的段选，共阴极数码管高电平有效，共阳极的数码管低
41、电平有效。2.5.3 数码管的译码方式表2-3共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于LED数码管显示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种8。硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换。软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程序通常为查表程序。本设计系统中为了简化硬件线路设计，数码管译码采用软件编程来实现。由于本设计采用的是共阴极数码管，其对应的字符和字段码如表2-3所示（本系统采用的是共阴极的数码管）。2.5.
42、4 数码管与单片机接口设计由于单片机的并行口不能直接驱动数码管，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片13，使之产生足够大的电流，数码管才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，数码管的驱动电路设计是一个非常重要的问题。数码管的驱动通常分为两种：静态驱动和动态显示。1、静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O
43、端口来驱动，一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。2、数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的
44、COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。所以为了简化电路，本系统在数码管驱动电路的设计上，利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，即将数码管的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口的驱动能力，使得数码管能按照正常的亮度显示出数字。2.6 外加的分压电路此
45、电路时辅助测量电阻的电路同时也是电压表的模拟电压发生电路，如图2-16所示。图2-16分压电路图图中的滑动变阻器相当于变化的电阻，与已知电阻R0串联在地与5V正电压之间，构成分压电路。R0两端的电压即为输入到A/D转换器的模拟量。2.7 整体的电路原理图设计整体原理图如图2-17所示：图2-17 系统总电路图此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器RV1分压后由ADC0808的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA、ADDB、ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经
46、过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位数码管，同时单片机的P2端口的低四位P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，P3.0发正脉冲启动A/D转换，ADC0808的CLOCK与地址锁存允许输入端ALE共同接在单片机的P3.3端口由定时器发出的方波控制， P3.2检测A/D转换是否完成，转换完成后，P3.1置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来。PS：最初电路的接法不是这样的，最开始数码管是接在单片机的P1口，A/D的输出接在单片机的P0口，在后面的测试环节改成这样，即最终的电路图。第3章 系统软件部分设计对于单片机控制的系统，软件和硬件同样重要，硬件仅解决了信号输入输出问题，软件完成对数据的处理、传送、存储、显示等，是系统的控制和处理核心。单片机在推广应用的初期，主要使用汇编语言，这是因为当时的开发工具只能支持汇编语言。随着硬件技术的发展，单片机的程序设计语言从汇编语言过渡到高级语言C已经成为时代的潮流。C语言是一种通用的程序设计语言，其代码效率高、数据类型及运算符丰富，并具有良好的程序结构，适用于各种应用程序设计。支持51单片机用的C语言编程的编译器主要有两种：Franklin C51编译器和Keil C51编译器，