数字电压表课程设计

1、 单片机技术课程设计说明书 数字电压表 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： zxxxx 指导教师： 肖冬瑞 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 1xxxxxxx 班 级： 电气本xxx 完成时间： 2016年x月 湖南工学院单片机技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导教师肖冬瑞学生姓名xxx课题名称数字电压表内容及任务一、设计任务设计一个能够测量直流电压的数字电压表。二、设计内容1、电压表的硬件系统（1)、单片机最小系统模块（2）、供电模块（3）、显示模块（4）、键盘模块（5）、模数转换模块2、电压表的软件系统（1）、系统监控程序

2、模块（2）、显示程序模块（3）、键盘程序模块（4）、模数转换及数据处理程序模块三、设计要求测量电压范围05V，测量精度小数点后两位。该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”， 进入测量准备状态，按测量开始键则开始测量，并将测量值显示在显示器上，按测量结束键则自动返回“P.”状态。主要参考资料1李广弟.单片机基础M.第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6.2李全利.单片机原理及应用（C51编程）M.北京：高等教育出版社，2012.12.3马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.第4版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6. 4李光飞.单片机C程序设计指导M.北京:北京

3、航空航天大学出版社，2003.01.5李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.9.教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要 在日常维修、教学和科研中、电压表是不可缺少的。本课题目的就是以单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表。该设计介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89S52来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据

4、处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着ADC0809芯片工作。此数字电压表可以测量0-5V的模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的共阳数码管显示出来，误差不超过0.02V。该设计的数字电压表,其硬件电路所用元件较少、成本低、调节简单；软件采用汇编语言编写，其灵活性较高，经过理论研究、原理设计和整机调试，实验结果表明，该方案可行。并且由于该数字电压表系统构造简单、抗干扰能力较强，因此具有一定的实用价值。 关键词 : 数字电压表；单片机；A/D转换目 录1 绪论11.1 课题研究相关背景11.2 课题研究意义11.3 国内外研究现状12 硬件电路设计32.1 A/D转换介绍

5、3 2.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理3 2.1.2 ADC0809芯片32.2 单片机系统4 2.2.1 AT89S52简单功能介绍4 2.2.2 AT89S52芯片52.3 其他逻辑电路5 2.3.1 74LS74电路5 2.3.2 或非门，非门电路62.4 数码管显示电路7 2.4.1 LED简介7 2.4.2 LED显示原理82.5 时钟电路和复位电路8 2.5.1 时钟电路8 2.5.2 复位电路92.6 锁存电路92.7 硬件电路的最终确立103 程序设计113.1 程序设计方案113.2 程序介绍11 3.2.1 初始化程序11 3.2.2 A/D转换程序11 3.2.3 中

6、断法程序124 仿真及误差分析134.1 Proteus仿真图13 4.1.1 原理图说明134.2 误差分析14 4.2.1 设计结果显示14 4.2.2 误差分析15结束语16致 谢17参考文献18附 录19 附录A 电路原理图19 附录B 元件清单20 附录C 实物图21 附录D 程序清单221 绪论1.1 课题研究相关背景 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

7、强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。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，展示出强大的生命力。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表（含数字万用表），也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本设计重点是A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。1.2 课题研究意义 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用

8、数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。除此之外，数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点：读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强等。因此 对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。但是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求。而应用单片机为核心单元的数字电压表，其灵活性高、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。在这

9、些背景下，设计一种以单片机为基础、结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。1.3 国内外研究现状 数字电压表作为电压表的一个分支，在近五十年间得到巨大发展，构成数字电压表的核心器件已从早期的中小规模电路跨入到大规模ASIC(专用集成电路)阶段。数字电压表涉及的范围也从传统的测量扩展至自动控制、传感、通信等领域，展示了广阔的应用前景。传统电压表的设计思路主要分为：用电流计和电阻构成的电压表；用中小规模集成电路构成的电压表；用大规模ASIC(专用集成电路)构成的电压表。这几中电压表设计方式各有优势和缺点，分别适用于几种特定的应用环境，同时，也为很多新颖的电压表的设计所借鉴和依据。近入

10、21世纪，随着信息技术一日千里的发展，电压表也必经历从单一测量向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程，特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。因此，把电压表和计算机技术相结合的智能化电压表就将成为21世纪的新课题。目前，数字化仪器与微处理器取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，一个内藏微处理器的仪表意味着计算机技术向仪器仪表的移植，它所具有的软件功能使仪器 呈现出有某种延伸，强化的作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这已为70年代以来仪表发展的历史所证实。概括起来，具有微处理器的仪表具有以下特点：测量过程的软件控制对测量数据进行存储及运算的数据处

11、理功能是仪表最突出的特点；在仪器的测量过程中综合了软件控制及数据处理功能，使一机多用或仪器的多功能化易于实现，成为这类仪器的又一特点；以其软件为主体的智能仪器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性。2 硬件电路设计2.1 A/D转换介绍 现实世界的物理量都是模拟量，能把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。逐次逼近式A/D转换的转换速度快，而且精度高，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

12、系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。本次设计采用ADC0809芯片。 逐次逼近型A/D转换器原理 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。2.1.2

13、ADC0809芯片 ADC08089是采用逐次逼近式A/D转换原理，可实现8路模拟信号的分时采集，芯片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存与译码电路，转换时间为100us左右。ADC0809的引脚图及连线图如图2所示。 图1 ADC0809芯片引脚图及连线图IN0-IN7：8路模拟量输入通道，用于输入和控制被转换的模拟电压。ALE:地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A,B,C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。上跳沿时内部寄存器清零；下跳沿时，开启A/D转换；在A/D转换期间，START保持低电平。EOC: EOC为转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，

14、转换结束。使用中既作为查询的状态标志，又可以作中断请求信号使用。D7-D0：数字量输出端。为三态缓冲输出形式，可以与单片机直接相连。D0为低位，D7为高位。 A,B,C:地址线，模拟通道的选择信号。A为低位地址，C为高位地址，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表一 通道选择表OE：OE为输出允许端，高电平能使D0-D7引脚上输出转换后的数字量。VREF+、VREF-:参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近式的基准，（典型的VREF+为+5V、V

15、REF-为0V）。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。2.2 单片机系统 AT89S52简单功能介绍 AT89S52的主要功能如下：（1） 晶片内部具有时钟振荡器；（2） 有8位CPU和系统可编程Flash;（3） 内部程序存储器即ROM为8KB；（4） 内部数据存储器即RAM为256字节；（5） 32个可编程的I/O口线；（6） 8个中断向量源；（7） 三个定时器/计数器； 2.2.2 ATS9S52芯片 AT89S52芯片引脚图及连线图如图2 图2 AT89S52芯片引脚图及连接图本次设计

16、中所用到的引脚有：P0，P1，P2，P3：四个8位并行口，实现数据的并行输入/输出；ALE:地址锁存信号,此外ALE以1/6晶振频率输出，可作为外部脉冲使用；RST:复位信号；XTAL1，XTAL2：内部时钟时，外接电容和石英晶体；外部时钟时，接外部时钟脉冲信号;INT1:外部中断申请引脚；/EA:访问程序存储器控制信号，为高电平时由内而外访问程序存储器；2.3 其他逻辑电路 74LS74电路 74LS74引脚图及连线图如图3 图3 74LS74引脚图 本次设计所用脉冲为500KHZ,硬件电路中晶振的频率为12MHZ，经ALE分频得2MHZ，因此用74LS74产生一个四分频电路，即产生500K

17、HZ的脉冲信号，分频电路连线图如图5图4 74LS74分频电路 或非门，非门电路（1）74LS02或非门 74LS02引脚图及连线图如图5 图5 74LS02功能引脚图及连线图（2）74LS04非门 74LS04引脚图及连线图如图6 图6 74LS04功能引脚图及连线图两种电路输出幅度大，带负载能力强，抗干扰能力强，本次设计采用这两个电路进行ADC0809与单片机的连接，ADC0809的EOC引脚通过非门与单片机的外部中断P3.3连接，以提供外部中断请求信号；单片机的写信号/WR和P2.0口通过或非门与ADC0809的ALE引脚相连，读信号/RD和P2.0通过或非门与ADC0809的OE端相连

18、。2.4 数码管显示电路2.4.1 LED简介 LED是Light Emiting Diode(发光二极管)的缩写，发光二极管能将电信号转换为光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成的“8”字形的LED显示器。也称数码管。本次设计所用的为四位一体共阳数码管，其引脚图及连线图如图7 图7 四位一体数码管引脚图及连线图2.4.2 LED显示原理 段码：段码就是为数码管显示提供的各段状态组合，即字形代码。7段数码管的段码为7位，用一个字节显示即可。段码的值与数码管公共引脚的接法有关，共阳如表二显示表二 十六进制段码表数字共阳极段码0C0H1F9H2A4H3B0H499H592H682H7F8H88

19、0H990HA88HB83HCC6HDA1HE86HF8EH灭FFH2.5 时钟电路和复位电路 时钟电路 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8所示: 图8 晶振电路连线图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。2.5.2 复位电路 单

20、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。其复位电路图如图9所示: 图9 复位电路连线图2.6 锁存电路 锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存，就是把信号暂存以维持某种电平状态。锁存器的最主要作用是缓存，其次完成高速的控制其与慢速的外设的不同步问题，再其次是解决驱动的问题，最后是解决一个I/O 口既能输出也能输入的问题。本课题设计采用的锁存器为74HC573，实现锁存功能。其引脚图及连线图如图10所示。 图10 74HC573引脚图及连线图2.7 硬件电路的最终确立1.电路

21、原理图见附录 A2.元件清单见附录 B3.实物图见附录 C3 程序设计3.1 程序设计方案 此次程序设计采用的是延时法。主程序设计的总方案见图11设计框图。图11 方案设计框图3.2 程序介绍3.2.1 初始化程序如上文介绍本次设计选择通道IN0，8路模拟选择通道A,B,C分别接3位低位地址Q0,Q1,Q2即P0.0，P0.1，P0.2，而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为FEF8H-FEFFH。3.2.2 A/D转换程序转换框图如图12所示图12 A/D转换框图3.2.3 延时法程序软件延时法是指用软件延时等待一次A/D转换结束。延时时间取决于计算和调试而获得的AD

22、C完成一次转换所需要的时间。延时法程序设计流程框图如图13所示延时法程序清单见附录D图13 延时程序流程框图4 仿真及误差分析4.1 Proteus仿真图 图14 Proteus仿真原理图4.1.1 原理图说明 此电路的工作原理是：模拟电压信号通过变阻器RV1分压后由ADC0809的IN0通道进入，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AT89S52芯片的P1口，AT89S52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P2.1、P2.2、P2.3、P2.4产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89S5

23、2还控制ADC0809的工作。接到ADC0809的CLOCK,P2.0发正脉冲启动A/D转换。补充说明：Proteus里面没有ADC0809的封装模式，因此选用ADC0808代替，两者没有本质区别，ADC0808是ADC0809的简化版，主要的不同点是0808的转换输出D0-D7与常用的输出端高低位是相反的，即0809的最低位是D0,0808的最低位为out7。类似的，软件里面没有AT89S52的封装，则选用的AT89C52实现其功能。4.2 误差分析 设计结果显示仿真结果如图15所示 图15 启动显示P 图16 输入0V显示0V 图17 输入2.75V显示2.73 V 图18 输入3.85V

24、显示3.83 图19 输入4.55V显示4.53V硬件实物结果如图20和图21所示图20 系统复位后显示“P”图21 实物数码管显示电压 误差分析数码管显示与电压表电压对比如表三表三 数码管显示电压与实测电压对比数码管显示电压电压表所测电压误差0.000.000.002.732.750.025.833.850.024.534.550.02由于单片机AT89S52为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0808输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般有0.02V的误差

25、。结束语该系统是基于AT89S52单片机的数字电压表设计。对数字电压表的测量结果表明，数字电压表基本满足设计的要求。具体的研究成果和结论如下：完成了A/D转换电路、复位电路、振荡电路以及显示电路的硬件设计。在软件设计上采用了模块化程序设计的方法，降低了程序的复杂度，更加有利于对模块电路的调试，同时增加了程序的可读性。经过一段时间的努力，课程设计基本完成。但设计依旧有不足之处。在电路中用Proteus软件实现了仿真，在这过程中，使我对电路设计和单片机的使用都有了新的理解。通过这次设计让我能更加了Proteus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

26、电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。总之这次课题设计的设计和仿真基本达到设计功能要求。在以后的实践当中我将继续努力学习电路理论设计知识，并且联系实际生活，争取能在电路设计方面取得长足的进步。 致 谢通过这次比较完整的课程设计，使我们摆脱了单纯的理论知识学习状态，同时使我们学习了用理论与实践的结合的方法，进一步锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，提高实际设计问题的能力，同时，也提高了我们查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等能力，而且通过整体的掌握对布局的取舍以及对细节的斟酌处理，都使我们能力得到了锻炼、经验得到了丰富，耐力在不同程度上得到了提高，这是我们都想看到的也是我们进行这次

27、课程设计的目的所在。虽然这次毕业设计内容不多、过程繁琐但我们收获很多，在这次设计过程中我们不仅对A/D转换芯片ADC0809有了进一步熟悉，随着设计的不断深入对它的工作原理、启动设置、转换结束判断及输出等都基本掌握，在和老师的沟通交流的过程中我们对设计有了新的认识，并且对实物的连接与布局有了新的看法，对我们以后将要进行的设计奠定了初步的基础。在这次设计过程中，由于我们知识匮乏，经验不足，出现了很多问题，但在同学和老师的帮助下得到些微的改善。在上课时中，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及诲人不倦的师者风范深深的感染和激励着我，是我在以后的生活和学习过程中不

28、断学习的楷模。在此，我要对在设计过程中帮助过我的人说一声：谢谢！参考文献1 李广弟，朱月秀.单片机基础M北京：北京航空航天大学出版社，2013.25892 李全利.单片机原理及应用（C51编程）M北京：高等教育出版社，2012.32983 阎石.数字电子技术基础M，北京：高等教育出版社，1998.101524 曹才开，罗雪莲.电路与电子技术实验M湖南：中南大学出版社，2015.561535 李光飞，单片机课程设计实例指导M北京：北京航空航天大学出版社,2014.561806 马忠梅，单片机的C语言windows环境编程宝典M北京：北京航空航天大学出版社，2013.521257石文华.单片机原理

29、及应用M.中国电力出版社, 2005.891238 何毅，赵龙，王海峰.基于51单片机的数字电压表仿真设计J，山西：电子技术，2002,28(3):2492529 田淑青.C语言程序设计D，北京：高等教育出版社，1998.236910 曹汉房编著，数字技术教程M北京：电子工业出版社，2005.10312011 阎石编著，数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2006.13235212 沈嗣昌编著，数字设计引论M北京：高等教育出版社，2002.5316713 刘亦松等编著，数字电路逻辑设计J北京：高等教育出版社，2008,12(6):2310114 李元编著，数字电路设计M南京大学出版社，20

30、07.2.3511615 陈在熏等编著，数字电子技术M机械工业出版社，2006.3.186816 Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated CircuitsM200117 George Lee,Karina Ng,Edmond Kwang.Design of ring oscillator based voltage controlled oscillator. Project Final ReportR. 200518 Feng Gao,Liang Fei Liu, Wei Zhao.LabEW-Based Intelligent Digi

31、tal Voltmeter DesignJ. Advanced Materials Research . 2014 (945) 19 Lee Jri.High-Speed Circuit Designs for Transmittersin Broad-band Data Links. IEEE Journal of Solid-State CircuitsJ. 2006 20 Wei Zhao.LabVIEW-Based Intelligent Digital Voltmeter DesignJ. Advanced Materials Research . 2014 (945) 附 录附录A 电路原理图附录B 元件清单表四 数字电压表元器件清单序号元件型号数量1AT89S52芯片及底座1个2ADC0809芯片及底座1个374LS74芯片1个474LS02芯片1个574LS04芯片1个674HC573芯片1个7四位一体共阳数码管1个8六角开关，四角开关各1个922uF电解电容1个1033pF电容2个1112M晶振1个121K电阻2个131K滑