淮阴工学院测控电路课程设计简易数字电压表的设计

1简易数字电压表的设计1 设计目的和要求 1.1 设计目的测控系统原理与设计课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练，在课程设计过程中，在教师指导下，运用工程的方法，通过一个简单课题的设计和练习，可使学生初步体验微机应用系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的1. 2 设计任务利用单片机 AT89C52 与 ADC0809 设计制作一个数字电压表，要求简易电压表可以测量 0-5V 范围内的 8 位输入电压值，并且在 4 位 LED 数码管上轮流显示和单路选择显示。1.3 设计要求：(1）根据设计要求，选择 AT89C2 单片机为核心控制器件。（2）A/D 转换采用 ADC0809 实现，与单片机的接口为 P1 口和 P2 口的高四位引脚。（3）电压显示采用 4 位一体的 LED 数码管。（4）LED 数码的段码输入,由并行端口 P0 产生：位码输入，用并行端口P2 低四位产生 。二、设计方案运用单片机构成的数字电压表中包含三个模块：数据采集模块、数据处理模块和输入/输出模块。在数据采集保持模块中，基本结构大部分都一样，主要是对电压信号采样前，用放大器进行预处理，然后通过保持器保持采样。2目前，数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。本次以简易数字直流电压表的设计为研究内容，系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D 转换采用 ADC0809 对输入的模拟信号进行转换，控制核心 AT89C52 再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置 LED 显示数字电压信号。硬件电路设计由 6 个部分组成; A/D 转换电路，AT89C51 单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路及测量电压输入电路。硬件电路设计框图 2-1所示。时钟电路 复位电路A/D 转换电路 测量电压输入显示系统AT89C52P1 P2 P2 P0 2-1 数字电压表系统硬件设计框图三、程序设计3.1 程序设计总方案根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D 转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图 3-1 所示。3图 3-1 数字式直流电压表主程序框图3.2 系统子程序设计3.2.1 初始化程序所谓初始化，是对将要用到的 MCS_51 系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。3.2.2 A/D 转换子程序A/D 转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图 3-2 所示。4图 3-2 A/D 转换流程图3.2.3 显示子程序显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得 LED 显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在 70HZ 左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔 10ms 对 LED 进行动态扫描一次，每一位 LED 的显示时间为 1ms。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0 溢出中断功能实现 11s 定时，通过软件延时程序来实现 5ms 的延时。5图 3-3 显示子程序四、单元硬件设计4.1 AT89C52 单片机简介AT89C52 是此次课程设计的核心部分。其管脚图 4-1 如下：图 4-1 AT89C52 管脚图6AT89C52 是低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机。片内带有 8KB 的 Flash 存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。另外，AT89C52 的指令系统和引脚与 80C52 完全兼容。AT89C52 各管脚功能如下：VCC：供电电压；GND：接地；P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 ；P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流；P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流；P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入；P3 口管脚功能： P3.0 是 RXD（串行输入口） ；P3.1是 TXD（串行输出口） ；P3.2 是/INT0（外部中断 0） ；P3.3 是/INT1（外部中断1） ；P3.4 是 T0（记时器 0 外部输入） ；P3.5 是 T1（记时器 1 外部输入） ；P3.6是/WR（外部数据存储器写选通） ；P3.7 是/RD（外部数据存储器读选通） ；P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许输出电平用于锁存地址的地位字节。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.2A/D 转换器选择A/D 转换器是核心器件，它关系到最后数字电压表的精确度。所以 A/D 芯片的选择是设计过程中的一个很重要的环节。常用的 A/D 芯片 ADC0808，ADC0809，ADC0832，TLC2543 等几种。ADC0809是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，与微机直接接口，片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可以对 8 路 0-5V 输入模拟电压信号分时进行转换，由于 ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制。ADC0808 主要特性：8 路 8 位 A/D 转换器,即分辨率 8 位;具有锁存控制的 8 路模7拟开关;易与各种微控制器接口；可锁存三态输出,输出与 TTL 兼容;转换时间：128s；转换精度：0.2%；单个+5V 电源供电；模拟输入电压范围 0- +5V,无需外部零点和满度调整；低功耗，约 15mW。逐次逼近式 A/D 转换器的工作原理：图 4-2 逐次逼近法原理4.3 ADC0809 的外部引脚特征图 4-3 ADC0809 的管脚图ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。它由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图 7） 。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。三态输出锁存器用于锁存 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D7-D0：8 位数字量输出引脚。8IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D 转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动 A/D 转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为 500KHz） 。4.4 复位电路和时钟电路4.4.1 复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位，使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51 单片机有一个复位引脚 RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果 RST 端继续保持高电平，MCS-51 就一直处于复位状态，只要 RST 恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图 4-4 是 52 系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要 Vcc 上升时间不超过1ms，它们都能工作。图 4-4 复位电路4.4.2 时钟电路设计单片机中 CPU 每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU 执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1 为该放大器的输入端，9XTAL2 为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简单，只需要一个晶振和两个电容即可，如图 4-5 所示。图 4-5 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器 C1 和 C2 对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了 33pF；石英晶振选择范围最高可选 24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是 12MHz，因而时钟信号的震荡频率为 12MHz。4.5LED 显示系统设计4.5.1 LED 基本结构LED 是发光二极管显示器的缩写。LED 由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED 显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件 6。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED 七段数码显示器由 8 个发光二极管组成显示字段，其中 7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。LED 引脚排列如下图 4-6 所示:图 4-6 LED 引脚排列104.5.2 LED 显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的 LED 显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的 LED 显示器供选择，在本设计中，选择 4 位一体的数码型 LED 显示器，简称“4-LED” 。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。4-LED 显示器引脚如图 3-8 所示，是一个共阴极接法的 4 位 LED 数码显示管，其中 a，b，c，e，f，g 为 4 位 LED 各段的公共输出端，1、2、3、4 分别是每一位的位数选端，dp 是小数点引出端，4 位一