作者：周润景,丁岩
出版社：电子工业出版社
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单片机技术及应用试读：
前言
近年来，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，单片机的应用领域也在不断扩大，已广泛应用于家用电器、办公自动化、智能产品、测控系统、智能接口、工业自动化、汽车电子和航空航天电子系统等领域，涵盖了人们生活的方方面面。因此，掌握单片机电路的设计技术已成为电子技术工程师必备的技能之一。本书以单片机电路的设计、分析和制作为主线，围绕单片机应用中的一些具体实例进行讲解。
本书中的实例都是作者实际科研工作经验的总结，实例的选择经过了多方面的考虑，涵盖51单片机应用的各个方面，每个实例都经作者亲自验证。本书实例都配有汇编语言和C语言的源代码，不仅编程规范，且代码具有良好的可移植性，对单片机系统研发人员有非常大的参考价值，也可以为高等院校相关专业的师生在单片机系统教学实验、课程设计、毕业设计及电子设计竞赛等方面提供帮助。
本书结合EDA开发工具PROTEUS软件及KEIL软件进行单片机电路的软、硬件联调，对电路进行仿真分析，并且可以通过改变元器件的参数使整个电路的性能达到最优化，这样不仅节省时间和经费，也提高了设计的效率和质量。“天下大事，必作于细”。本书是对作者多年实践经验的整理与总结，读者通过对本书的学习，可以借鉴作者的研发思路与实践经验，这无疑就是找到了学习的捷径，可以尽快取得最佳学习效果，减少了不必要的盲目摸索时间。无论是从单片机入门与提高的角度来看，还是从实践性与技术性的角度来看，本书均有可圈可点之处。
本书从实用性角度出发，详细介绍了19个典型项目，包括数字电压表设计、直流电动机控制模块设计、步进电动机控制电路设计、电子密码锁设计、数字时钟电路设计、基于DS18B20的温度测量模块设计、信号发生器设计、基于模糊控制的温度控制电路设计、催眠电路设计、电子治疗仪电路设计、室内天然气泄漏报警装置设计、数控稳压电源设计、转速测量系统设计、电子烟花点火电路设计、乒乓球比赛模拟电路设计、数字频率计设计、多功能万年历设计、交通灯电路设计、函数发生器设计。每个项目均从设计任务、基本要求、模块详解、程序设计、电路原理图、调试与仿真等方面进行详细介绍，方便初学者快速入手，使读者在实践过程中提高自己发现问题、分析问题、解决问题的能力。
本书的内容大多来自作者的科研与实践，有关内容的讲解并没有过多的理论推导，而代之以实用的电路设计，因此实用是本书的一大特点。
本书力求做到精选内容，推陈出新；讲清基本概念、基本电路的工作原理和基本分析方法。本书语言生动精练，内容翔实，并且包含了大量可供参考的实例。
本书由周润景、丁岩编著。其中，丁岩编写项目1，其余项目由周润景编写，全书由周润景教授统稿。另外，参加本书编写的还有谢亚楠、邢婧、陈萌、井探亮、丁岩、张赫、韩亦俍、刘艳珍、刘白灵、王洪艳、张红敏、张丽敏、周敬和宋志清。
由于作者水平有限，书中难免存在一些错误、疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。编著者2017.5项目1 数字电压表设计设计任务
设计一个数字电压表，使其能够测量0～5V直流电压，4位数码显示，精确到0.01V。基本要求
可以将0～5V的模拟电压量转化成数字量，并用4位数码管显示出来，具体原理如下：
利用STC89C52单片机和ADC0808，将模拟量转化为数字量，转化的结果为0～255。
将转化出来的数字量在单片机上进行数据处理，使显示结果为0～5之间的数，并保留两位小数。
使用软件从AT89C52的P2.4端口输出CLK信号供ADC0808使用。
直接使用单片机驱动LED数码管。总体思路
数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表，它显示清楚、直观，读数准确，准确率和分辨率都高。系统组成
数字电压表的系统主要分为4部分。
模拟电压测量部分：为整个电路提供被测的模拟电压0～5V。
模数转换部分：将被测模拟电压转换成数字量来让单片机进行数据处理。
单片机数据处理部分：对转化成的数字量进行译码处理，处理成相应的个位、十位和小数点位。
数码管显示部分：将单片机译码后的数字通过对多位数码管动态扫描显示到数码管上。
整个系统方案的模块框图如图1-1所示。图1-1 模块框图模块详解
1.被测模拟电压电路
模拟电压测量部分由一个阻值为10kΩ的可调电位器和5V电源组成。电位器两端接到5V电源上，这样中间抽头所引出线的电压值为0～5V模拟电压，电路图如图1-2所示。图1-2 模数转换电路
2.模数转换电路
本设计采用的是模拟通道IN0采集模拟量，模拟通道地址选择信号ADDA、ADDB、ADDC都接地，这样地址信号为000选中的转换通道为IN0。地址锁存允许信号ALE为高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。模数转换（以下简称AD转换）启动信号START，正脉冲有效。ALE和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动AD转换。本电路设计的是单极电压输入，所以VREF（+）正参考电压输入端接+5V，用于提供片内DC电阻网络的基准电压。转换结束信号EOC在AD转换过程中为低电平，转换结束时为高电平，与单片机的P2.6口相连，当其转换结束时，单片机读取数字转换结果。输出允许信号OE接单片机的P2.7口，高电平有效。当单片机将P2.7口置1时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。OUT1～OUT7为AD转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和单片机的P1口的数据线连接。模数转换电路见图1-2。
3.单片机电路
单片机电路主要进行内部程序处理，对采集到的数字量进行译码处理。其外围硬件电路包括晶振电路和复位电路。复位电路采用上拉电解电容上电复位电路。本设计采用的是HMOS型MCS-51的振荡电路，当外接晶振时，C1和C2的值通常选择30pF。在设计印制电路板时，晶体和电容应尽可能安装在单片机附近，以减小寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。单片机晶振采用12MHz。图1-3所示为单片机外围电路。图1-3 单片机外围电路
4.数码管显示电路
本设计采用的是4位一体的共阴数码管3461AS，用单片机的P0口驱动数码管的8位段选信号，P2.0～P2.3驱动数码管的4个位选信号。由于数码管是共阴的，所以每个信号都是由程序控制产生高电平来驱动显示电路的。段选口线接10kΩ的上拉电阻保证电路能输出稳定的高电平。整个数码管显示采用多位数码管动态扫描显示的方法。图1-4所示为数码管显示电路。图1-4 数码管显示电路程序设计
数字电压表的程序设计流程图如图1-5所示。图1-5 数字电压表的程序设计流程图电路原理图
数字电压表的整体电路图如图1-6所示。图1-6 数字电压表的整体电路图调试与仿真
图1-7至图1-9是数字电压表仿真运行图。图1-7 输入电压为0V时的仿真运行图
电路仿真结果分析：调节电位器RV1的阻值，使其在0～10kΩ之间变化，可以看到数码管显示的直流电压在0～5V之间，且精确到0.01V，从而完成数字电压表的设计。图1-8 输入电压为2.5V时的仿真运行图图1-9 输入电压为5V时的仿真运行图PCB版图
电路板布线图（PCB版图）如图1-10所示。图1-10 PCB版图实物测试
数字电压表实物图如图1-11所示。图1-11 数字电压表实物图思考与练习（1）为什么P0口要加上拉电阻？
答：因为P0口要驱动共阴数码管，加上拉电阻可以保证电路输出稳定、可靠的高电平。（2）多位数码管动态显示的原理是什么？
答：各个数码管的段码都是由P0口输出的，即各个数码管在每一时刻输入的段码是一样的，为了使其显示不同的数字，可采用动态显示的方法，即先让最低位选通显示，经过一段延时，再让次低位选通显示，再延时，以此类推。由于视觉暂留，只要我们延时的时间足够短，就能使数码管的显示看起来稳定。特别提醒（1）在设计PCB时，晶体和电容应尽可能安装在单片机附近，以减小寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。为了提高稳定性，应采用NPO电容。（2）在调试过程中，如果发现数码管的某些显示位显示不亮或闪烁，可以修改程序中数码显示的延时时间。项目2 直流电动机控制模块设计设计任务
直流电动机的工作原理是给电动机电枢线圈两端通电，通电线圈在磁极的作用下使电动机转子转动。PWM波形可以控制电枢线圈两端电压的导通和关断，从而改变电枢线圈电压的平均值，进而达到改变转速的目的。本设计利用STC89C52单片机对直流电动机进行转速、旋转方向控制。用一单刀双掷开关控制直流电动机的旋转方向，用电位器通过ADC0831将模拟电压量转换为数字值，作为PWM波形的延时常数，从而控制电动机的转速。基本要求
用AT89C51单片机输出占空比固定的PWM波形，通过驱动电路使直流电动机按固定方向和固定转速旋转。
在以上基础上，外接一单刀双掷开关，用单片机判断开关的输入电平，进而控制直流电动机的旋转方向。
在以上基础上，用ADC0831对模拟量进行实时转换，用单片机读取转换值，作为PWM波形的时间常数，用于调节PWM波形的占空比，进而调节电动机的转速。总体思路
本设计主要考虑控制电动机的转速和转动方向。输出占空比可调的PWM波形可以调节单片机的转速，电动机的驱动电路采用差分电路，通过单片机判断开关状态输出不同的电平来控制电动机的转动方向。系统组成
直流电动机调速电路主要分为4个部分。
模拟电压测量部分。该部分为整个电路提供被测的模拟电压0～5V。
模数转换部分。该部分将被测模拟电压转换成数字量来让单片机进行数据处理。
单片机数据处理部分。该部分产生占空比可调的PWM波来驱动电动机。
电动机驱动电路。该部分采用三极管差分电路来驱动电动机。
整个系统方案的模块框图如图2-1所示。图2-1 模块框图模块详解
1.被测模拟电压电路
模拟电压测量部分由一个阻值为10kΩ的可调电位器和5V电源组成。电位器两端接到5V电源上，这样中间抽头所引出线的电压值就为0～5V的模拟电压，电路图如图2-2所示。图2-2 模数转换电路
2.模数转换电路
本设计中所用到的ADC0831为8位串行逐次逼近式AD转换器。ADC0831是具有8位分辨率的AD转换器，它易作为微处理器接口或独立操作。VIN（+）和VIN（-）为差分输入端，正向输入端接5V模拟电压输入，负向输入端接地。VREF为参考电压输入端，和芯片的供电电压一起接5V。数字量输出范围为0～255。时钟信号输入由单片机编程使P2.4口产生脉冲信号，从而使ADC0831正常工作。AD转换数据输出送往单片机的P2.5口进行数据处理。ADC0831的完整工作过程为：首先，将ADC0831的时钟线拉低，再将片选端置低，启动AD转换器；接下来在第一个时钟信号的下降沿到来时，ADC0831的数据输出端被拉低，准备输出转换数据；从时钟信号的第2个下降沿到来开始，ADC0831开始输出转换数据，直到第9个下降沿为止，共8位，输出的顺序为从最高位到最低位。
3.单片机电路
单片机电路主要进行内部程序处理，对采集到的数字量进行译码处理。其外围硬件电路包括晶振电路和复位电路。复位电路采用上拉电解电容上电复位电路。本设计采用的是HMOS型MCS-51的振荡电路，当外接晶振时，C1和C2的值通常选择30pF。在设计印制电路板时，晶体和电容应尽可能安装在单片机附近，以减小寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。单片机晶振采用12MHz。图2-3所示为单片机外围电路。
单片机的外围驱动信号为：单片机的PWM端（P3.7口）输出高out电平，再延时一段时间，延时常数为255-D，再输出低电平，延时out常数为D，通过改变模拟输入电压的大小，就可以改变单片机PWM输出的占空比，从而达到调节电动机转速的目的。
单片机的P3.2口接一单刀双掷开关SW1，在程序运行时查询开关所选通的电平，从而决定电动机的旋转方向（通过DIR端控制）。图2-3 单片机外围电路
4.电动机驱动电路图2-4 直流电动机驱动电路
直流电动机驱动电路如图2-4所示，当DIR端输入高电平时，Q4和Q2导通，Q1和 Q3关断，此时图中电动机左端为低电平，当PWM端输入低电平时，Q6和Q8关断，Q5 和Q7导通，电流从Q5流向Q2，电动机反转，而当PWM端输入高电平时，Q6和Q8导通，Q5和Q7关断，没有电流通过电动机；当DIR端输入低电平时，Q4和Q2关断，Q3 和Q1导通，当PWM端为高电平时，Q8和Q6导通，Q5和Q7关断，电流从Q1流向Q6，电动机正转，若PWM端为低电平，则Q8和Q5关断，没有电流通过电动机。总结一下，即当DIR端为高电平，PWM端为低电平时，电动机反转；当DIR端为低电平，PWM端为高电平时，电动机正转。
单片机的P3.2口接一单刀双掷开关，当开关输入高电平时，单片机的DIR端（P3.6口）输出高电平，控制电动机正转；当开关输入低电平时，单片机的DIR端输出低电平，控制电动机反转。程序设计
直流电动机控制模块的程序设计流程图如图2-5所示。图2-5 直流电动机控制模块的程序设计流程图电路原理图
直流电动机控制模块整体电路图如图2-6所示。图2-6 直流电动机控制模块整体电路图调试与仿真
将开关置0，以电动机反转为例，调节RV1，可以看到单片机在输入不同模拟电压时，P3.7口输出占空比不同的PWM波形，如图2-7～图2-11所示。图2-7 输入为0V时的PWM波形（反转）图2-8 输入为2.5V时的PWM波形（反转）图2-9 输入为3.75V时的PWM波形（反转）图2-10 输入为5V时的PWM波形（反转）
当开关置1，电动机正转，单片机输入电压为2.5V时，P3.7口的PWM波形如图2-11所示。
电路仿真结果分析：上电时，电动机以一定的速度转动，调节电位器，改变控制电动机PWM波形的延时常数，即改变PWM波形的占空比，阻值增大时，模拟量增大，高电平占空比增大，电动机转速加快，反之，电动机转速减慢。
当改变单刀双掷开关的位置时，电动机逐渐减速并反向转动。反向转动时依然可以通过调节变阻器的大小调节转速，当电压相同时，正转和反转的PWM波形对称。图2-11 输入为2.5V时的PWM波形（正转）PCB版图
电路板布线图（PCB版图）如图2-12所示。图2-12 PCB版图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]