课程设计直流电压表设计

1、目录一、 设计要求 -2二、 设计目的 -2三、 设计的具体实现-21、系统概述 -22、单元电路设计 -33、软件程序设计 -18四、 结论与展望 -20五、 心得体会及建议 -21六、 附录 -22七、 参考文献 -241直流电压表的设计报告一、设计要求设计一个由 8051MCU组成的简易直流电压表系统。能够测量一定范围的电压值，并以数字形式进行显示。通这过个过程熟悉 A/D 转换、键盘控制、串口通信和七段数码管的使用，掌握 51 系列单片机控制和测试方法设计以 AT89C51单片机为核心，对电压信号首先进行比例调节以满足 A/D 的需要；设计按键用于调节不同的电压档位；用 LED显示测量

2、得到的电压值；设计通信接口电路以实现测量数据的传送。完成基本要求，可以适当发挥进行扩展设计。测量范围 0-200V 8 位模数转换采样结果通过 LED数码管显示通过串行口与 PC通信二、设计目的通过“基于单片机的数字电压表设计” ，对所学微型计算机控制技术课程知识起到融会贯通作用，并锻炼学生独立设计、制作和调试应用系统的能力，深入领会微型计算机控制系统的软、硬件调试方法及研制过程；同时掌握使用proteus 软件进行系统仿真调试，使用 keil 软件进行系统软件编程和调试， 培养学生实际动手能力，为今后走向工作岗位打下良好基础。三、设计的具体实现1、系统概述设计思路：2根据设计要求，选择AT8

3、9C51单片机为核心控制器件。A/D 转换采用 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。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。AT89C51时钟电路P1 A/D 转换电路 测量电压输入 P2P2显示系统复位电路P0图 1 数字电压表系统硬件设计框图2、单元电路设计（ 1）单片机系统 AT89C5

4、1性能AT89C51是美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS8位单片机，片内含有 4KB的可反复擦写的只读程序存储器和 128 字节的随机存储器。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AT89C51是一种高效微控制器，它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。36 。AT89C51功能性能 : 与 MCS-51成品指令系统完全兼容； 4KB可编程闪速存储器；寿命： 1000 次写 / 擦循环；数据保留时间： 10 年；全静态工作： 0

5、-24MHz；三级程序存储器锁定； 128*8B 内部RAM；32 个可编程 I/O 口线；2 个 16 位定时 / 计数器；5 个中断源；可编程串行 UART通道；片内震荡器和掉电模式AT89C51各引脚功能AT89C51提供以下标准功能： 4KB的 Flash 闪速存储器， 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， AT89C51可降至 0Hz 静态逻辑操作，并支持两种软件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

6、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。 AT89C51采用 PDIP 封装形式，引脚配置如图 2 所示。4图 2 AT89C51的引脚图AT89C51芯片的各引脚功能为：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 89C51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 89C51带片外存储器，

7、 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

8、选中片外存储器单元，但并不是像P0 口那样传送存储器的读 / 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，如表1 所示表 1 P3 口各位的第二功能P3 口各位第二功能P3.0RXT（串行口输入）P3.1TXD（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）5P3.6/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

9、：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， 89C51 的 CPU在 P0.0-P0.7 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， 89C51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 89C51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，89C51自动在 /PSEN线上产生一个负脉冲， 作为片外 ROM芯片的读选

10、通信号。RST：复位线，可以使 89C51处于复位 ( 即初始化 ) 工作状态。通常 89C51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 89C51 片内 OSC(震荡器 ) 的定时反馈回路。(2) 复位电路和时钟电路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 1 。复位完成后，如果 R

11、ST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 3 是 51 系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路， 只6要 Vcc 上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作 1 。图 3复位电路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

12、入端， XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路1 。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，只需要一个晶振和2 个电容即可，如图4 所示。7图 4 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 30 10pF，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。(3)A/D 转换模块现实世界的物理量都是模拟量，能把

13、模拟量转化成数字量的器件称为模 / 数转换器（ A/D 转换器），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逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式 A/D 转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式 A/D 转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8 路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个 n 位的逐次逼近型A/D 转换器只需要比较n 次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D 转换器转换速度快，因而

14、在实际中广泛使用1 。逐次逼近型 A/D 转换器原理8逐次逼近型 A/D 转换器是由一个比较器、 A/D 转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置 1，把数据送入 A/D 转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则 1 保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则 1 不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量 5 。其原理框图如图5 所示：输入数字量输入电压顺序脉冲发生器逐次逼近电压寄存器ADC比较器图 5

15、 逐次逼近式 A/D 转换器原理图 ADC0808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 。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 路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三9态输出，输出与 TTL 兼容；转换时间： 128s；转换精

16、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6满度调整；低功耗，约15mW。 ADC0808外部引脚特征ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图 6 所示。图 6 ADC0808引脚图下面说明各个引脚功能 :IN0-IN7 （ 8 条）：8 路模拟量输入线， 用于输入和控制被转换的模拟电压。地址输入控制（ 4 条）：ALE:地址锁存允许输入线， 高电平有效，当 ALE为高电平时，10为地址输入线，用于选择 IN0-IN7 上那一条模拟电压送给比较器进行 A/D 转换。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线， 用于选择

17、 8 路模拟输入中的一路，其对应关系如表 2 所示：表 2 ADC0808通道选择表地址码对应的输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于 100ns，上升沿清零 SAR,下降沿启动 ADC工作。EOC:EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D 转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。D1-D8：数字量输出端， D1为高位。OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8 引脚上输出转换后的数字量。REF+、REF-: 参考电压输入量，给电阻阶梯

18、网络供给标准电压。Vcc、GND: Vcc 为主电源输入端， GND为接地端，一般REF+与 Vcc 连接在一起， REF-与 GND连接在一起 . CLK: 时钟输入端。11 ADC0808的内部结构及工作流程ADC0808由 8 路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器， 8 位开关树型 A/D 转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图 7 所示。图 7 ADC0808 的内部结构其中：a）8 路模拟通道选择开关实现从 8 路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。b）地址锁存与译码器用于当 ALE信号有效时，锁存从 ADDA、ADDB、 A

19、DDC 3根地址线上送来的 3 位地址，译码后产生通道选择信号，从 8 路模拟通道中选择当前模拟通道。c）比较器， 8 位开关树型 A/D 转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成8 位 A/D 转换器，当 START信号有效时，就开始12对当前通道的模拟信号进行转换，转换完成后，把转换得到的数字量送到 8 位三态锁存器，同时通过引脚送出转换结束信号。d）三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当OE信号有效时，把转换的结果送出。ADC0808的工作流程为：a) 输入 3 位地址，并使 ALE=1,将地址存入地址锁存器中，经地址译码器从 8 路模拟通道中选通1 路模拟量送给比较器。

20、b) 送 START一高脉冲， START的上升沿使逐次寄存器复位，下降沿启动 A/D 转换，并使 EOC信号为低电平。c ）当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器中，并使EOC信号回到高电平，通知CPU已转换结束。d）当 CPU执行一读数据指令时，使 OE为高电平，则从输出端 D0-D7 读出数据。(4) LED 显示系统设计 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。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

21、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 8所示:13图 8 LED 引脚排列 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 9 所示，是一个共阴极接法的 4 位 LED 数码显示管，其中 a，b，c

22、，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 位一体 LED数码显示管的内部结构是由 4 个单独的 LED组成，每个 LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。图9 4 位LED引脚对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位 LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个 I/O 接口控制）显示。 LED 译码方式译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于 LED数码管显示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译

23、码方式两种。硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换。14软件译码就是编写软件译码程序， 通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程序通常为查表程序 3 。本设计系统中为了简化硬件线路设计， LED 译码采用软件编程来实现。由于本设计采用的是共阴极 LED，其对应的字符和字段码如下表 3 所示。表 3 共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH LED显示器与单片机接口设计由于单片机的并行口不能直接驱动 LED 显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作

24、 7 。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此， LED 显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字式直流电压表的电路设计， 在 LED 驱动电路的设计上，可以利用单片机 P0 口上外接的上拉电阻来实现，即将 LED 的 A-G 段显示引脚和 DP 小数点显示引脚并联到 P0 口与上15拉电阻之间，这样，就可以加大 P0 口作为输出口德驱动能力，使得 LED 能按照正常的亮度显示出数字，如图 10 所示。图 10 LED 与单片机接口间的设计16（ 5）总体电路设计经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表

25、硬件电路原理图如图 11 所示。17图 11 简易数字电压表电路图此电路的工作原理是： +5V模拟电压信号通过变阻器 VR1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），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 ADC08

26、08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/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 3 。3、软件程序设计（ 1）程序设计的总体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 12 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18图 12 数字式直流电压表主程序框图（ 2）系统子程序设计初始化程序所谓初始化，是对将要用到的

27、 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。 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13 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 13 A/D 转换流程图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19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

28、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。（ 3）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。 Proteus 软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如 LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus 支持的微处理芯片包括 8051 系列、AVR系

29、列、PIC系列、 HC11系列及 Z80 等等。 Proteus 可以完成单片机系统原理图电路绘制、 PCB设计，更为显著点的特点是可以与 u Visions3 IDE 工具软件结合进行编程仿真调试 8 。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。四、结论与展望经过一段时间的努力，课程设计 - 基于单片机的简易直流电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计次用Proteus实现了仿真。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

30、 和 Keil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20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。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

31、所提升。五、心得体会及建议通过本次设计，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。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。调试程序时，我遇到了很多困难，例如：参考文献错误的指导，调试环节的错误使用，硬件改装，程序本身不可预见的错误等。经历了写程序、调试、仿真，没

32、人告诉你错在哪里，没人告诉你该怎么做， 那段日子真的很难熬， 几乎每时每刻都在想办法，最后经过多次调试之后终于成功了，我很为自己高兴，因为我这段日子的付出终于得到了回报。做好一件事真的很不容易。在以后的学习中我会更加努力的学习理论知识，在理论的基础上加强实践，达到理论与实践的更好结合。在这次的设计中也让我明白了一个道理，只有多加练习运用才会真正的吸收知识，使之成为自己的东西。21六、附录程序代码LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7ORG 00HSJMP STARTORG 0BHLJMP INT_T0START: MOV LED_0, #00HMOV P2, #0FFHMOV LED_1, #00HMOV LED_2, #00HMOV DPTR, #TABLEMOV TMOD, #02HMOV TH0, #245MOV TL0, #00HM