嵌入式設計]基于單片機的磁場測量儀設計-畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 轉換器也有很多，多用于更高精度的場合，比如 AD976A 就是美國模擬器件公司的一款 16 位的 A/D 轉換器，其主要用于導航系統的信號轉換。 對于乙醇傳感器的檢測只要有 10 位的轉換結果就已經足夠，所以直接采用PIC 單片機內部集成的轉換器，不但方便而且不會浪費資源 。 顯示方案 方案一 ：采用點陣式數碼管顯示。點陣式數碼管是由八行八列的發光二極管組成，對于顯示文字比較適合 ,而在本課題設計中只顯示數字，不需要顯示字符。顯示數字不需要那么多的數碼管，所以這種方案是很浪費能源的，不符合現代的節能理念，所以不用此種作為顯示 方案二 ：采用多位七段 LED 數碼管顯示，七段 LED 數碼管只需要 4 位數碼管就 能很好的顯示轉換后的 10 位數字量，使用單片機的端口少，編程控制方便，當需要更換更高精度的傳感器的時候只要添加相應的數碼管即可，易于電路的擴展。數碼管用于顯示數字量是很直觀和方便的，硬件也易于實現。 本科畢業論文 6 通過比較，選擇多位七段 LED 數碼管作為顯示元器件。 編程語言選擇方案 方案一：采用匯編語言。匯編語言 (Assembly Language)是一種面向機器的程序設計語言。匯編語言又被稱為符號語言。在匯編語中，用助記符 (Memoni)代替操作碼，用地址符號 (Symbol)或標號 (Label)代替地址碼。 這樣用符號代替機器語言的二進制碼，就把機器語言變成了匯編語言。匯編語言需要翻譯成機器語言后，才能被機器識別。它的優點是能夠直接訪問與硬件相關的存儲器或 I/O端口，對生成的二進制代碼進行完全的控制，不會因為受到編譯器的限制而出現問題，能夠對關鍵代碼進行十分準確的控制，避免因線程共同訪問或者硬件設備共享從而引起死鎖，能夠根據特定的應用對代碼做最佳的優化，提高運行速度，能夠最大限度地發揮硬件的功能。缺點是編寫的代碼非常難懂，維護困難，十分容易產生 bug，不方便調試，并且只能針對特定的體系結構和處理器進行優化，開發 效率很低。 方案二：采用 C語言。 C語言是 Combined Language（組合語言）的中英混合簡稱。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統設計語言，編寫系統應用程序，也可以作為應用程序設計語言，最大的特點是編寫不依賴計算機硬件的應用程序。因此，它的應用范圍非常廣泛，不僅僅是在軟件開發這一方向，也用在機器開發的方向上，而且各類科研都需要用到 C語言，具體應用比如單片機以及嵌入式系統開發。與匯編語言相比，它更容易讓人理解，編寫速度快，兼容性好，應用方便。 通過以上比較，最終本設 計采用了單片機自帶的 CCP捕捉模塊，四位七段數碼管顯示， C語言編程的方案。 通過以上介紹和比較，本設計采用單片機內部集成的 A/D轉換器的功能，并用霍兒傳感器， 4位七段 LED數碼管作為顯示元器件， C語言編程的方案。 本科畢業論文 7 總體設計 本設計根據霍爾效應原理， 以單片機作為主控核心，霍爾傳感器作為檢測器件，數碼管等硬件電路，利用軟件實現磁場強度的采集和濃度的顯示，具有將檢測到的磁場強度進行 A/D 轉換，最后通過四位七段數 碼管進行輸出顯示。重點：搭建單片機及外圍電路，用 C 語言程序實現 A/D 轉換設計要求： MPLAB 軟件編程、 PROTEL 99 SE 繪制原理圖和 PCB 板的設計、制作。 主要分為三個模塊：霍爾傳感器模塊、主控模塊、顯示模塊。 圖 系統的模塊圖 芯片選擇設計 本論文主要采用 PIC16F877 單片機， PIC16F877 是一款低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，采用精簡指令集、哈佛總線結構、流水線 取指的方式，抗干擾能力強，性價比很高，內部集成 8k 字節可反復擦寫的 Flash、 只讀存儲器容量 8k字， 2K 為一頁（ Page），共有 4 頁；文件寄存器 RAM 總共有 512 個字節（ 00fh~1FFh），分4 個 bank，每個 bank 128 字節。每個 bank 的前半段都有特殊用途，即前半部分是特殊寄存器，后半部分是通用寄存器。器件采用高密度、非易失性存儲的技術，能與其他兄弟芯片很好的兼容。他的功能強大，能用于許多復雜的控制系統中。PIC16F877 單片機采用 40 引腳 雙列直插 DPIP 封裝形式，其中有 5 個 I/O 端口，分別為 RA、 RB、 RC、 RD、 RE，每個 I/O 都有第二甚至第三功能復用，這大大提高了單片機的功能集成。 PIC16F877 的 PDIP 管腳封裝如圖 所示： 霍爾感器模塊 主控模塊 數碼管顯示模塊 本科畢業論文 8 圖 PIC16F877 的 PDIP 管腳封裝 PIC16F877 的核心區域是唯一而不可缺少，其核心模塊中最經常用到的是工作寄存器 W， W 寄存器是一個很重要的工作寄存器，許多指令都把它作為操作過程的中轉站。狀態寄存器 STATUS 能及時的反映運算結果的一些算術狀 態，比如是否產生進位、借位、全零等； PIC 的 RAM 寄存器是比其他的單片機更要強大許多的數據存儲器，除了具備普通的存儲功能外，還能實現移位、置位、清零、位測試等一系列（只有“寄存器”才能實現的）復雜的操作。 PIC16F877 除了CPU、 POM、 RAM、 I/O 等基本構造外 ， 還 包括以下各種功能模塊 （ 內部功能結構圖如圖 所示），各個簡介如下： (1)A/D 轉換器：具有 8 輸入通道和 10 位分辨率的模數轉換器，用來將外部的模你物理量變換為單片機內部處理的數字量； (2)捕捉 /比較 /脈沖調制 CCP1 和 CCP2：內部包含兩個幾乎完全相同的 CCP 模塊，與 TMR1 和 TMR2 配合可以實現輸入捕捉、輸出比較 /脈寬調制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測量信號的周期、頻率、脈寬等；輸出比較可用于產生脈寬不同的正、負方波脈沖信號，以驅動可控硅、繼電器等；脈寬調制輸出功能用來產生周期和脈寬可調的周期性方波信號，以驅動可控硅、步進電機等； (3)定時器 TMR0， TMR1， TMR2 都是可編程的定時器：其中 TMR0 和 TMR2 是8 位寬、 TMR1 是 16 位寬的。同時 TMR0 和 TMR1 可作為計數器， TMR2 不能作為計數器但和 TMR1 一樣，可與 CCP 模塊配合實現捕捉和比較功能； 本科畢業論文 9 (4)通用同步 /異步收發器 UASRT 模塊：用于實現二線式串行通信，可以定義為兩種方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式； 圖 PIC16F877 內部功能結構圖 (5)主同步串行端口 MSSP：具有 SPI 和 ２Ｉ Ｃ 兩種工作模式，用來與具有 SPI 和 ２Ｉ Ｃ串行端口的外接器件或者其他單片機進行通信； (6)EEPROM 數據存儲器模塊： 是 2568 的電可擦寫的存儲器，存儲的內容掉電也不會丟失； (7)并行從動端口 PSP 模塊：可用來與其他具有開放總線的單片機、數字信號處理器或者和微處理器的并行數據總線連接，進行高速的數據傳輸和交換。并行數據總線的控制權由與 PIC 單片機通信的另一方掌控，因此，稱其為并行從動端口。 主控電路模塊設計 本科畢業論文 10 主控模塊可采用數字電路實現，也可采用單片機來完成。采用數字電路的方案，則設計出來的電路十分復雜，需要十幾片數字集成塊，功能主要依賴數字電路的各功能模塊的相互組合來實現。而采用單片機的方案，由于單片機的功能主要通過軟件編程來實現，這樣就降低了硬件電路的復雜性，有利于更多功能的升級與增加。本課題設計的是一個基礎的 A/D 程序，額外的功能是 A/D 轉換結果的十進制數值顯示，通過分析研究，只要用一般的單片機就可以滿足，因此我選用了性價比相對較高、編程控制簡單、可重復擦寫的 PIC16F877 單片機。 單片機的最小系統是指能讓單片機正常運行的最基本的硬件電路，主要由電源電路、單片機、時鐘電路、復位電路、輸入測量電路、輸出控制電路 6 個部分組成。單片機最小系統所需的外圍元器件主要有電源、單片機、時鐘電路和復位電路構成。而輸入 /輸出部分對不同的應用有不同的要求，比如本設計就是使用的是模擬量輸入端口 RA 口 和數碼管輸出控制端口 RC 和 RD。下面分別介紹各個組成部分： (1)電源引腳 (VDD， 32 號引腳，電源端； VSS， 31 號引腳，接地端 )， PIC16F877 單片機的輸入電源要求的是 +5V的直流電源； (2)時鐘電路，單片機要工作就必須供給一個時鐘，單片機按照時鐘的節拍一步一步的執行程序。外接晶振引腳（ XTAL1，引腳 13 號（ OSC1/CLKIN）和 XTAL2，引腳 14 號（ OSC2/CLKOUT） ）。 圖 晶振連接的內，外部方式圖 對于這樣的系統時鐘，在 PIC 的單片機上有多種不同的配置方式，如表 1 所示， 表 1 PIC 單片機晶振配置方式 振蕩模式 增益量 適用器件 參考晶振頻率范圍 LP 低功耗設計用 低頻晶體（ ） 200KHz XT 適中 晶體 /陶瓷諧振器 100KHz～ 4MHz HS 最高 高速晶體 /陶瓷諧振器 2MHz 本科畢業論文 11 RC — RC 振蕩電路 4MHz 對于本設計我們采用的是 XT 4MHz 晶振模式，即在單片機引腳 OSC1/CLKIN 和OSC2/CLKOUT 的兩端接入一個 4MHz 的晶體振蕩器。 (3)復位電路（引腳 Ｐ ＰＭ Ｃ Ｌ Ｒ ／ Ｖ (1 號引腳 )）， PIC16F87X 單片機的復位功能設計的很完善，實現復位或者說是引起復位的條件和原因可以總結為 4 類：人工復位、上電復 位、看門狗復位和欠壓復位。片內包含了完整的上電復位電路，但為了保證工作過程中有穩定的 +5V電壓源、晶振起振等參數，我們需要在單片機的主復位引腳 Ｐ ＰＭ Ｃ Ｌ Ｒ ／ Ｖ 上增加電容，但單獨增加電容會影響 Ｐ ＰＭ Ｃ Ｌ Ｒ ／ Ｖ 在作為編程電壓時的變化率，所以加入隔離電阻 R2，防止電容 C6 影響 VPP的上升速率，同時也隔斷了在線編程時 VPP 對電路其他部分的影響。為了便于調試，還可以加入手動復位按鈕。 圖 復位電路 (4)輸入 /輸出 I/O 引腳， I/O 引腳是單片機內部電路與外部世界交換信息的通道。 表 2 RA端口的功能以及復用功能簡介 引腳名稱 引腳序號 引腳類型 功能說明 RA0/AN0 2 I/O RA0 還是第 0 路模擬信號輸入端 RA1/AN1 3 I/O RA1 還是第 1 路模擬信號輸入端 RA2/AN2/ VREFˉ 4 I/O RA2 還是第 2 路模擬信號輸入端和負參考電壓端 RA3/AN3/ VREF＋ 5 I/O RA3 還是第 3 路模擬信號輸入端和正參考電壓端 RA4/T0CKI 6 I/O RA4 還是定時器 0 的時鐘輸入端 RA5/AN4/SSˉ 7 I/O RA5 還是第 4 路模擬信號輸入端以本科畢業論文 12 及同步串口選擇端 輸入端負責從外界接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關量信號。輸出端口負責向外輸送由內部電路產生的處理結果、顯示信息、控制命令、驅動信號等。 PIC16F877單片機是 8 位 CPU單片機，所以每個端口有不超過 8 根的端口引腳構成，每個端口均支持單獨編程控制。端口不僅僅是作為一般的 I/O 數據端口，在 PIC16F877單片機中這些端口還有第二功能，甚至是第三功能的復用。比如端口 RA，不僅可用作普通 的 I/O 端口，還可以作為檢測外部電路的模擬信號的輸入端口；具有第三功能的端口如：端口引腳 RC4 既可用作普通的 I/O 端口，又可以作為 SPI 串行通信模式的數據輸入端口，還可以作為 ２Ｉ Ｃ 串行通信模式的數據雙向傳送端。及三種功能于一腳，這樣可以給用戶開發不同的具體項目帶來極大的靈活性和便利。 RA 和 RC 功能復用如表 2 和表 3： 表 3 RC 端口的功能以及復用功能簡介 引腳名稱 引腳序號 引腳類型 功能說明 RC0/T1OS0/T1CKI 15 I/O RC0 還可作為定 時器 1 的振蕩器輸入端和時鐘輸出端 RC1/TIOS1/CCP2 16 I/O RC1 還可作為定時器 1 的振蕩器輸出端或捕捉器 2 輸入端或比較器 2 輸 出 端 或脈 寬 調 制 器PWM2 的輸出端 RC2/CCP1 17 I/O RC2 還用于捕捉器 1 輸入端或比較器 1 輸出端或脈寬調制器PWM1 的輸出端 RC3/SCK/SCL 18 I/O RC3 還可作為 SPI 和 2I C 串口的同步時鐘輸入 /輸出端 RC4/SDI/SDA 23 I/O RC4 還可作為 SPI串口的數據輸入 端和 2I C 串口的數據輸入 /輸出端 RC5/SDO 24 I/O RC5 還可作為 SPI 串口的數據輸出端 RC6/TX/CK 25 I/O RC6 還可作為通用同步 /異步收發器 USART 的全雙工異步發送腳或半雙工同步