数字电压表设计

1、 单片机系统课程设计 单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 ： 数字电压表设计 学院名称 ： 电气工程学院 指导教师 ： 臧海河 设计地点 ： 31-630 设计时间 ： 2013-12-162012-12-27 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统课 程 设 计课程设计名称： 数字电压表设计 指 导 教 师 ： 臧海河 课程设计地点： 31-630 课程设计时间： 2012-12-162012-12-27 单片机系统 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目数字电压表设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师臧海河主要内容（参数）利用89C51设计一个数字电压表，实现以下

2、功能：1测量0-5V的直流输入电压值；2测量值通过数码管直接显示出来；任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第9-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。主要参考资料1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书3 阎石数字电路技术

3、基础（第五版）北京：高等教育出版社，20064 夏路易 石宗义Protel 99se电路原理图与电路板设计教程北京：北京希望电子出版社，2004审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目录1 概述52 设计总体方案62.1设计要求62.2 设计思路62.3 设计方案73硬件电路设计73.1 A/D转换模块73.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理83.1.2 ADC0808 主要特性83.1.3ADC0808的外部引脚特征93.1.4 ADC0808的内部结构及工作流程103.2 单片机系统123.2.1 AT89C51性能123.2.2 AT89C51各引脚功能123.3 复位电路和时钟电

4、路133.3.1 复位电路设计133.3.2 时钟电路设计143.4 LED显示系统设计153.4.1 LED基本结构153.4.2 LED显示器的选择153.4.3 LED译码方式163.4.4 LED显示器与单片机接口设计173.5 总体电路设计174 程序设计194.1 程序设计总方案194.2 系统子程序设计194.2.1 初始化程序194.2.2 A/D转换子程序194.2.3 显示子程序204.2.4程序代码205总结221 概述什么是数字电压表？数字电压表就是采用数字化技术，把需要测量的直流电压转换成数字形式，并显示出来。通过单片机技术，设计出来的数字电压表具有精度高，抗干扰能力

5、强的特点。通过网上资料显示，目前由各种A/D转换器构成的数字电压表已经广泛的应用于电工测量，工业自动化仪表等各个领域。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。 目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展

6、就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。2 设计总体方案2.1设计要求 在MCS-51系列单片机的基础上，组成一个直流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值。电压显示用4位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。 2.2 设计思路 基于AT89C51单片机来设计。用ADC0808芯片做为A/D转换器，与单片机的接口为P1

7、口和P2口的高四位引脚。电压的输出显示采用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。2.3 设计方案电路由以下六个部分组成;1. A/D转换电路，2.AT89C51单片机系统，3.LED显示系统、4.时钟电路、5.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。 3硬件电路设计3.1 A/D转换模块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。逼近式A/D转换的转换速度更快

8、，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。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1。3.1.1 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

9、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。其原理框图如图2所示：3.1.2 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. 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；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128s；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V。3.1.3ADC0808的外部引脚特征 ADC0

10、808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。图3 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，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8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示： 表1 ADC0808通道选择表地址码 对应的输入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1

11、0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START：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

12、钟输入端。3.1.4 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4所示。图4 ADC0808的内部结构其中：（1）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。（2）地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时，锁存从ADDA、ADDB、ADDC 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。（3）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

13、器，当START信号有效时，就开始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。（4）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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）当CP

14、U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。3.2 单片机系统3.2.1 AT89C51性能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；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128s；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW6。3.2.2 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

15、，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5所示。图5 AT89C51的引脚图表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

16、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）3.3 复位电路和时钟电路3.3.1 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。复位完成后，如果RST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6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组

17、合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。 图6 复位电路3.3.2 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。 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7所示。图7 时钟电路电路中的器件选择可以通

18、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3010pF，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。3.4 LED显示系统设计3.4.1 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个发光二极管组成显示字段，其中7个

19、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:图8 LED的基本结构3.4.2 LED显示器的选择在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器。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，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

20、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。3.4.3 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，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。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3.3所示。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH 表3.3 共阴极字段码表3.4.4 LED显示器与单片机接口设计由于单片机的

21、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。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能按正常的亮度显示数字，如图10所示图10 LED与单片机接口间的设置3.5 总体电路设计经过

22、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硬件电路原理图如图11所示。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ADC0808的工

23、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。简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。4 程序设计4.1 程序设计总方案 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

24、统软件的主程序，如图12所示。 图12 数字式直流电压表主程序框图4.2 系统子程序设计4.2.1 初始化程序所谓初始化，是对将要用到的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9。4.2.2 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。图13 A/D转换流程图4.2.3 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，又有足够的亮度，需要设置适当的

25、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。4.2.4程序代码LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32H ADC EQU 35H CLOCK BIT P2.4 ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 START: MOV L

26、ED_0, #00H MOV P2, #0FFH MOV LED_1, #00H MOV LED_2, #00H MOV DPTR, #TABLE MOV TMOD, #02H MOV TH0, #245H MOV TL0, #00H MOV IE, #82H SETB TR0 WAIT: CLR ST SETB STH CLR ST JNB EOC, $ SETB OE MOV ADC, P1 CLR OE MOV A, ADC MOV B, #51 DIV AB MOV LED_2, A MOV A, B MOV B, #5 DIV AB MOV LED_1, A MOV LED_0, B LCALL DISP SJMP WAITINT_T0: CPL, CLOCK RETIDISP: MOV A, LED_0 MOVC A, A+DPTR CLR P2.3 MOV P0, A LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A, LED_1 M