基于MCS-51单片机-数字电压表设计

1、1 引言 在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的快速发展，并不断出现新的类型。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也

2、从0.01%-0.005%。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本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ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C51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。2 设计总体方案2.1设计要求 以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值。电压显示用4位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。 尽量使用较少的元器件。2.2 设计思路根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。A/D转换采用

3、ADC0808实现，与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。电压显示采用4位一体的LED数码管。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。2.3 设计方案硬件电路设计由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、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图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AT89C51 P1 P2 P2 P0 图1 数字电压表系统硬件设计框图3硬件电路设计基于单片机的数字直流电压表硬件电路原理图如图2所示。图2 简易数字电压表电路图此电路的工作原理是：+5V模拟电

4、压信号通过变阻器VR1分压后由ADC0808的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D转换，P2.5检测A/

5、D转换是否完成，转换完成后，P2.7置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来。.简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。4程序设计4.1 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所示。开始初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序结束图3 数字式直流电压表主程序框图4.2 系统子程序设计4.2.1 初

6、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。4.2.2 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4所示。开始启动转换A/D转换结束？输出转换结果数值转换显示结束图4 A/D转换流程图4.2.3 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

7、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。4.3程序代码LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH SJMP INT_T0 START:MOV LED_0,#00H MOV P2,#0FFH MOV LED_1

8、,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0 WAIT:CLR ST SETB STCLR STJNB EOC,$SETB OEMOV ADC,P1CLR OEMOV A,ADCMOV B,#51DIV ABMOV LED_2,AMOV A,BMOV B,#5DIV ABMOV LED_1,AMOV LED_0,BLCALL DISPSJMP WAITINT_T0:CPL CLOCK RETIDISP:MOV A,LED_0 MOVC A,A+D

9、PTR CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A,LED_1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.2 MOV A,LED_2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.1;ORL A,#80H; SETB ACC.7 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1 RETDELAY:MOV R6,#10D1:MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETTABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H

10、,7FH,6FH END5仿真5.1 仿真过程1 将设计的电路在单片机仿真软件Proteus7中进行仿真，仿真电路图需要的元件如下： 接地ground Power AT89C51 CAP CAP-ELEC CRYSTAL RES ADC0808 PULLUPRES-VAR BUTTON连接好电路图.5.2 软件调试软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。5.3

11、显示结果 1. 当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图5所示，测量误差为0V。 图5 输入电压为0V时，LED的显示结果2. 当IN0输入电压值为1.50V时，显示结果如图6所示。测量误差为0.01V。 图6 输入电压为1.50V时，LED的显示结果3. 当IN0口输入电压值为3.50V时，显示结果如图7。测量误差为0.01V。 图7 输入电压为3.50V时，LED的显示结果5试验台效果图：6结论经过一段时间的努力，课程设计-基于MCS-51单片机数字电压表设计基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和K

12、eil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。参 考 文 献1 李朝青单片机原理及接口技术第三版北京：北京航天航空大学出版社，200517242 苗红霞. 单片机实现数字电压表的软硬