基于8255的LCD显示简易电压表设计

2013/2014学年第一学期

课程设计II实验报告

模块名称关于51单片机设计（proteus）专业通信工程

学生班级

学生学号

学生姓名

指导教师

报告内容

第一部分实验目的和要求

本课程设计是在理论课程的基础上，重点培养学生的动手能力，通过理论计算、实际编程、调试、测试、分析查找故障，解决在实际设计中的问题，使设计好的电路能正常工作，为下一部结合实际的硬件系统设计准备条件。

实验要求：

数字电压表（AC/DC）设计

基本要求：

了解电压表的工作原理。

设计一个直流电压测量器，测量范围0.01V-3V,

用LED数码管/LCD屏显示测量值，显示精度0.001

用键盘选择测量范围（分档）

发挥部分：

交流电压测量，被测频率1KHz-10KHz (0.1-3V)

考虑交流测量的附加电路。

显示格式：

LED数码管/LCD屏显示参数

基于8255口是指显示和键盘都由8255的IO口控制

根据提供的参考工程，在proteus平台自己重新画出实验所需要的电气原理图，并在此基础上编写相对应的程序，实现其功能，学习proteus软件的使用，其中包括原理图器件的选取、原理图的电气连接、程序的编写编译以及运行，并能查出其错误等。

第二部分实验工具及实验器件

1.Proteus软件

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路及单片机系统设计与仿真软件。Proteus可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能。Proteus是目前唯一能对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具，真正实现了在没有目标原型时就可对系统进行调试、测试和验证。Proteus软件大大提高了企业的产品开发效率，降低了开发风险。由于Proteus软件逼真、真实的协同仿真功能，它也特别适合于作为配合单片机课堂教学和实验的学习工具。

Proteus软件提供了30多个元器件库、7000余种元器件。元器件涉及电阻、电容、二极管、三极管、变压器、继电器、各种放大器、各种激励器、各种微控制器、各种门电路和各种终端等。Proteus软件还提供有交直流电压表、逻辑分析仪、示波器、定时/计数器和信号发生器等测试信号工具用于电路测试。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存—建立工程并添加源文件—设置工程—编译/汇编、连接，产生目标文件—程序调试。Keil 使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File-New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C 语言源程序（或选择File-Open…，直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选

择菜单Project-New Project…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU 后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group ‘Source Group1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。加入文件后点close返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project-Option for Target‘Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其它选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11或选择Debug-Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug-Step Over）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug-Inline Assambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug-Insert/Remove Breakpoint或Debug-Breakpoints…等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。在PROTEUS 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

2.51单片机AT89C51

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

当前常用的51系列单片机主要产品有：

*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

89C51单片机的内部结构为：

单一+5V电源供电；

CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；

I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；

T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；

五个中断源的中断控制系统；

一对全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。

3.LCD液晶显示器件LM016L

LM016L是一个2*16的点阵式字符液晶显示模块，每个字符由5*7个点组成的；

内部带有HD44780控制器；

采用5V电源供电；内建有192个字符，8个用户自建字符。

4.可编程并行I/O接口芯片8255A

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C 口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

特点：(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU 总线与外围的接口.

(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A组可设置为基本的I/O 口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O 或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定.

RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括

控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.

RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或

数据。

WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU 将数据或控制字写入8255。

D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

PB0～PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器一个8位的输入输出缓冲器。

PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。'

A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.

当A1=0,A0=0时,PA口被选择;

当A1=0,A0=1时,PB口被选择;

当A1=1,A0=0时,PC口被选择;

当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择.

5.8位 A/D转换器TLC549

TLC549是 TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

TLC549引脚图

REF+：正基准电压输入 2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。

REF－：负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。且要求：（REF+）－（REF-）≥1V。

VCC：系统电源3V≤Vcc≤6V。

GND：接地端。

/CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN≥2V，输入低电平 VIN≤0.8V。

DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后。

ANALOGIN：模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，当 ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”(00H)。

I/O CLOCK：外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。

TLC549 器件工作时

当/CS变为低电平后， TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端输出，接着要求自 I/O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个 I/O CLOCK信号的作用，是配合 TLC549 输出前次转换结果的A6-A0 位，并为本次转换做准备：在第4个 I/O CLOCK 信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。转换时间为 36 个

系统时钟周期，最大为 17us。直到 A/D转换完成前的这段时间内，TLC549 的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者 I/O CLOCK 时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次 A/D转换开始。

第三部分实验原理图及程序代码

1.硬件部分电路设计

本次试验要求设计简易电压表，因此用一个滑动变阻器代替被测电阻，由滑动变阻器的组织改变，加一个能够测量实际电压的电压表测量其电压。电阻电压经过TLC549模数转换为数字信号----电流大小，送至51单片机，51单片通过检查相应的档位是否在合法范围内，如果在合法范围内，则通过8255A芯片显示在LCD上，右侧图为要求的4X4小键盘用来改变档位。

2.实验原理图如下：

2.软件部分设计

在程序中后面注释了我对程序功能的理解，所以就没有分块分析。下面是整个设计代码和我对设计的认识和理解。

#include

#include

#include

/************************************************宏定义

**************************************************/

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

/*******************************************芯片端口地址定义

*********************************************/

#define COM8255 XBYTE[0X7FFF] //8255的命令口

#define PA8255 XBYTE[0X1FFF] //8255的PA

#define PB8255 XBYTE[0X3FFF] //8255的PB

#define PC8255 XBYTE[0X5FFF] //8255的PC

/***************************************

按键编码查表，可得到键值

***************************************/

const unsigned char Key_code[]={0xee,0xed,0xeb,0xe7,

0xde,0xdd,0xdb,0xd7,

0xbe,0xbd,0xbb,0xb7,

0x7e,0x7d,0x7b,0x77

};

uchar deda;

uchar flang, jishu,num;

unsigned char KeyValue=0;

uchar display_data_1[]="Gear:X2.0V \0";

uchar display_data_2[]="Voltage:0.000V \0";

bit done;

bit xianshi;

uint dianya;

uint sheding=2000;

uchar flag_v=20;

/************************************************系统引脚定义

********************************************/

sbit RS=P3^0; //1602的数据/命令控制口口

sbit RW=P3^1; //1602的读写控制端

sbit EN=P3^2; //1602的使能控制端

sbit CLK = P1^5;//7 脚

sbit DAT = P1^7; //脚

sbit CS = P1^6; //5 脚

unsigned char TLC549_AD(void)//TLC549转换函数

{

unsigned char i,x;

CLK = 0;

DAT = 1;

CS = 0;

for(i = 0;i<8;i++)

{

CLK = 1;

x<<=1;

if(1 == DAT) x++;

CLK = 0;

}

CS = 1;

for(i=0;i<8;i++)

_nop_();

return (x);

}

/************************

延时函数

*************************/

static void SoftDelay(unsigned int time)

{

unsigned char n;

while(time--)

{

for(n=0;n<50;n++);

}

}

/************************************************延时子程序**********************************************/

void delayms(uchar x) //ms延时函数{

uchar y;

for(;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--) ;

}

void delayus(uint x) //us延时函数

{

while(x--);

}

/*************************************

按键编码和键值转换函数

*************************************/

unsigned char Key_code_value(unsigned char key_code)

{

unsigned char i;

for(i=0;i<16;i++)

{

if(Key_code[i]==key_code)

return i;

//return key_code;

}

return 0xff;

}

/**************************************

按键扫描程序，返回按键键值，采用翻转法

**************************************/

unsigned char Key_Scan(void)

{

unsigned char temp;

temp= PC8255;

temp&=0x0f;

//Set8255_Mode(0x90);//模式0，PA口输入，下PC口输出（PA为矩阵键盘的行，下PC口为列）

COM8255=0x82;

PB8255 = 0x0f;//

PC8255 = temp;

temp |=(PB8255<<4);//形成按键编码，PA（低位）值为高4位，PC（低位）值为低4位

return (Key_code_value(temp));

}

/*****************************************

功能：判断是否有键按下，如有返回键值

******************************************/

unsigned char KeyRead(void)

{

//Set8255_Mode(0x81);//模式0，PA口输出，下PC口输入（PA为矩阵键盘的行，下PC口为列）

COM8255=0x89;

PB8255 = 0x00;//PA口输出低电平

PC8255 = 0x0f;//

if((PC8255&&0x0f)!=0x0f)//读取8255的下PC口，即读取矩阵按键的列状态

{

SoftDelay(1);//软件延时去抖

if((PC8255&0x0f)!=0x0f)//如果矩阵按键列状态不为0x0f，则说明有键按下

{

return (Key_Scan());//按键键值扫描

// return 5;

}

else

return 0xff;

}

else

return 0xff;

}

/**********************************************1602液晶驱动程序

*******************************************/

//1602写命令程序

void WriteCom(uchar COM)

{

RS=0;

EN=0;

PA8255=COM;

delayms(5);

EN=1;

delayms(5);

EN=0;

}

//1602写数据程序

void WriteData(uchar x,uchar y,uchar DATA)

{

if(x==1)

WriteCom(0x80+y-1);

if(x==2)

WriteCom(0x80+0x40+y-1); //向1602写坐标信息RS=1;

EN=0;

PA8255=DATA;

delayms(5);

EN=1;

delayms(5);

EN=0;

}

/************************************************1602液晶显示时间程序******************************************/

void display()

{

uchar i;

for(i=0;i<16;i++)

{

WriteData(1,i+1,display_data_1[i]);

WriteData(2,i+1,display_data_2[i]);

}

}

/************************************************系统初始化程序

************************************************/

void Initial()

{

COM8255=0x89; //定义8255的A口B口为输出，和C口为输入

RW=0;

//1602液晶读写端清零

WriteCom(0x38);

WriteCom(0x0c);

WriteCom(0x06);

WriteCom(0x01); //清屏

}

void timetoseg()//数据转换程序

{

display_data_2[8]=dianya/1000+0x30;

display_data_2[10]=dianya/100%10+0x30;

display_data_2[11]=dianya/10%10+0x30;

display_data_2[12]=dianya%10+0x30;

display_data_1[6]=flag_v/10+0x30;

display_data_1[8]=flag_v%10+0x30;

if(dianya>=sheding)

{

display_data_2[8]='-';

display_data_2[10]='-';

display_data_2[11]='-';

display_data_2[12]='-';

}

}

void key()//按键检测

{

uchar key_temp;

key_temp=KeyRead();

if(key_temp!=0xff)

{

if(key_temp==12)

{

sheding=1000;

flag_v=10;

}

if(key_temp==13)

{

sheding=2000;

flag_v=20;

}

if(key_temp==14)

{

sheding=2500;

flag_v=20;

}

if(key_temp==15)

{

sheding=3000;

flag_v=30;

}

while(KeyRead()!=0xff);

}

}

/************************************************主程序

**************************************************/

void main()

{

Initial(); //系统初始化

while(1)

{

dianya=TLC549_AD()*11.764706;

timetoseg();//转换

key(); //按键检测

display();

}

}

第四部分仿真测试

显示结果

1.当调节变阻器，使真实电压值为0V时，测量误差为 0.显示结果如下图所

示:

2.当调节变阻器，使真实电压值为0.5V时，测量误差为 1.2%.显示结果如下图所示:

3.当调节变阻器，使真实电压值为1.0V时，显示结果如下图所示:

此时由于档位错误，需要小键盘改变档位为2v档，误差为0，,显示如下图所示:

4.当调节变阻器，使真实电压值为1.5V时，误差0.4%。显示结果如下图所示: