模拟电压显示器

1、摘要本文介绍了一种基于单片机的模拟电压显示器的设计。该设计主要由主控系统模块、A/D转换模块，程序存储器扩展模块及显示模块等模块组成。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成（因为ADC0809无法仿真，所以在仿真时使用ADC0808），它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到主控系统模块。主控系统模块选择了8031单片芯片作为控制芯片，该模块主要是把A/D转换模块ADC0809传送来的数字量经过处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示，再由于8031没有内置的程序存储器ROM，所以需要程序存储器扩展模块对其进行程序存储器的扩展。本设计电路结构简单，实现方便，功耗低，所用的元件较少，

2、成本低。 此模拟电压显示器可以通过改变电位器W1产生的0-5V电压，依次点亮L1-L12共十二个LED。 关键字：单片机 A/D转换 电压显示器前言电压显示器是对电压进行显示的装置，是科学实验和设备调试中的一种常用设备。本文介绍了采用80C31单片机作为主控制器，通过W1电位器来设置调整产生0-5V的电压值，并由十二个LED数码管显示表示相应的输入电压值。本系统由单片机程控设定数字信号经过D/A转换器输出模拟量，再经过驱动电路点亮相应的LED数码管。A/D的输入电压每增加512 V（417mV），则点亮一个LED。当A/D的输入电压>4.58V时，12个LED全部点亮。当A/D的输入电压

3、<0.417V时，12个LED全部熄灭。本文主要分析了模拟电压显示器的设计需求，阐述了模拟电压显示器的软硬件的设计原则，介绍了模拟电压显示器各模块电路的功能及设计思路，完成了模拟电压显示器的全部设计，给出了完整的电路图和程序。本文设计的重点是单片机主控系统和D/A转换电路，设计的难点是怎样利用8位的A/D对W1输出的电压进行采样，通过单片机控制，根据采样值点亮相应的12个LED数码管。第一章 系统总体设计一、系统设计任务与要求1、系统设计任务该模拟电压显示器采用80C31系列单片机为主控芯片，通过A/D转换实现对W1输出的电压进行采样，根据采样值点亮相应的LED。即利用电位器W1产生的0

4、-5V电压，一次点亮十二个LED。主要技术指标： A/D的输入电压每增加512 V（417mV），则点亮一个LED。当A/D的输入电压>4.58V时，12个LED全部点亮。当A/D的输入电压<0.417V时，12个LED全部熄灭。该模拟电压显示器由单片机系统、程序存储器扩展电路、A/D转换模块、分频电路、译码器模块、LED驱动显示电路、锁存器模块等模块构成。2、系统设计要求根据设计任务，详细分析模拟电压显示器的设计需求，并进行软硬件的总体设计。在完成总体设计后，进行硬件功能模块的设计，利用proteus软件和Keil4软件完成模拟电压显示器的全部电路的软硬件设计工作，利用Keil4

5、软件完成模拟电压显示器的全部控制软件的仿真调试工作。利用Proteus软件完成大部分功能模块的电路仿真。系统总体设计二、系统总体方案设计按照系统设计要求，在保证实现的基础上，要尽可能降低系统成本。整个系统从功能上划分为主控系统模块、程序存储器扩展电路、A/D转换模块、分频电路、译码器模块、LED驱动显示电路、锁存器模块等模块。1、 主控系统模块方案一：采用各类数字电路来组成控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。方案二：采用8031单片机作为整机的控制单元，通过A/D对W1输出的电压进行采样。此系统比较灵活，各类功能易于实现，能很好地

6、满足题目的要求1。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，故本设计采用方案二来实现。2、 程序存储器扩展电路由于8031单片机内部没有程序存储器ROM，所以无论程序长短，都必须扩展程序存储器。在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。芯片少，接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量大。本次设计选用2764 8K*8字节的EPROM芯片，该芯片接口简单，工作可靠，占用单片机I/O口线资源少。3、 A/D转换模块本设计中需要利用A/D转换对W1输出的模拟电压值进行采样，并实现数字量显示，所以需要用到A/D转换芯片。本

7、设计中采用A/DC0808 A/D转换芯片，该芯片是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式的A/D转换芯片，内部除了8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其可以根据地址译码信号来选择8路模拟输入，可以使8路模拟输入公用一个A/D转换器进行转换，提高了经济性。4、 分频电路模块本设计中需要将4MHz晶振产生的脉冲信号八分频后做为A/DC0808的时钟信号。所以需要分频芯片对脉冲信号进行分频。在本系统设计中，采用的是74LS393芯片对脉冲信号进行分频，该芯片是一个双四位二进制计数器，结构简单，实现方便，价格便宜。5、 译码器模块本设计中A/DC0809采样输出后送到单片机，需要一个译码器来产生地

8、址信号，由此信号来决定单片机地址。在本系统设计中，采用的是74LS138译码器芯片来产生地址信号，74LS138是常用的3-8线译码器，常用于单片机和数字电路中。6、 LED驱动显示电路模块本设计中需要根据W1输出的不同的电压值，依次点亮12个LED数码管，则系统中需要一个LED驱动电路对12个LED进行驱动，才能正常显示。在本系统设计中采用了74LS240芯片对12个LED进行驱动。74LS240是八单线驱动器（反码、三态输出），能够很好地驱动12个LED。7、 锁存器模块本设计中，在A/D转换的过程中，P0口地址和数据是分时输出的，所以需要锁存对其地址进行锁存，在本系统设计中采用了74LS

9、373芯片对其地址进行锁存。三、系统原理框图模拟电压显示器整个系统的原理框图如下图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 整个系统的原理框图第二章 系统硬件各功能模块的设计本章主要对主控系统模块，程序存储器扩展电路与锁存器模块，A/D转换模块三个主要模块进行了具体的设计分析，最后对整个系统进行了总体设计。一、主控系统模块的设计1、8031单片机简介128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，8031可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件

10、可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。8031采用PDIP封装形式，引脚配置如图2所示。图2 8031的引脚图2、8031芯片的各引脚功能P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是8031不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是

11、8031带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器

12、的读/写数据。P3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表2所示：表2 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 RXT（串行口输入）P3.1 TXD（串行口输出）P3.2/INT0（外部中断0输入）P3.3/INT1(外部中断1输入)P3.4T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6/WR（片外数据存储器写允许） P3.7/RD（片外数据存储器读允许）Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE：地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，8031的CPU在P0.0-P0

13、.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，8031自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA:片外存储器访问选择线，可以控制8031使用片内ROM或使用片外ROM,若/EA=1，则允许使用片内ROM, 若/EA=0，则只使用片外ROM。/PSEN：片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，8031自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使8031处于复位(即初始化)工作状态。通常8031复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1和XTAL2：片内震荡电路

14、输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8031片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。3、单片机在系统设计中的接线如图3：图3单片机接线图二、程序存储器扩展电路与锁存器模块的设计1、设计分析由于8031单片机不像89C51单片机那样，内部存在程序存储器ROM，所以必须在8031的外围电路中对其进行程序存储器的扩展，8031对程序存储器和数据存储器均可进行0000HFFFFH的64K字节地址内容的有效寻址。8031外扩展存储器时，P2作高位的地址输出，P0作低位地址输出和数据线。2、具体设计考虑系统的需要，我们将8031的程序存储器扩展为8K*4 EPROM，采用2764作为ROM

15、芯片。程序存储器扩展的容量大于256字节，故EPROM片内地址线除了由P0口经地址存储器提供低8位地址外，还需要由P2口提供若干条地址线，我们选用4K的2732 EPROM，故地址线应该是13条，为系统中只扩展一片EPROM，所以不用片选信号，即EPROM 的 接地。在程序扩展中，我们选用的地址锁存器是74LS373，当三态门的 为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出，否则 为高电平，输出为三态门断开，输出端对外电路呈高阻态，所以在这里 为低电平，这时当G端为高电平时，锁存器输出和输入的状态是相同的，当G由高电平下落为低电平时，输入端1D8D的数据锁入1Q8Q中。当2764读方式下为低电

16、平有效。当VPP=+5V时，EPROM处于读工作方式：这时由给定地址信号决定被选中存储器单元信息。被读出到数据输出端D0D7上。维持方式：当 为高电平时，VPP为+5V，EPROM处于低功耗方式，输出端均为高阻态，这与 输入无关。编程方式：在VPP加上+25V编程电源并在 和地端跨接一个0.1uf的电容以干扰电压的瞬间对2764编程方式，被编程的8位数据以并行方式送到数据输出断编程校验。3、 程序存储器扩展电路与锁存器模块在系统设计的接线如图4：图4 74LS373与2764芯片接线图三、A/D转换模块的设计1、A/D转换简介A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号，以便

17、pc等进行处理。A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。2、各种类型A/D的优缺点1）积分型A/D优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。2）并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。3）串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/

18、2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现A/D转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型A/D，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型A/D，现代的分级型A/D中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类A/D速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小。4）-型A/D由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨

19、率。主要用于音频和测量。5）电容阵列逐次比较型A/D在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如A/D650）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但

20、是需要外部计数电路共同完成A/D转换。7）逐次逼近型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。3、逐次逼近式A/D原理逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。转换原理如图5顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入电压输入数字量图5 逐次逼近式A

21、/D转换器原理图基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出

22、。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。4、 ADC0808型A/D转换器1） 主要特性ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，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ADC0808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，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域5。其主要性能如下： 分辨率为位；精度：ADC0809小于±1LSB（ADC0808小于±1/2LSB）；单+5V供电，模拟输入电压范围为05V；具有锁存控制的路输入模拟

23、开关；可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；功耗为15mW；不必进行零点和满度调整；转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：101280KHz。典型值为时钟频率640KHz，转换时间约为100S。2）ADC0809的内部结构及引脚功能、IN0IN7，路模拟量输入端。、D7D0，位数字量输出端。、ALE， 地址锁存允许信号输入端。通常向此引脚输入一个正脉冲时，可将三位地址选择信号A、B、C锁存于地址寄存器内并进行译码，选通相应的模拟输入通道。、START，启动A/D转换控制信号输入端。一般向此引脚输入一个正脉冲，上升沿复位内部逐次逼近寄存器，下降沿后开始A/D转换。、CLK，时钟信号输入

24、端。、EOC，转换结束信号输出端。A/D转换期间EOC为低电平，A/D转换结束后EOC为高电平。、OE，输出允许控制端，控制输出锁存器的三态门。当OE为高电平时，转换结果数据出现在D7D0引脚。当OE为低电平时，D7D0引脚对外呈高阻状态。、C、B、A，路模拟开关的地址选通信号输入端，3个输入端的信号为000111时，接通IN0IN7对应通道。、VR（）、VR（）：分别为基准电源的正、负输入端。3、ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通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 AD转换，之后EOC输出

25、信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 5、 ADC0809在系统设计中的接线图如图6图6 ADC0809接线图四、总体的系统设计根据各个模块方案的选择和具体设计，可以设计出模拟电压显示器整个系统的电路图如图7：图7模拟电压显示器总体设计电路图此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器W1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平，即A2，A1，A0均为“0”），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道AD0-AD7传送给8031芯片的P0口，8031负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的显示段码，并且用8031的P1口和P3口的低四位通过由三个74LS240构成的12位的驱动电路控制12个LED发光二极管。此外，8031还控制ADC0808的工作。其中，单片机8031的P3.4发正脉冲启动A/D转换，P3.6检测A/D转换是否完成，转换完成后，P3.7