【毕业论文设计】基于51单片机的电阻测量.doc

学校代码： 14057 学 号： 20083005 芜湖信息技术职业学院毕业论文（设计）论文题目：_基于51单片机的电阻测量 _ 学科专业：_电气自动化_作者姓名：_王仁杰_指导教师：_余红英_完成时间：_2011年5月_选题背景宋体，小四号字，行间距1.25倍。500字左右数模转换器和模数转换器是模拟系统和数字系统的接口电路，当代人们所从事的许多工作，无论是工业生产过程控制，还是还是办公室文书文档的管理、企业管理乃至通信、生物工程、医疗、家用电器等各方面，几乎都借助于数字计算机来完成。而计算机只能接收和处理数字信号，也只能输出数字信号，因此在用计算机处理这些模拟量之前，必须把这些模拟量，如工业过程中的温度、压力、流量，通信系统中的语言、图像、文字等物理量转换成数字量，才能由计算机系统处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是数字电子技术中的重要组成部分。A/D转换器用于将模拟电量转换为相应的数字量，它是模拟系统到数字系统的接口电路。A/D转换器在进行转换期间，要求输入的模拟电压保持不变，因此在对连续变化的模拟信号进行转换前，需要对模拟信号进行离散处理，即在一系列选定时间上对输入的模拟信号进行采样，采样值的保持期间内完成对样值的量化和编码，最后输出数字信号。所以A/D转换分为采样 保持和量化与编码两步完成。A/D转换几乎无处不在，融入在我们的生活中，虽然原理很简单，但是，转换后的精度很难把握，在这里我借助A/D测电阻来研究A/D转换。毕业论文进度安排：2011年2月完成题目选择，论文的基本提纲。2011年3月可行性进行分析，原理图绘制，Protues仿真。2011年4月完成板图绘制，电路板焊接，程序调试完成。2011年5月准备并完成论文提交。指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）写作提纲一、论文题目：基于51单片机的电阻测量二、论题观点来源：用A/D测电阻时，由于A/D采样的是电压值，根据电阻的分压原理算，用采样的电压值计算出被测电阻的阻值。三、基本观点：A/D采样出电压值，根据电阻分压原理，计算出电阻值。当用5.0V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为19.5mV当用2.5V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为9.8mV采样精度提高一倍，另外采用运放放大微弱的电压信号，再经单片机采样精度又能提高一倍，所以用8位A/D也能达到1%的精度。四、论文结构：主要分为四个部分一部分：电路基础部分二部分：原理图和板图部分三部分：Protues仿真部分四部分：软件部分毕业论文（设计）工作中期检查表系别： 班级： 学生姓名学号指导教师 职称论文（设计）题目选题是否有变化如有，请填写原因是否一人一题是否进行了选题背景、及写作提纲是否进行了文献调研本论文拟解决的关键问题教师填写部分论文（设计）进度情况： 提前完成 正常进行 延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、完成指导教师布置任务情况）： 认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）： 好 中 差存在的问题与建议： 指导教师（签名）： 年 月 日系毕业论文（设计）工作领导小组意见（如被查学生为差的，请系毕业论文设计领导小组写出处理意见）： 领导小组组长（签名）： 年 月 日基于51单片机的电阻测量中文摘要电阻是基本电参数之一,常在直流条件下测量,也有在交流情况下测量的。工程上常用的电阻范围为10的负七次方10的负十五次方欧。 在材料研制、基本研究或特殊情况下进行实验时，测量电阻的范围一般扩大到接近零欧至10的负十八次方欧。 在物理学中，用电阻（Resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。 电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。电阻是所有电子电路中使用最多的元件。电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，还与导体长度、粗细、材料有关。衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。多数（金属）的电阻随温度的升高而升高，一些半导体却相反。如：玻璃，碳 电阻测量可分为伏安表法、三表法、欧姆表法和电桥法。伏安法：用于测量直流电阻。用电流表和电压表测出回路中的电压、电流利用欧姆定律计算出电阻大小。三表法：用电流表、电压表和功率表测量交流电阻。对于纯交流电阻，也可用伏安表法进行测量。但通常交流电阻常和其他电参数(如电感、电容)混合在一起，有时交流电阻还包括代表铁心损耗或介质损耗的等值电阻。为此，常采用三表法来测量。若以阻感或阻容串联等值电路来代表被测阻抗,则交流电阻RP/I2,其中P为功率，I 为电流。欧姆表法：用欧姆表、多用表中的欧姆档及高阻计直接测量电阻。机械式欧姆表及多用表主要用于测量中值电阻,准确度一般较低。数字欧姆表的测量范围为0.1毫欧10兆欧,数字多用表能测2兆欧以下的电阻，误差不超过 ±0.2。测量高压电力设备或线路的绝缘电阻一般用高阻计。电桥法：利用直流电桥、经典交流电桥测量电阻。前言单片机是一块集成有微处理器、存储器和输入输出接口电路的芯片。随着单片机技术的飞速发展，其应用领域非常广，几乎到了无孔不入的地步。智能化家用电器、商业营销设备、汽车电子产品等都离不开单片机。由于单片机只能处理数字信号，所以要先经过A/D把模拟量转换为数字量，在此我通过用A/D测电阻来研究A/D转换。电阻是所有电子电路中使用最多的元件。直流情况下，电阻R按伏安特性定义,即RU/I，其中U 为电阻两端的电压,I 为流过电阻的电流。交流情况下,电阻R按功率P来定义,即RP/I的二次方。按所用测量仪表，电阻测量可分为伏安表法、三表法、欧姆表法和电桥法。随着科技的发展，现在普遍使用数字式万用表测量电阻值。把模拟量以数字量的形式显示出来，涉及到A/D转换，由于单片机只能处理数字量，随着单片机行业的发展模数转换、数模转化也发展起来。我们通常用模数、数模转换集成块实现模数、数模转换，如ADC0809、DAC0832。当用单片机测电阻时，要先用A/D把模拟量转换成数字量。当用5.0V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为19.5mV当用2.5V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为9.8mV采样精度提高一倍，另外采用运放放大微弱的电压信号，再经单片机采样精度又能提高一倍，所以用8位A/D也能达到1%的精度。由于电阻受温度影响，所以为了提高测量精度，需要根据环境温度做出相应的补偿。研究单片机A/D的意义科技发展，我们已进入数字化时代，然而数字量的处理离不开单片机，由于单片机不能直接处理数字量，所以需要先经A/D转换为数字量再进行处理，A/D转换已经融入我们的生活，是我们生活不可缺少的一部分。所以在此以A/D测电阻为例来研究A/D转换。STC89C58RC的功能介绍STC89C58RC的管脚分布（如图1）图1 单片机引脚图模块引脚号符号功能共用电路9RST复位信号输入端18XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端19XTAL1晶体振荡电路反相输入端和输出端20GND接地端29PSEN外ROM选读通信号30ALE地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲31EA内外ROM选择/片内EPROM编程电源40VCC芯片电源，接+5VI/O端口1-8P1.0-P1.78位并行端I/O端口10-17P3.0-P3.78位并行端I/O端口21-28P2.0-P2.78位并行端I/O端口32-39P3.7-P3.08位并行端I/O端口串口通信10RXD串行口输入端11TXD串行口输出端IIC通信2SCL串行时钟线3SDA串行数据线SPI总线6MOSI主机输出/从机输入信号7MISO主机输入/从机输出信号8SCK串行时钟中断12INT0外部中断013INT1外部中断1定时器14T0定时器015T1定时器1STC89C58RC的外围资源（如图2）图2 单片机的外围资源芯片选择方案：STC89C52芯片：低功耗、价格低、抗干扰强、宽电压、8K的flash、2K的E2PROMSTC89C58芯片：低功耗、价格低、抗干扰强、宽电压、32K的flash、16K的E2PROM选择STC89C58的原因：由于控制器采用无字库液晶屏显示工作状态，程序编译完成后，生成的hex文件为24.9K。很显然8K的falsh满足不了要求，故选择STC89C58单片机的结构单元一个完整的单片机系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分。硬件是组成单片机系统的物理实体；软件则是对硬件使用和管理的程序。单片机系统的硬件由单片机芯片和外部设备组成。而单片机芯片则包含微处理器（CPU）、存储器（存放程序指令或数据的ROM、RAM等）,输入/输出（I/O口）及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等，他们通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）连接起来，(如图3)图3 单片机结构单元指令系统简介计算机的指令系统是表征计算机性能的重要标志。80C51指令系统采用汇编语言指令，共有42种助记符来表示33种指令功能。这些助记符与操作数各种寻址方式相结合，共生成111条指令。按指令字节长度分，以字节指令49条，2字节指令47条，3字节指令15条。按指令执行时间分，又可分为1机周指令64条，2机周指令45条，4机周指令2条（乘法和除法）。按指令功能分类，可分为数据传送类（29条）、算术运算类（24条）、逻辑运算类（24条）、位操作类（12条）和控制转移类（22条）五大类指令。80C51指令系统具有存储效率高，执行速度快和使用方便灵活的特点。数据传送类指令1. 内RAM数据传送指令2. 16位数据传送指令3. 外RAM传送指令（4条）4. 读ROM指令（2条）5. 堆栈操作指令（2条）6. 交换指令（5条）算数运算类指令1. 加法指令（不带Cy加法指令（4条） 带Cy加法指令（4条） ）2. 减法指令（4条）3. 加1减1指令（加1指令（5条） 减1指令（4条） ）4. BCD码调整指令5. 乘除法指令（乘法指令（1条） 除法指令（1条） ）逻辑运算及移位指令1. 逻辑“与”运算指令（6条）2. 逻辑“或”运算指令（6条）3. 逻辑“异或”运算指令（6条）4. 清零和取反指令5. 循环移位指令（4条）位操作类指令1. 位传送指令（2条）2. 位修正指令（6条）3. 位逻辑运算指令（4条）控制转移类指令1. 无条件转移指令（3条）2. 条件转移指令（13条）3. 调用和返回指令4. 空操作指令PCF8591管脚介绍（如图4）图4 PCF8591引脚图模块引脚号符号功能电源8VSS电源地16VDD电源 接+5V14VREFA/D转换参考电压13AGND模拟地输入输出1-4AIN0-AIN3模拟量输入端15AOUT模拟量输出端地址5-7A0-A2用于硬件地址编程IIC通信9SDAI2C总线数据输入输出10SCLI2C总线时钟输入时钟相关11OSC时钟输入/输出12EXT外部/内部时钟切换注：PCF8591简介PCF8591是8位A/D转换集成块，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。当用5.0V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为19.5mV当用2.5V基准电压8位A/D时，能分辨的最小电压为9.8mV采样时，先经运放、放大查分信号，再将放大后的信号传送给A/D芯片进一步提高A/D采样的精度。所以用8位A/D也能达到很高的精度。电路结构框图（如图5）图5 电路结构框图本电路包括六个模块模块一：独立键盘模块，通过P1.3-P1.6检测键盘，键盘用来进行人机界面操作。模块二：程序下载模块，使用MAX232芯片，使电路在TTL/CMOS之间转换。通过串口通信向单片机下载程序模块三：电源模块，使用7805稳压，产生5V电源，给单片机和周围芯片供电，稳定可靠。使用TL431稳出2.5V电压，给A/D转换芯片2.5V的基准电压。模块四：A/D转换模块，使用PCF8591，通过IIC协议，直接读取采样的电压值。模块五：液晶LCD12864模块，使用P0口作为数字端口。P2.4、P2.5、P2.6作为控制端口，显示操作状态。模块六：单片机模块，采用STC89C58RC单片机作为控制器。电路原理图（如图6）图6 电路原理图PCB板图（如图7）图7 PCB板图PCB板图说明此PCB板为双层板，元件布局紧凑合理。板上有三处测试点1， 晶振Y1右侧，用于测试单片机是否工作2， USB接口J3上侧为5V电源测试点，用于测试5V供电3， 稳压管Q1的上侧为A/D基准电压测试点，电压为2.5V本控制器所实现的功能可以测量0-2M的电阻，达到1%精度， LCD显示测试结果，带有温度补偿功能。设计亮点： 1，使用LCD12864显示测得电阻值 2，使用独立键盘实现控制3，人机界面操作简单方便4，可开关式温度补偿功能5，使用存储器记忆上次设置参数菜单说明（如图8）图8 菜单说明键盘定义（如图9）图9 键盘定义（图中红色字体为键盘功能）PROTUES仿真（如图 10）图10 仿真图Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验，这也是其它任何仿真软件无力所及的。例如，其支持单片机和周边设备，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。器件建模及仿真；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器原理及制造仿真。 器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）； 数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）； FPGA器件。本次仿真用到单片机、步进电机、LCD等元件，故选PROTUES作为仿真软件。软件部分/*主程序 main.c*/#include <reg52.h> /单片机端口定义#include "IIC.h" /调用IIC通信协议#include "AT24C02.h" /调用存储器#include "HZ.h" /调用汉字库#include "LCD12864.h" /调用液晶显示#include "Delay.h " /调用延时#include "DS18B20.h" /测温程序#include "Menu.h" /调用菜单#include "PCF8591.h" /调用A/D模块#include "KeyBoard.h" /调用键盘unsigned char wang4=0x00,0x02,0x00,0x00;void main()menu1();menu2();WP=0;WrToROM(wang,4,4);key1();/*IIC通信 IIC.h*/#include <intrins.h> sbit Scl=P11;sbit Sda=P12;void Start(void) Sda=1;_nop_();_nop_(); Scl=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Sda=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Scl=0;void Stop(void) Sda=0; _nop_(); Scl=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Sda=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Scl=0;void Ack(void) Sda=0;_nop_();_nop_();_nop_();Scl=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();Scl=0;_nop_();_nop_();void NoAck(void) Sda=1;_nop_();_nop_();_nop_(); Scl=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Scl=0;_nop_();_nop_();void Send(unsigned char Data) unsigned char BitCounter=8; unsigned char temp; do temp=Data; Scl=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(temp&0x80)=0x80) Sda=1; else Sda=0;Scl=1;temp=Data<<1;Data=temp;BitCounter-; while(BitCounter); Scl=0;unsigned char Read(void) unsigned char temp=0; unsigned char temp1=0; unsigned char BitCounter=8; Sda=1; do Scl=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); Scl=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(Sda) temp=temp|0x01; else temp=temp&0xfe; if(BitCounter-1) temp1=temp<<1; temp=temp1; BitCounter-;while(BitCounter);return(temp);/*存储器模块 at24c02.h*/#include <intrins.h> #define AddWr 0xae /写数据地址0xae#define AddRd 0xaf /读数据地址 0xafsbit WP=P13; /写保护，这里不使用void mDelay(unsigned char j)unsigned int i;for(;j>0;j-)for(i=0;i<125;i+);void WrToROM(unsigned char Data,unsigned char Address,unsigned char Num) unsigned char i; unsigned char *PData; PData=Data; for(i=0;i<Num;i+) Start(); Send(AddWr); /写入芯片地址 Ack(); Send(Address+i);/写入存储地址 Ack(); Send(*(PData+i);/写数据 Ack(); Stop(); mDelay(20); void RdFromROM(unsigned char Data,unsigned char Address,unsigned char Num) unsigned char i; unsigned char *PData; PData=Data; for(i=0;i<Num;i+) Start(); /写入芯片地址 Send(AddWr); Ack(); Send(Address+i);/写入存储地址 Ack(); Start(); Send(AddRd); /读入地址 Ack(); *(PData+i)=Read();/读数据 Scl=0; NoAck(); Stop(); /*自定义汉字库 HZ.h*/unsigned char code hz132=0x14,0x24,0x44,0x84,0x64,0x1C,0x20,0x18,0x0F,0xE8,0x08,0x08,0x28,0x18,0x08,0x00,0x20,0x10,0x4C,0x43,0x43,0x2C,0x20,0x10,0x0C,0x03,0x06,0x18,0x30,0x60,0x20,0x00,; /欢unsigned char code hz232=0x40,0x41,0xCE,0x04,0x00,0xFC,0x04,0x02,0x02,0xFC,0x04,0x04,0x04,0xFC,0x00,0x00,0x40,0x20,0x1F,0x20,0x40,0x47,0x42,0x41,0x40,0x5F,0x40,0x42,0x44,0x43,0x40,0x00,; /迎unsigned char code hz332=0x20,0x10,0x8,0xfe,0x1,0x4,0xf4,0x94,0x94,0xff,0x94,0x94,0xf4,0x4,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x7f,0x0,0x42,0x24,0x18,0x8,0x17,0x10,0x20,0x20,0x40,0x80,0x0,; /使unsigned char code hz432=0x0,0x0,0x0,0xfe,0x2,0x22,0x22,0x22,0xfa,0x22,0x22,0x22,0x2,0xfe,0x0,0x0,0x80,0x60,0x18,0x7,0x0,0x1,0x41,0x31,0xf,0x1,0x1,0x41,0x80,0x7f,0x0,0x0,; /用unsigned char code empty32=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x0,0x0,0x0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x0,0x00,0x0,0x00,0x00,0x0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,; /EMPTYunsigned char code hz532=0x0,0x0,0xfc,0x4,0x84,0x84,0x84,0x4,0x0,0x8,0x8,0xfc,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x31,0x41,0x40,0x40,0x40,0x21,0x1e,0x40,0x40,0x7f,0x40,0x40,0x0,0x0,; /51unsigned char code hz632=0x0,0x0,0x0,0xf9,0x2e,0x2a,0x28,0xf8,0x28,0x2c,0x2b,0xfa,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x8,0x8,0xb,0x9,0x9,0x9,0xff,0x9,0x9,0x9,0xb,0x8,0x8,0x0,0x0,; /单unsigned char code hz732=0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0xfe,0x88,0x88,0x88,0x8f,0x88,0x88,0xc,0x8,0x0,0x0,0x0,0x0,0x40,0x20,0x18,0x7,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x7f,0x0,0x0,0x0,0x0,; 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