基于单片机的数字电压表设计

1、基于单片机的数字电压表设计摘 要数字电压表即digital voltage meter也简称为dvm，它对电子电路进行现场的检测与测量主要用到的是数字化的测量技术，同时还能够把连续的模拟信号转换成不连续、离散的数字信号并且还能够显示出来的一种仪表。由于数字化时代的标准与需求，让我们觉得在生活里常见的指针式电压表的功能单一、精度粗略、抗干扰能力弱，因此我们设计了基于单片机的数字电压表，数字电压表具有功能完备、精度较高、抗干扰能力较强、使用简单等优点，同时还能够和pc之间实时通信。本文中a/d转换器使用了adc0832主要作用是将连续、离散的电压模拟量转换为不连续的数字量，单片机使用了stc89c

2、52主要作用是对a/d转换器中传输的信号进行处理，同时还对该芯片进行控制，待测量电压范围可扩展为09v。关键词：adc0832；stc89c52；数字电压表；基于单片机abstractdigital voltmeter that is also referred to as digital voltmetr dvm, which uses digital measurement technology for inspection and measurement field of electronic circuit, also a meter continuous analog signal

3、into a non continuous, discrete digital signal form to display. because we in the life of common analog voltage meter single function, precision rough, weak anti-interference ability, can achieve the digital age standards and requirements, so we design a digital voltage meter based on mcu, digital v

4、oltage meter has the advantages of complete function, high precision, strong anti-interference ability, easy to use, real-time communication at the same time can also and pc between. in this paper, a/d converter adc0832 is used in the main role is to be continuous, discrete voltage analog to digital

5、 conversion is not continuous, the use of stc89c52 mcu main function is to process the signal transmission in the a/d converter, but also to control the chip to measure the voltage range can be extended to 09v.key words: adc0832; stc89c52; digital voltmeter; based on scm目 录toc o "1-3" h z

6、u 1 前言11.1 设计的基本原理11.2 设计的基本方案12 单片机的总述22.1 单片机的介绍22.2 单片机的特征22.3 单片机的应用33 硬件的设计33.1 单片机的选择33.1.1 stc89c52主要特性43.1.2 stc89c52引脚说明43.1.3 stc89c52内部振荡器的特性73.2 模/数（a/d）转换器的选择73.2.1 adc0832的主要特性73.2.2 adc0832引脚说明83.2.3 连接电路83.3 led数码管介绍93.3.1 数码管电路的设计103.4 电源电路104 软件的设计114.1 初始化子程序124.2 模数转换子程序124.3 用pr

7、otel99绘制电路原理图134.4 用keil c51进行程序编程135.系统焊接与安装应注意的事项13参考文献15附录1 电路原理图16附录2 仿真图17附录3 元件清单18附录4 源程序19谢 辞271 前言在很多电路参数中，元器件的工作状态、电路特征形式等都是通过电压量表示出来的，因此电压测量是电参量测量的最基本、最常见的测量形式与手段。另外，像温度、压力以及振动等都是将其变为电压量来间接测量出来的，因此可以看出电压测量在这两种参量测量中的重要地位。由此我们可以看出电压测量在测量领域的重要性。随着当今时代的快速发展，我们进入了数字信息时代。市面上出现了各种各样的数码产品，但是单片机却是

8、各种各样数码产品不可或缺的一部分，随着单片机的出现，我国测量仪表控制领域已经开始了一场新的技术革命。单片机其实就是一台电脑，区别于我们所熟知的电脑是因为它是一台微型电脑，麻雀虽小但是五脏俱全，它的内部具有和电脑相似的模块，例如cpu、ram、rom、并行总线、输入输出接口等。用程序实现对单片机的控制，为了达到不同的功能和目的我们主要是修改单片机内原来的程序。从这里我们可以看出单片机是非常简单、经济、实用的，同一块单片机只需要修改其程序就可以实现不同的功能这也是单片机在现金广为流传的一种原因。单片机从1971年诞生到现如今，已经经历了三个阶段，分别是scm、mcu、soc，它们各自有各自的优缺点

9、，但是都无法改变单片机简单、经济的特点以及在这个时代发挥的作用。我们现在可以在市面上见到的单片有：avr单片机、motorola单片机、micro chip单片机、8051单片机、ns单片机等。本次设计中使用的是stc89c52单片机，主要作用是将连续的模拟信号转换为不连续、离散的数字信号，以便于使用者能够清晰的读出被测物品的电压值。1.1 设计的基本原理本次设计主要是利用单片机来控制模数（a/d）转换器将所测物品的电压显示在数码管上，也就是将连续的模拟量转换成离散、不连续的数字量显示在数码管上，给人一种非常直观的印象。根据单片机中所编写的程序，我们可以很轻松地测量物品的电压捕捉到，然后再通过

10、模数转换器将捕捉到的模拟量转换为数字量，最后将其反馈给led数码管，这样我们便可以很直观的知道被测物品的电压。本次基于单片机的数字电压表设计既可以简单方便地测量电压又符合我们数字化时代的潮流。1.2 设计的基本方案本次设计的主要思路是将单片机、数据转换装置、led数码管显示模块、开关模块和电源模块等连接起来，软件则主要是通过在单片机中编写程序从而来控制整个系统的运行。首先，需要给单片机加一个电压，然后，对准备好的电压开始测量，其中数据转换装置主要是将模拟的电压信号转变为数字信号，之后，将该信号传送至单片机中通过事先编写好的程序经过一系列的运行与计算最终将所测量的电压值以数字的形式显示在数码管之

11、上。如下图1所示为该系统的主要组成框图。图1 基于单片的数字电压表基本组成2 单片机的总述我们在生活中的各个领域都可以用到计算机，比如在学校的实验室、汽车、航空、电话、传真、视频等。在工业控制领域计算机一般用于对整个系统的控制与检测，我们经常在生活中使用到的带键盘、带鼠标的台式计算机或者笔记本电脑大多用于大型设备的生产和检测过程中，而小型设备的生产与检测过程由于这种计算机体积过大、价格昂贵等一系列缺点则并不适合，所以我们研究出来了单片微型计算机即单片机。2.1 单片机的介绍单片机的问世主要归功于微处理器在此之前被研究成功。单片机是新型电子技术发展的产物，归为第四代电子计算机。单片机和计算机及其

12、相似比如cpu、ram、rom、定时器/计数器以及i/o电路等计算机所拥有的部件单片机也拥有。2.2 单片机的特征（1）体积小、价钱低廉、容易量产。能够很容易地在各种智能设备中得到应用。（2）可靠性相当好，在很多恶劣的环境中它都可以生存下去，能够在-50摄氏度到+150摄氏度范围内工作。（3）有很强的控制以及扩展能力。（4）可以很轻松地实现多机与分布式控制。2.3 单片机的应用现在每一个行业，每一个领域我们都能够或多或少地见到单片机的影子。例如导航装置，计时装置，工业生产中对数据实时检测的装置，还有一些智能仪器、电子玩具等，这些都离不开单片机。另外，在各种大型电器中也能看到单片机的身影。这种模

13、块化应用可以说很完美地将电路体积减小，使电路变简单，使损坏和错误降低，在替换的时候更加容易。这就是单片机在我们现实生活中的应用，几乎出现在我们生活的方方面面。如下图2、3所示，单片机在我们实际生活中应用的举例。2 汽车导航系统 3 电子血压计3 硬件的设计3.1 单片机的选择每一个关于单片机方面的设计，都涉及到一个问题那就是：单片机芯片的选取问题。当然，本次设计也不例外也涉及到了对单片机芯片的选取，例如:怎么选取单片机芯片、选取何种单片机芯片等等。现如今市面上的单片机种类可以说是多种多样，比如有通用型和专用型单片机，其中专用型的单片机实用领域相当窄小，只能被特定的商品所实用，也就是说这种类型的

14、单片机在出场时内部程序就被设置为无法修改，我们在以后的使用过程中不能再对其内部的程序进行修改，这一类型的单片机制造成本一般较低，与之相反的是通用型单片机在使用的过程中我们随时可以对其内部的程序进行修改使之实现不同的功能，这一类型的单片机用途较为广泛，生产成本相对专用型单片机也相对比较高。另外通用型单片机又按照它们数据总线的宽度差异又有很多种类型，它们之间的区别主要体现在运算速度的快慢之上，例如计算（200+300）如果使用8位单片机则需要完成两次8位加法运算才能够整合，因为2的8次方等于256，然而8位单片机处理一次最大才是255，所以需要两次才能完成。但是如果使用16位单片机的话则只需要一次

15、即可完成，根据上述原理我们可以知道2的16次方等于65536远远大于（200+300）这个数值，因此只需要一次即可完成运算。考虑到本次设计方方面面的因素可以发现8位单片机应经能够完全满足本次设计的需求。现在，在8位单片机中我们使用最多的就是intel的51系列的单片机，51单片机主要有以下特点：1.为了方便人们携带，51单片机的体积设置较为小巧。2.为了提高51单片机的可靠性，单片机的集成度相对较高。3.控制能力和扩展性能都非常好，很容易构成各种我们想要的应用系统。4.在供电的时候不需要另外再接直流电源，只需要用usb线直接连接到电脑接口上即可。5.按位处理是51系列的特色所以也被唤作位处理器

16、。6.在价格方面51系列单片机相对avr、pic等系列单片机较低。所以本次设计使用的是51系列中的stc89c52单片机，stc89c52单片机继承了51单片机的所有优点，同时stc89c52单片机还拥有自己独一无二的优点，例如：1.stc89c52单片机内部带一个8k的fperom的存储器2.stc89c52通过内部的高增益反向放大器来实现单片机的时钟电路在本次设计中数据存储、程序运行和硬件设备、电路的连接都要靠单片机来实现。一方面，将a/d转换器、led数码管、蜂鸣器等硬件设备连接起来，另一方面，单片机通过其内部编写进去的程序实现对整个设计的输入、输出信号进行控制、传输、检测等功能。3.1

17、.1 stc89c52主要特性（1）使用的内核是mcs-51 ，与其兼容。（2）能够保存数据的时间长达10年。（3）拥有一个8kb的fperom，可以进行高达100000次的写/擦操作。（4）拥有32个双向的输入/输出（i/o）接口。（5）拥有6个中断源（串行：2，外部：2，读/写：2）。（6）外部中断源可以将其在掉电模式中唤醒，当该模式结束后，它将任然进行源程序的操作。（7）在空闲模式下它的功耗为2ma，任何的中断源（串行中断、外部中断、读/写中断）都可以唤醒这种模式。（8）有3个16位的计数器/定时器，但是t0相当于2个8位的计数器/定时器相结合。（9）全静态工作时，它的工作频率是0hz到

18、24hz。（10）我们在下载程序的时候不需要使用专门的编程器和仿真器，通过单片机自身的串口就可以达到目的，而且下载速度也相当的快，比如下载一个8kb的程序只需要3秒即可完成。（11）时钟/机器周期有2个，在使用的时候可以随意在12和6两个之间选择。3.1.2 stc89c52引脚说明stc89c52引脚图如下图4所示。图4 stc89c52引脚图vcc（40）：电源接口，接+5v的直流电压。gnd （20）：接地接口。p0（39-32）：p0口是一个8位双向的输入/输出接口，名称为p0.0- p0.7，每一个引脚都可以吸收8位ttl门电流，当程序编程的时候，p0口输入的是原码，当程序检验的时分

19、，p0口输出的是原码，这个时候需要将p0口的外部电阻进行上拉。p1(8-1): p1口是一个8位的准双向的输入/输出接口，名称为p1.0- p1.7,每一个引脚都可以输出4位ttl门电流，当p1口写入高电平的时分，接口将被内部上拉电阻给拉高，这时p1口被用作是输入接口。除此之外p1接口的一些引脚还有第二种功能，如下表1所示。表1 p1接口引脚的复用功能引脚号复用功能p1.0t2(定时器/计数器2的外部计数输入)，时钟输出p1.1t2ex（是t2捕获/重装触发和方向控制）p1.5mosi（在线系统编程用）p1.6miso（在线系统编程用）p1.7sck （在线系统编程用）p2(28-21): p

20、2口是一个内部具备上拉电阻的8位双向的输入/输出接口，名称为p2.0- p2.7，4位ttl门电流也可以像在p1中一样在p2中输出，当p2口写入高电平的时分，接口将会被内部的上拉电阻给拉高，这时p2口被用作输入接口。p3(10-17): p3口和p2口一样也是一个内部具有上拉电阻的8位双向的输入/输出接口，名称为p3.0- p3.7，和p1、p2口一样p3口的每一个引脚都可以输出4位ttl门电流，当p3口写入“1”的时候，接口也像p1和p2接口一样将会被内部的上拉电阻给抬高，这时我们也可以将p3口当作是输入接口来使用。除此之外p3还可以在其它地方得到应用。如下表2所示p3接口的其它应用。表2

21、p3接口的复用功能引脚号复用功能p3.0rxd (串行输入口)p3.1txd（串行输出口）p3.2外部中断0p3.3外部中断1p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（和t0功能相似，作为t1的输入）p3.6写（w）选通p3.7读（r）选通xtal1（19）：振荡电路反向放大器的输入端以及时钟电路的输入端。xtal2（18）：振荡电路和xtal1相同而时钟电路与其恰好相反。rst（9）：复位输入端，当信号在高电平的时分单片机才可以复位，另外还要保证它是24个时钟周期宽度以上。单片机内部复位电路如下图5所示。resc-rstvcc r1 gnd图5 单片机内部复位电路psen（29）：选通

22、信号的输出端子。ale/prog（30）：地址锁存信号端。如果程序访问的是外部存储器，那么ale就被作为低8位的信号。ea/vpp（31）：外部访问允许端。要使cpu访问外部程序存储器那么该端就必须为低电平，要使其访问内部则需要是高电平。另外，该端还可以接+12v的电源，用于使用12v编程电压的时候。3.1.3 stc89c52内部振荡器的特性单片机stc89c52内部有两个反向放大器xtal1和xtal2，分别在单片机中对应的是19端子和18端子，分别是它的输入和输出端。此外振荡器也是由它改变而成的。如果xtal2端子没有接入电路，那么我们就可以知道是外部时钟源驱动的器件。单片机的时钟电路如

23、下图6所示。c2x1xtalgnd c1 x2图6 单片机内部时钟电路3.2 模/数（a/d）转换器的选择模数转换器的发展过程和计算机的发展极为相似，同样经历了3个阶段。随着科技的不断进步与发展超导技术也开始逐步应用于模数转换器之中。如今，在一块单片机上可以同时见到模拟和逻辑部件，随着科技的不断进步，速度和精度已经成为判断模数转换器优劣的两个重要指标。目前，在市面上可以见到很多种转换器，有逐次逼近型、积分型等。本次设计使用的是adc0832，它归类于逐次逼近型。adc0832具有8位分别率。相比于其它模数转换器，adc0832具有体积小，分辨率高等特点。在本次设计中模数转换器的主要作用就是模拟

24、量转换成数字量然后再由单片机进行处理形成段码最后将数字显示在led数码管中。3.2.1 adc0832的主要特性（1）拥有8位分辨率。（2）信号的转换时间与采集时间短，转换时间大约是32us。（3）具有双通道模数（a/d）转换。（4）供电电源为5v。（5）功耗相对较低，大约是15mw。3.2.2 adc0832引脚说明模数转换器adc0832的引脚图如下图7所示。图7 adc0832的引脚图模数转换器adc0832各个引脚的功能如下表3所示。表3 adc0832引脚功能说明引脚号功能cs片选使能，低电平芯片使能ch0模拟信号的输入通道ch1模拟信号的输出通道gnd接地端di数据输入端子do数据

25、输出端子clk芯片时钟输入vcc/ref 连接电源3.2.3 连接电路如下图8所示模/数转换器adc0832与单片机stc89c52之间的接口电路。图8 adc0832与stc89c52之间接口电路3.3 led数码管介绍led数码管是我们在生活中经常见到也经常用到的一种电子器件，led数码管能够在小电流、低电压的驱动下发光从而显示出数字这样就能够显示出时间、日期、频率等，另外led数码管体积小、质量轻等优点在我们生活中得到广泛的应用比如在空调、冰箱、汽车、电子手表等。数码管通常被分为共阳极和共阴极。本次设计采用的是四位共阴极数码管。数码管在我们生活中的应用举例如下图9和图10所示。图9 温度

26、计 图10 电子手表3.3.1 数码管电路的设计数码管的显示电路如下图11所示。图11 数码管的显示电路四位共阴极数码管的工作原理就是：将每一个数码管的阴极用导线连接在一起构成公共的阴极端，再将其接地，当发光的时候，如果该字段的阳极为高电平那么该字段就会发光，如果该字段的阳极是低电平就不会发光。3.4 电源电路电源电路承担着驱动整个系统的重要任务，本次设计的电源电路如下图12所示。图12 电源电路其中sw1是电源开关，本次设计使用的是自锁开关，自锁开关硬件图如下图13所示。图13 自锁开关硬件图图中p2 是电池盒接口。自锁开关的引脚识别方法如下所示。3 62 51 。 4值得注意的是在在开关的

27、底部有一个小洞，在1和4之间。1 2和4 5是常开触点，2 3和5 6是常闭触点。当开关按下的时候1 2触点和5 6触点导通，2 3触点和4 5触点断开。当开关弹起的时候2 3触点和4 5触点导通，1 2触点和5 6触点断开。在电路中我们随便连接一组就可以达到目的了。4 软件的设计系统的软件主要是用来对信号的采集、识别等任务，本次软件设计的大体框架是主程序使用是死循环结构，同时还在其中调用了3个子程序，分别是初始化子程序、模/数转换子程序、以及动态显示子程序。单片机首先通过某种方式来唤醒模/数转换器，之后当有信号传入模/数转换器，那么模/转换器数就将该信号进行存储，同时对该信号进行模数转换，当

28、信号被转换完成再传送到led数码管，最后显示数字。设计的整体框图如下图14所示。ny图14 整体框图4.1 初始化子程序我们在这里所说的初始化其实就是对单片机内部即将使用到的一些部件进行初始化设定，比如对单片机内部的定时器、存储器、中断等进行一系列的初始化设定。4.2 模数转换子程序模数转换子程序其实和我们之前所将的一样，主要任务就是对输入的模拟电压量进行存储，同时对这个模拟电压量转换，最后传送到led数码管，由它来进行显示。模数转换的框图如下图15所示。ny图15 模数转换框图4.3 用protel99绘制电路原理图随着现在市场上竞争的日益激烈，要求新产品开发的周期也必须缩短，单片机应用系统

29、的开发也不例外，所以在这种环境下，单片机的仿真技术就应运而生了。本次设计采用的是protel99，protel99很强大的功能不仅可以绘制电路原理图，而且还可以进行对印刷电路的设计和可编程逻辑器件的设计。4.4 用keil c51进行程序编程keil c51其实就是在单片机内部实现c语言编程的一种软件，在编程过程中使用特别地方便，因为当我们使用它编程时，它所形成的代码非常紧凑，而且很容易理解。5.系统焊接与安装应注意的事项按照电路图买好所需的元器件，在检查好是否与电路图上所需的元器件一致后，按照电路图进行上件、焊接，在上件与焊接的时候的要先上件和焊接位置较低的元器件，另外容易损坏的元器件一定要

30、最后再焊接，同时还要防止出现虚焊、漏焊等失误。参考文献1 李海滨，片春媛，许瑞雪.单片机技术课程设计与项目实例m.北京：中国电力出版社,2009：52 张洪瑞，蓝清华.单片机应用技术教程m.北京：清华大学出版社,1997：103 宁武，唐晓宇.新版大学生电子设计竞赛基本技能指导m.北京：电子工业出版社,20134 靳达.单片机应用系统开发m.北京：人民邮电出版社,20135 赵亮等.单片机c语言编程与实例m.北京: 人民邮电出版社,20036王为青等.单片机keil cx51应用开发技术m.北京:人民邮电出版社,20077柴欣.c/c+程序设计m.保定：河北大学出版社，20028阎石.数字电子

31、技术基础m.北京：高等教育出版社，1999附录1 电路原理图附录2 仿真图附录3 元件清单commentdescriptiondesignatorlibrefquantityvalue数码管3461ah*1dpy-4-vcc1电容capacitorc1, c2, c3, cp1cap4104pf, 20pf, 100pf, 104蜂鸣器electrical bellls1bell15v电源插针header, 2-pinp1header 21程序下载接口header, 4-pinp2header 41排阻header, 9-pin, right anglepack1-5kheader 9h1三极

32、管8550pnp bipolar transistorq1pnp1电阻resistorr1, r2, r4res2310k, 10k, 4.7k电阻resistorr3res2110k按键switchs1sw-pb1adc转换器u2adc08321单片机u1stc89c52rc111.0592m晶振crystal oscillatory1xtal1附录4 源程序/*包含头文件*/#include <reg51.h>#include intrins.h>/*端口定义*/sbit cs = p35;sbit clk = p36;sbit dati = p37;sbit dato

33、= p37;sbit beep = p24;/数码管位控sbitled0 = p20;/位控sbitled1 = p21;sbitled2 = p22;sbitled3 = p23;/*定义全局变量*/unsigned int dat = 0x00; /ad值unsigned long dat_sum = 0x00; /ad值 .unsigned int disdat;/转换后的电压值unsigned int temp_dat; /adc输出值unsigned char flag= 0; /超限标志 当超过9v被置1/若dat=adc0832(chg)*500.0/255; 不可用unsign

34、ed char dat/500不可以。用500.0/如 下面unsigned int disdat; 不可unsigned char disdatunsigned char count = 0x00; /定时器计数unsigned char chg; /通道变量unsigned int dis = 0x00,0x00, 0x00,0x00; /显示数值/*共阳led段码表*/unsigned char code tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;char cod

35、e tablewe= 0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xfe ;/*函数功能:ad转换子程序入口参数:chg出口参数:dat*/unsigned char adc0832(unsigned char chg)unsigned char i,test,adval;adval = 0x00;test = 0x00;clk = 0; /初始化cs=1;dati = 1;cs = 0;_nop_();clk = 1;_nop_();if ( chg = 0x00 ) /通道选择clk = 0; /写入10，选单极性0通道dati = 1; /通道0的第一位_nop_(); /clk

36、上升沿写进去clk = 1;_nop_();clk = 0;dati = 0; /通道0的第二位_nop_();clk = 1;_nop_();else /写入11，选单极性1通道clk = 0;dati = 1; /通道1的第一位_nop_(); /clk上升沿写进去clk = 1;_nop_();clk = 0;dati = 1; /通道1的第二位_nop_();clk = 1;_nop_();clk = 0; /写进空闲位 /clk上升沿写进去dati = 1;_nop_();clk = 1;_nop_();/读取前8位的值for( i = 0;i < 8;i+ ) /读取前8位的

37、值 /clk下升沿读出来_nop_(); /高位先行adval = 1;clk = 1;_nop_();clk = 0;if (dato)adval |= 0x01;/else/ adval |= 0x00;for (i = 0; i 8; i+) /读取后8位的值 /clk下升沿读出来test >>= 1; /低位先行，时序图上if (dato)test |= 0x80;/else/test |= 0x00;_nop_();clk = 1;_nop_();clk = 0;if (adval = test) /比较前8位与后8位的值，如果不相同舍去。dat = adval; /若一

38、直出现显示为零，请将该行去掉_nop_();cs = 1; /释放adc0832，关闭dato = 1;clk = 1;return dat;/*函数功能:延时子程序入口参数:出口参数:*/void delay(void)unsigned int k;for(k=10;k<100;k+);void delay500ms()/11.0592mhzunsigned char i, j, k;_nop_();_nop_();i = 13;j = 156;k = 83;dodowhile (-k); while (-j); while (-i);/*函数功能:将0-255级换算成0.00-5.00的电压数值入口参数:i出口参数:*/void convdata(unsigned char i) /i=dat*5/255=51,是255份； 256份误差大temp_dat = (i*500.0/255);/500不可以。用500.0disdat = temp_dat *2;dis0 = disdat/1000; /个位dis1 = disdat/100; /个位dis2 = disdat/10%10; /小数点后第一位dis3 = disdat%10; /小数点后第二位/*函数功能:数码管显示子程