基于单片机的数字电压表（05V）设计课程设计

1、摘 要 本文介绍一种基于 89c51 单片机的一种电压测量电路,双积分 a/d 转换电路， 测量范围直流 0-5 伏，使用 lcd 模块显示电压值。正文着重给出了软硬件系统的 各部分电路，介绍了双积分电路的原理，89c51 的特点及应用。该电路设计新颖、 功能强大、可扩展性强。 关键词: 单片机、双积分电路、89c51、74ls161、adc0808 1 唐山学院课程设计 1 1 系统总体设计及方案 1.1 设计题目、内容、要求 设计题目：简易数字电压表的设计。 设计内容： 1可以测量 05v 范围内的 8 路直流电压值。 2在 4 位 led 数码管上轮流显示各路电压值或单路选择显示，其中

2、3 位 led 数码管显示电压值，显示范围为 0.00v5.00v，1 位 led 数码管显示路数,8 路用数字表示分别为 0-7。 3测量最小分辨率为 0.02v。 设计要求： 1进行系统总体设计。 2完成系统硬件电路设计。 3完成系统软件设计。 4撰写设计说明书。 1.2 概述 数字电压表（digital voltmeter）简称 dvm，它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。 传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片 机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与 pc 进

3、行实时通信。目前，由各种单片 a/d 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于 电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大 的生命力。与此同时，由 dvm 扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电 量及非电量测量技术提高到崭新水平。 1.3 系统原理及基本框图 输入电路 a/d 转换 89c51 单片机 led 显示 图 1-1 系统基本流程图 唐山学院课程设计 2 如图 1-1 所示，模拟电压经过滑动变阻器切换到不同的分压电路后，送到 a/d 转换器进行 a/d 转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据，通过 p0 口传输送到 led 中显示。 1.4 方

4、案说明 系统首先通过按键逐路选择八路通道中的一路或是循环显示，将该路某一路 电压送入 adc0808 相应通道，单片机软件设置 adc0808 开始 a/d 转换，转换结 束 adc0808 的 eoc 端口产生高电平，同时将 adc0808 的 eo 端口置为高电平， 单片机将转换后结果存如片内 ram。系统调出计算子程序，将保存结果转化为 0.00-5.00v 分别保存在片内 ram;系统调用显示子程序，将转化后数据查表，输出 到 led 显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。 1.5 方案论证 1.5.1 显示部分 系统通过对 led 灯的动态显示及不停的轮流给数码管位选端加

5、驱动电压，及 在给其中一个数码管位选段加驱动电压的时候它才能变亮，而其他的是暗的，由 于数码管暗下来需要一定的时间，人眼具有视觉暂留特点，同时系统又给其它的 施加驱动电压，所以我们看到的就是稳定的亮着的数字了。 1.5.2 a/d 转换部分 通过 a/d 转换器将输入的模拟信号转换成数字信号，然后进行处理。为了达 到这一目的，使用调试简单，能与微处理机或其他数字系统兼容的 a/d 转换器 0808 芯片。 adc0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其 内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路 模拟输入信号中的一个进行 a

6、/d 转换。adc0808 是 adc0809 的简化版本，功能 基本相同。一般在硬件仿真时采用 adc0808 进行 a/d 转换，实际使用时采用 adc0809 进行 a/d 转换。 唐山学院课程设计 3 2 电路设计 2.1 输入电路 输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到 a/d 转换器所要求的电压 值。本电路设计所用电压为 0-5v，其大小通过滑动变阻器调节。 2.2 a/d 转换电路 a/d 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。 本设计采用双积 a/d 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干 扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低

7、。在对转换精度要求较高，而对 转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。 2.3 双积 a/d 转换器的工作原理 如图 2-1 所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压 进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 t1，再利用计数器测出。 图 2-2 双积 a/d 转换器的波形图 图 2-1 双积分 a/d 转换器工作原理图 唐山学院课程设计 4 此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准 电压进行同样的处理。在常用的 a/d 转换芯片（如 adc - 0809、icl7135、icl7109 等）中，icl7135 与其余几种有所不同，

8、它是一种四位 半的双积分 a/d 转换器， 具有精度高（精度相当于 14 位二进制数） 、价格低廉、抗干扰能力强等优点。 2.4 a/dc0808 的转换流程图 其软件中实现其数字量电压转换为三位模拟量电压的部分程序如下： mov a,#0ffh mov p1,a mov a,p1;读取 ad 转换结果 clr p2.7 mov b,#51;ad 转换结果转换成 bcd 码 div ab mov r1,a；a 中为电压数值第一位，存放在 r1 中 mov a,b mov b,#2 mul ab mov b,#10 div ab；a 中存放电压数值第二位，并存放入 r2 中 mov r2,a m

9、ov r3,b；余数 b 中存放电压数值第三位 2.4 液晶显示部分 数字量电压值输入 89c51 启动 adc0808 等待转换是否结束 将结果转换成 bcd 码并输出 图 2-3 a/dc0808 的转换流程图 图 2-3 a/dc0808 的转换电路图 唐山学院课程设计 5 显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用 的是 lcd 液晶模块，采用一个 161 的字符型液晶显示模块， 点阵图形式液晶 由 m 行n 列个显示单元组成，假设 lcd 显示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 个字节的 8 个位，即每行由 16 字节，共 168=128

10、个点组成，屏 上 6416 个显示单元和显示 ram 区 1024 个字节相对应，每一字节的内容和屏 上相应位置的亮暗对应。一个字符由 68 或 88 点阵组成，即要找到和屏上某 几个位置对应的显示 ram 区的 8 个字节，并且要使每个字节的不同的位为1 ， 其它的为0 ，为1的点亮，为0的点暗，这样一来就组成某个字符。但 对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可让控制器工作在 文本方式，根据在 lcd 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 ram 对应的 地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 2.5 设计调试及性能分析 2.5.1 调试与测试 采用 keil u

11、vision2 编译器进行源程序编译及仿真调试，同时进行硬件电路板 的设计制作，烧好程序后进行软硬件联调，最后进行端口电压的对比测试，要求 测试对比中标准电压值采用数字万用表测得。 简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在 0.02v 以内。 2.5.2 性能分析 由于单片机为 8 位处理器，当输入电压为 5.00v 时，输出数据值为 255（ffh） ，因此单片机最大的数值分辨率为 0.0196v（5/255） 。这就决定了该电 压表的最大分辨率（精度）只能达到 0.0196v。测试时电压数值的变化一般以 0.02 的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用 12 位、13

12、位的 a/d 转换器。 简易电压表测得的值基本上均比标准值偏大 0.010.02v。这可以通过校正 0809 的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用 7805 的供电电源作为基准电 压，电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。 adc0808 的直流输入阻抗 1m，能满足一般的电压测试需要。另外，经测 试 adc0808 可直接在 2mhz 的频率下工作，这样可省去分频器 14024。 2.5.2 程序的编写及电路的实现 在本次课设中使用 isis 6 professional 软件进行对电路进行绘制、模拟及仿真， 使用 keilc51 软件编写单片机 89c51 的程序，以下将对

13、 sis 6 professional 软件及 keilc51 软件进行介绍。 唐山学院课程设计 6 3 芯片及软件介绍 3.1 adc0808 3.1.1 引脚功能（外部特性） adc0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能 如下： 15，2628（in0in7）：8 路模拟量输入端。 8，14，15，1721：8 位数字量输出端。 22（ale）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（start）： ad 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽） 使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 a/d 转换） 。 7（eoc）：

14、ad 转换结束信号，输出，当 ad 转换结束时，此端输出一 个高电平（转换期间一直为低电平） 。 9（oe）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 ad 转换结束时，此 端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（clk）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640khz。 12（vref（+） ） 、16（vref（-） ）：参考电压输入端。 11（vcc）：主电源输入端。 13（gnd）：地。 2325（adda、addb、addc）：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输 入中的一路。 3.1.2 内部结构 adc0808 是 cmos 单片型逐次逼近式 a/d 转换器

15、，它由 8 路模拟开关、地 址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 a/d 转换器、逐次逼近。 极限参数电源电压（vcc）：6.5v 。 控制端输入电压：0.3v15v 。 其它输入和输出端电压：-0.3vvcc+0.3v 。 贮存温度：65+150 功耗（t=+25）：875mw。 引线焊接温度：气相焊接（60s）：215；红外焊接(15s)：220 抗静 电强度：400v。 3.2 89c51 唐山学院课程设计 7 单片机该系列单片机是采用高性能的静态 80c51 设计由先进 cmos 工艺制造 并带有非易失性 flash 程序存 储器，全部支持 12 时钟和 6 时钟操作。 p89c51

16、x2 和 p89c52x2/54x2/58x2 分别包含 128 字节和 256 字节 ram 32 条 i/o 口线 3 个 16 位。 定时/计数器 6 输入 4 优先级嵌套中断结构 1 个串行 i/o 口可用于多机通信 i/o 扩展或全双工 uart。以及片内振荡器和时钟电路 89c51 是一种带 4k 字节闪烁 可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。89c2051 是一种 带 2k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只

17、读存储器可 以反复擦除 100 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与 工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存 储器组合在单个芯片中，atmel 的 89c51 是一种高效微控制器，89c2051 是它的 一种精简版本。89c 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的 方案。 3.2.1 主要特性 与 mcs-51 兼容 ；4k 字节可编程闪烁存储器 ；寿命：1000 写/擦循环 ； 数据保留时间：10 年；全静态工作：0hz-24mhz ；三级程序存储器锁定 ；128*8 位内部 ram；32 可编程 i/

18、o 线 ；5 个中断源，两个 16 位定时器/计数器 ；可编 程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式 ，片内振荡器和时钟电路。 3.2.2 管脚说明 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。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口， 当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 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

19、能接收 输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被 外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和 校验时，p1 口作为第八位地址接收。 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。这是由于内部上 拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 唐山学院课程设计 8 p2 口输出地址的高八位

20、。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位 地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 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。作为输入， 由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： p3.0 rxd（串行输入口） ；p3.1 txd（串行输出口） ；p3.2 /int0（外部中断

21、0） ；p3.3 /int1（外部中断 1） ；p3.4 t0（记时器 0 外部输入） ；p3.5 t1（记时器 1 外部输入） ；p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） ；p3.7 /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，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部 输

22、出的脉冲或用于定时目的。 /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。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。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。 3.3 74ls161 161 为可预置的 4 位二进制同步计数器，共有 54/7

23、4161 和 54/74ls161 两种线 路结。 74ls161 的清除端是异步的。当清除端 clear 为低电平时，不管时钟端 clock 状态如何，即可完成清除功能。74ls16 的预置是同步的。当置入控制器 load 为低电平时，在 clock 上升沿作用下，输出端 qaqd 与数据输入端 ad 相一致。 161 的计数是同步的，靠 clock 同时加在四个触发器上而实现的。 当 enp、ent 均为高电平时，在 clock 上升沿作用下 qaqd 同时变化，从而 消除了异步计数器中出现的计数尖峰。 3.4 keil c51 软件介绍 唐山学院课程设计 9 keil c51 集成开发环

24、境主要由菜单栏、工具栏、源文件编辑窗口、工程窗口和 输出窗口五部分组成。工具栏为一组快捷工具图标，主要包括基本文件工具栏、 建造工具栏和调试工具栏，基本文件工具栏包括新建、打开、拷贝、粘贴等基本 操作。建造工具栏主要包括文件编译、目标文件编译连接、所有目标文件编译连 接、目标选项和一个目标选择窗口。调试工具栏位于最后，主要包括一些仿真调 试源程序的基本操作，如单步、复位、全速运行等。在工具栏下面，默认有三个 窗口。左边的工程窗口包含一个工程的目标（target） 、组（group）和项目文件。 右边为源文件编辑窗口，编辑窗口实质上就是一个文件编辑器，我们可以在这里 对源文件进行编辑、修改、粘贴

25、等。下边的为输出窗口，源文件编译之后的结果 显示在输出窗口中，会出现通过或错误（包括错误类型及行号）的提示。如果通 过则会生成“hex”格式的目标文件，用于仿真或烧录芯片。 mcs-51 单片机软件 keil c51 开发过程为： 1.建立一个工程项目，选择芯片，确定选项； 2.建立汇编源文件或 c 源文件； 3.用项目管理器生成各种应用文件； 4.检查并修改源文件中的错误； 5.编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真； 6.编程操作； 7.应用。 3.5 isis 6 professional 软件介绍 isis 6 professiona 软件是它不仅具有其它 eda 工具软件的仿真

26、功能，还能仿 真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前 国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片 机开发应用的科技工作者的青睐。它从原理图布图、代码调试到单片机与外围电 路协同仿真，一键切换到 pcb 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目 前将电路仿真软件、pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处 理器模型支持 8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086 和 msp430 等，2010 年即将增加 cortex 和 dsp 系列处理器，并持续增加其他系

27、列 处理器模型。在编译方面，它也支持 iar、keil 和 mplab 等多种编译器。 isis 6 professiona 软件具有的功能：原理布图；pcb 自动或人工布线；spice 电路仿真。 唐山学院课程设计 10 4 数字电压表设计电路 4.1 数字电压表完整的设计电路图 图 4-1 数字电压表设计电路 图 4-2 数字电压表测试电路 唐山学院课程设计 11 系统工作过程：首先通过按键或开关选择要测量的电压地址，即几路电压， 若通过按键逐路选择，则要通过计数器 74ls161 记录按键次数，从而对电压地址 加一，从而实现地址的转移，并使 ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经

28、译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。start 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下 降沿启动 a/d 转换，之后 eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 a/d 转 换完成，eoc 变为高电平，指示 a/d 转换结束，结果数据已存入锁存器，之后数 据经过处理，就可以在数码管上显示系统通过调节滑动变阻器可以调节测量电压， 测试电路图 4-2： 4.2 电路的仿真 若通过 isis 6 professional 软件画出改课设的电路图，运行无误，并通过 keil c51 软件编写程序编译无误并生成“hex”格式的目标文件之后，将其加载入单 片机使其运行。具体方法为：右击工作区并选中使用的 89

29、c51 单片机，左击出现 “edit component”对话框，点击“program file”选项选择 keil c51 软件中已经 生成的.hex 文件确定。启动软件，观察其仿真结果如图 4-2 所示。通过电路中的 自锁开关闭合实现电路中电压的循环显示各路的电压值，通过断开自锁开关，则 每按一次不自锁开关，则路数数加一并显示该路电压值。 唐山学院课程设计 12 5 设计总结 通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好 地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地 战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善， 成

30、为真己的东西。 这次实习让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。上课的时候的 学习从来没有接触过真正的单片机，只是从理论的角度去理解枯燥乏味。但在实 习中模拟使用了单片机及其系统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提高 了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中又让我体会到了合作与团结的力 量，当遇到不会或是设计不出来的地方，我们就会相互讨论或者帮助。团结就是 力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团 结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。 单片机是很重要的一门课程，尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后 的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习，学

31、好了单片机也就多了一项生存 的本钱。 唐山学院课程设计 13 附录 源程序： org 0000h sjmpstart start:movdptr,#tab;段码表首地址 wait: mov a,#0ffh mov p3,a mov a,p3 anl a,#07h jnb p3.3,loop1 mov r0,a swap a mov p3,a clr p2.5 setb p2.5 clr p2.5;启动 ad 转换 jnb p2.6,$;等待转换结束 setb p2.7 mov a,#0ffh mov p1,a mov a,p1;读取 ad 转换结果 clr p2.7 mov b,#51;ad

32、转换结果转换成 bcd 码 div ab mov r1,a mov a,b mov b,#2 mul ab mov b,#10 div ab mov r2,a mov r3,b lcall disp sjmp wait loop1:incr0 mov a,r0 cjne a,#08h,next mova,#00h next:mov r0,a swap a mov p3,a 唐山学院课程设计 14 clr p2.5 setb p2.5 clr p2.5;启动 ad 转换 jnb p2.6,$;等待转换结束 setb p2.7 mov a,#0ffh mov p1,a mov a,p1;读取 ad

33、 转换结果 clr p2.7 mov b,#51;ad 转换结果转换成 bcd 码 div ab mov r1,a mov a,b mov b,#2 mul ab mov b,#10 div ab mov r2,a mov r3,b lcall disp jnb p3.3,loop1 sjmp wait disp:mov r4,#0fh loop:mova,r3;显示子程序 movc a,a+dptr clrp2.3 movp0,a lcall delay setbp2.3 mova,r2 movc a,a+dptr clrp2.2 movp0,a lcall delay setbp2.2 mova,r1 movc a,a+dptr add a,#80h clrp2.1 movp0,a lcall delay setbp2.1 mova,r0 movc a,a+dptr