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磁场测试仪的设计 单片机.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    磁 场 测 试 仪 的 设 计 一 、 功 能 要 求 ： 这 次 课 程 设 计 的 要 求 是 设 计 一 测 试 仪 器 ，使 它 能 够 测 试 出 磁 场 的 强 度 大 小 并 且 可 以 分 辨 出 其 磁 场 极 性 （ 南 北 极 ）。 首 先 要 用 霍 尔 元 件 将 磁 场 转 换 为 电 压 ， 再 通 过 P89C51 和 ADC0809 进 行 A/D 转 换 ， 将 转 换 后 的 结 果 用 两 个 数 码 管 来 显 示 ，从 而 可 以 知 道 其 磁 场 强 度 ，最 后 通 过 红 绿 灯 来 分 辨 出 S/N 极 。 二 、 方 案 论 证 ： 设 计 思 想 就 是 通 过 霍 尔 元 件 把 磁 场 强 度 转 换 为 模 拟 电 压 量 ，然 后 经 过 通 道 IN0 输 出 给 模 数 转 换 器 ADC0809 ， 经 过 模 数 转 换 器 ADC080 9 把 模 拟 电 压 量 转 换 成 数 字 量 ， 将 ADC0809 的 输 出 接 到 单 片 机 P89C51 的 P0 口 ， 经 过 软 件 编 程 来 实 现 把 输 出 的 十 六 进 制 数 字 量 换 算 成 十 进 制 数 字 量 ， 再 由 P1、 P2 口 输 出 结 果 ， 具 体 的 是 P1 口 显 示 十 位 数 字 ， P2 口 显 示 个 位 数 字 。 霍 尔 元 件 是 一 种 可 以 把 磁 场 转 换 为 电 压 的 元 件 ，我 们 要 测 磁 场 的 强 度 ，可 以 通 过 测 电 压 来 达 到 目 的 。通 过 霍 尔 元 件 把 磁 场 转 换 为 电 压 ， 这 是 第 一 步 。第 二 步 利 用 模 数 转 换 器 ADC0809 把 模 拟 量 的 电 压 转 换 为 数 字 量 。我 们 选 用 的 是 ADC0809 模 数 转 换 器 的 IN0 通 道 ，也 就 是 说 电 压 模 拟 量 从 通 道 IN0 输 入 。 第 三 步 从 模 数 转 换 器 的 D0—D7 端 输 出 至 P89C51 的 P0 口 。 第 四 步 对 P89C51 进 行 编 程 使 得 转 换 后 的 电 压 以 十 进 制 形 式 由 P1 、P2 口 输 出 。第 五 步 P1 、P2 口 分 别 接 到 数 码 管 上 ，一 个 用 来 显 示 十 位 ， 另 一 个 用 来 显 示 个 位 结 果 。 第 六 步 分 辨 磁 场 的 S/N 极 ， 利 用 ADC0809 的 输 出 端 最 高 位 D7 的 高 低 电 平 来 控 制 红 绿 灯 的 亮 灭 ， 当 为 高 电 平 时 是 N 极 ， 反 之 则 为 S 极 。 方 案 总 体 思 路 图 ：
    三 、 系 统 硬 件 电 路 的 设 计 ： 1、 P89C51 单 片 机 模 块 ： （ 1） RST：复位输入。 P89C51 的 时 钟 有 两 种 产 生 方 式 ， 分 别 为 外 部 时 钟 方 式 与 内 部 时 钟 方 式 .我 们 选 用 的 为 内 部 时 钟 方 式 ，只 需 在 单 片 机 的 XTAL 1 和 XYAL 2 引 脚 外 接 晶 振 ，就 可 以 构 成 自 激 振 荡 器 并 在 单 片 机 内 部 产 生 时 钟 脉 冲 信 号 。 下 图 中 电 容 的 作 用 就 是 稳 定 频 率 和 快 速 起 振 ， 电 容 值 为 30PF ， 晶 振 的 振 荡 频 率 为 12MHz 。 （ 2） XTAL1：反 向 振 荡 放 大 器 的 输 入 及 内 部 时 钟 工 作 电 路 的 输 XTAL2：来 自 反 向 振 荡 器 的 输 出 。 在 实 际 应 用 中 ,复 位 操 作 采 用 两 种 形 式 ， 分 别 是 上 电 复 位 和 上 电 与 按 键 均 有 效 的 复 位 。单 片 机 要 进 行 复 位 其 引 脚 RST 需 接 高 电 平 并 保
    持 2 个 机 器 周 期 。我 们 选 择 的 是 上 电 与 按 键 均 有 效 的 复 位 ，它 在 实 验 过 程 中 的 任 何 时 刻 都 可 以 复 位 ，虽 然 上 电 复 位 也 可 以 ，但 是 频 繁 的 开 关 电 源 ，有 可 能 会 使 电 流 过 大 而 烧 坏 元 器 件 。单 片 机 的 复 位 操 作 可 以 使 单 片 机 进 入 初 始 化 状 态 。 复 位 后 ， PC 内 容 为 0000H,P0-P3 口 的 内 容 为 FFH,SP 内 容 为 07H ，SBUF 内 容 不 定 ，IP、IE 、和 PCON 的 有 效 位 为 0， 其 余 的 特 殊 功 能 寄 存 器 的 状 态 均 为 00H 。 上 电 与 按 键 均 有 效 的 复 位 的 电 路 如 下 : （ 3） 单片机的并行口结构： P89C51 单 片 机 有 4 个 8 位 的 并 行 I/O 口 （ P0 、 P1、 P2 、 P3 ）。 各 口 均 由 锁 存 器 、输 出 驱 动 器 和 输 入 缓 冲 器 组 成 。各 口 可 以 作 为 字 节 输 入 /输 出 线 。 各 口 编 址 于 特 殊 功 能 寄 存 器 中 ， 既 有 字 节 地 址 又 有 位 地 址 。对 口 锁 存 器 的 读 写 ，就 可 以 实 现 口 的 输 入 /输 出 操 作 。其 中 P1 口 是 唯 一 的 单 功 能 口 ， 仅 仅 能 用 作 通 用 的 数 据 输 入 /输 出 口 。 P3 口 是 双 功 能 口 ， 除 具 有 数 据 输 入 /输 出 口 外 ， 每 一 条 接 口 线 还 具 有 不 同 的 第 二 功 能 ， 如 P3.0 是 串 行 输 入 口 线 ， P3.1 是 串 行 输 出 口 线 。 在 需 要 外 部 程 序 存 储 器 和 数 据 存 储 器 扩 展 的 时 ， P0 口 作 为 分 时 复 用 的 低 8 位 地 址 /数 据 总 线 ， P2 口 作 为 高 8 位 地 址 总 线 。 不 需 要 对 外 部 程 序 存 储
    器 和 数 据 存 储 器 扩 展 时 P0、 P2 口 作 为 通 用 的 输 入 输 出 口 。 总 结 如 下 ： P0 口 ： 一 般 I/O 口 引 脚 或 数 据 /低 位 地 址 总 线 复 用 引 脚 ; P1 口 ： 一 般 I/O 口 引 脚 ; P2 口 ： 一 般 I/O 口 引 脚 或 高 位 地 址 总 线 引 脚 ； P3 口 ： 一 般 I/O 口 引 脚 或 第 二 功 能 引 脚 ； 我 们 选 用 P0 口 作 为 模 数 转 换 的 数 字 量 输 入 ，P1 口 的 P1.0-P1.6 和 P2 口 的 P2.0-P2.6 分 别 用 作 十 位 和 个 位 的 输 出 ， P3.0 口 用 来 控 制 启 动 A/D 转 换 器 的 控 制 信 号 输 入 端 START ，一 般 该 端 口 应 输 入 一 个 正 脉 冲 ， 将 内 部 逐 次 逼 近 寄 存 器 复 位 ，下 降 沿 后 开 始 A/ D 转 换 。P1. 7 接 ADC080 9 的 CLOCK 引 脚 ， 则 能 够 给 转 换 器 ADC0809 提 供 定 时 时 钟 信 号 。 P89C51 引 脚 图 : 2、 ADC0809 ADC0809 是 带 有 8 位 A/D 转 换 器 、 8 个 多 路 开 关 以 及 微 处 理 机 兼 容 的 控 制 逻 辑 的 CMOS 组 件 。 它 是 逐 次 逼 近 式 A/D 转 换 器 ， 可 以 和 单
    片 机 直 接 接 口 . （ 1） ADC0809 的 内 部 逻 辑 结 构 ADC0809 由 一 个 8 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 。 多 路 开 关 可 选 通 8 个 模 拟 通 道 ， 允 许 8 路 模 拟 量 分 时 输 入 ，共 用 A/D 转 换 器 进 行 转 换 。三 态 输 出 锁 器 用 于 锁 存 A/D 转 换 完 的 数 字 量 ， 当 OE 端 为 高 电 平 时 ， 才 可 以 从 三 态 输 出 锁 存 器 取 走 转 换 完 的 数 据 。 （ 2） ADC0809 的 主 要 性 能 ： 分 辨 率 为 8 位 ；精 度 小 于 正 负 1LSB ；具 有 锁 存 控 制 的 8 路 输 入 模 拟 开 关 ；可 锁 存 三 态 输 出 ，且 输 出 与 TTL 电 平 兼 容 ；不 必 进 行 零 点 和 满 度 调 整 ； 功 耗 为 15MW ； 转 换 速 度 取 决 于 芯 片 外 接 的 时 钟 频 率 ， 时 钟 频 率 范 围 ： 10～ 1280KHZ 。 典 型 值 为 时 钟 频 率 640KHZ ， 转 换 时 间 约 为 100US. （ 3） 引 脚 结 构 a)IN0 － IN7 ： 8 条 模 拟 量 输 入 通 道 ADC0809 对 输 入 模 拟 量 要 求 ： 单 极 性 信 号 ， 电 压 范 围 是 0－ 5V ， 如 果 信 号 幅 度 太 小 ，必 须 先 进 行 放 大 ，在 转 换 。输 入 的 模 拟 量 在 转 换 过 程 中 应 该 保 持 不 变 ，如 若 模 拟 信 号 变 化 频 率 较 高 而 ADC0809 转 换 速
    度 又 不 高 ， 或 要 求 采 样 多 个 过 程 参 量 ， 才 需 要 设 置 采 样 保 持 电 路 。 b) 地 址 输 入 与 控 制 线 ： 4 条 ALE 为 地 址 锁 存 允 许 输 入 线 。 通 常 向 此 引 脚 输 入 一 个 正 脉 冲 时 ， 可 将 3 位 地 址 选 择 信 号 A、B、C 锁 存 于 地 址 寄 存 器 内 并 进 行 译 码 ，选 通 相 应 的 模 拟 输 入 通 道 。 A，B 和 C 为 地 址 输 入 线 ，用 于 选 通 IN0 － IN7 上 的 一 路 模 拟 量 输 入 。 通 道 选 择 表 如 下 表 所 示 。 C B A 选 择 的 通 道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 c) 数 字 量 输 出 及 控 制 线 ： 11 条 START 为 启 动 ADC0809 转 换 控 制 信 号 输 入 端 。 当 START 为 上 升 沿 时 ， 将 复 位 内 部 逐 次 逼 近 寄 存 器 ， 下 降 沿 时 ， 开 始 进 行 A/D 转 换 。 在 转 换 期 间 ， START 应 保 持 低 电 平 。 EOC 为 转 换 结 束 信 号 输 出 端 。 当 EOC 为 高 电 平 时 ， 表 明 转 换 结 束 。 否 则 ， 表 明 正 在 进 行 A/D 转 换 。 OE 为 输 出 允 许 控 制 端 ， 控 制 输 出 锁 存 器 的 三 态 门 。 当 OE 为 高 电 平 时 ， 转 换 结 果 数 据 出 现 在 D7 ～ D0 引 脚 。 当 OE 为 低 电 平 时 ， D7 ～ D0 引 脚 对 外 呈 高 阻 状 态 。 d)CLK 为 时 钟 输 入 信 号 线 。 因 ADC0809 的 内 部 没 有 时 钟 电 路 ， 所 需 时 钟 信 号 必 须 由 外 界 提
    供 ， 通 常 使 用 频 率 为 500KHZ ， VREF（ ＋ ）， VREF（ － ） 为 参 考 电 压 输 入 。 通 常 VREF （ ＋ ） 为 +5V, VREF （ － ） 为 -5V. （ 3） ADC0809 应 用 说 明 a． ADC0809 内 部 带 有 输 出 锁 存 器 ，可 以 与 P89C51 单 片 机 直 接 相 连 。 b． 初 始 化 时 ， 使 START 和 OE 信 号 全 为 低 电 平 。 c． 送 要 转 换 的 哪 一 通 道 的 地 址 到 A， B， C 端 口 上 。 d． 在 START 端 给 出 一 个 至 少 有 100ns 宽 的 正 脉 冲 信 号 。 e． 是 否 转 换 完 毕 ， 我 们 根 据 EOC 信 号 来 判 断 。 我 们 选 用 的 是 ADC0809 模 数 转 换 器 八 个 通 道 的 一 个 通 道 ﹙ IN0), 它 的 地 址 为 000. 即 就 是 ABC 均 为 低 电 平 ,这 样 就 可 以 选 通 IN0 通 道 。 输 出 D7 ～ D0 接 P89C51 的 P0 口 。 3、 指 示 南 北 极 的 模 块 ： 把 指 示 磁 场 S/N 的 红 绿 灯 都 接 到 ADC0809 的 D7 输 出 端 。 一 个 直 接 接 到 D7 端 ， 另 一 个 通 过 反 相 器 后 接 到 D7 端 。 当 D7 端 的 输 出 有 高 低 变 化 时 ， 总 有 一 个 灯 亮 ， 从 而 可 以 指 示 出 南 北 极 。 4、 反 相 器 74LS04 ： 74LS04 是 由 6 组 非 门 (反 相 器 )组 成 。 它 的 工 作 电 压 为 +5V ， 它 内 部 含 有 6 个 coms 反 相 器 。74LS04 的 作 用 就 是 反 相（ 1 变 成 0，或 0 变 成 1）。 5、 七 段 数 码 管 ： 数 码 管 分 为 共 阳 极 和 共 阴 极 ，共 阴 极 时 输 出 高 电 平 就 会 亮 ，共 阳 极 时 输 出 低 电 平 就 会 亮 。LED 数 码 管 中 各 段 发 光 二 极 管 的 伏 安 特 性 和 普 通 二 极 管 类 似 ，只 是 正 向 压 降 较 大 ，正 向 电 阻 也 较 大 。在 一 定 范 围
    内 ，其 正 向 电 流 与 发 光 亮 度 成 正 比 。由 于 常 规 的 数 码 管 起 辉 电 流 只 有 1 ～ 2 mA ， 最 大 极 限 电 流 也 只 有 10 ～ 30 mA ， 所 以 它 的 输 入 端 在 5 V 电 源 或 高 于 TTL 高 电 平 (3.5 V) 的 电 路 信 号 相 接 时 ， 一 定 要 串 加 限 流 电 阻 ， 以 免 损 坏 元 器 件 。 本 次 实 验 用 的 均 为 共 阳 极 数 码 管 。数 码 管 的 发 光 二 极 管 的 阳 极 连 接 在 一 起 ，通 常 此 公 共 阳 极 接 正 电 压 ，当 某 个 发 光 二 极 管 的 阴 极 接 低 电 平 时 ，发 光 二 极 管 被 点 亮 ，相 应 的 字 段 被 显 示 。当 从 P1 口 或 P2 口 输 出 为 低 电 平 时 ，对 应 的 数 码 管 部 分 亮 。两 个 数 码 管 是 用 来 显 示 被 转 换 的 磁 场 的 强 弱 ，我 们 通 过 程 序 把 十 六 进 制 数 转 换 为 十 进 制 后 ，让 数 码 管 显 示 的 为 十 进 制 磁 场 强 弱 的 后 两 位 。 如 何 判 断 数 码 管 为 共 阴 极 还 是 共 阳 极 ， 可 用 以 下 方 法 ： 我 们 需 要 的 元 器 件 是 万 用 表 ，将 旋 钮 打 到 蜂 鸣 档 ，用 红 表 笔 接 触 数 码 管 的 公 共 端 ，用 黑 表 笔 接 触 另 外 的 任 意 引 脚 ，然 后 观 察 数 码 管 对 应 的 小 段 亮 不 亮 ，如 果 亮 的 话 就 说 明 这 个 数 码 管 是 共 阳 极 的 ，否 则 就 是 共 阴 极 的 。 6、 磁 场 转 换 为 电 压 的 部 分 ： 霍 尔 元 件 霍 尔 元 件 常 采 用 锗 、硅 、砷 化 镓 、砷 化 铟 及 锑 化 钢 等 半 导 体 制 作 。 用 锑 化 铟 半 导 体 制 成 的 霍 尔 元 件 灵 敏 度 最 高 ， 但 受 温 度 的 影 响 较 大 。
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