单片机系统数字电压表设计方案

单片机系统数字电压表设计方案概括什么是数字电压表？数字电压表就是采纳数字化技术，把需要丈量的直流电压变换成数字形式，并显示出来。经过单片机技术，设计出来的数字电压表拥有精度高，抗扰乱能力强的特色。经过网上资料显示，目前由各样A/D变换器构成的数字电压表已经宽泛的应用于电工丈量，工业自动化仪表等各个领域。在电量的丈量中，电压、电流和频次是最基本的三个被丈量，此中电压量的丈量最为常常。并且跟着电子技术的发展，更是常常需要丈量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不行少的丈量仪器。数字电压表简称DVM，它是采纳数字化丈量技术，把连续的模拟量变换成不连续、失散的数字形式并加以显示的仪表。因为数字式仪器拥有读数正确方便、精度高、偏差小、丈量速度快等特而获得宽泛应用。目前，数字电压表的部核心零件是A/D变换器，变换的精度很大程度上影响着数字电压表的正确度，因此，此后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文是以简略数字直流电压表的设计为研究容，本系统主要包含三大模块：变换模块、数据办理模块及显示模块。此中，A/D变换采纳ADC0808对输入的模拟信号进行变换，控制核心AT89C51再对变换的结果进行运算办理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。设计整体方案2.1设计要求⑴在MCS-51系列单片机的基础上，构成一个直流数字电压表。⑵采纳1路模拟量输入，能够丈量0-5V之间的直流电压值。⑶电压显示用4位一体的LED数码管显示，起码能够显示两位小数。2.2设计思路⑴鉴于AT89C51单片机来设计。⑵用ADC0808芯片做为A/D变换器，与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。⑶电压的输出显示采纳4位一体的LED数码管。⑷LED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构成;1.A/D变换电路，2.AT89C51单片机系统，3.LED显示系统、4.时钟电路、5.复位电路以及丈量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。时钟电路

丈量电压输入A/D变换电路AT89C51复位电路显示系统硬件电路设计3.1A/D变换模块现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转变成数字量的器件称为模/数变换器（A/D变换器），A/D变换器是单片机数据收集系统的重点接口电路，依据各样A/D芯片的转变原理可分为逐次迫近型，两重积分型等等。迫近式A/D变换的变换速度更快，并且精度更高，比方ADC0809、ADC0808等，它们往常拥有8路模拟选通开关及地点译码、锁存电路等，它们能够与单片机系统连结，将数字量送到单片机进行剖析和显示。逐次迫近型A/D变换器变换速度快，因此在实质中宽泛使用[1]。逐次迫近型A/D变换器原理逐次迫近型A/D变换器是由一个比较器、A/D变换器、储存器及控制电路组成。它利用部的存放器从高位到低位一次开始逐位尝试比较。变换过程以下：开始时，存放器各位清零，变换时，先将最高地点1，把数据送入A/D变换器变换，变换结果与输入的模拟量比较，假如变换的模拟量比输入的模拟量小，则1保存，假如变换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保存，而后从第二位挨次重复上述过程直至最低位，最后存放器中的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：次序脉冲发生器逐次逼近存放器输入数字量ADC输入电压

电压比较器主要特征ADC0808是CMOS单片型逐次迫近式A/D变换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片带有锁存功能的8路模拟多路开关，能够对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行变换.ADC0808主要特征:8路8位A/D变换器，即分辨率8位；拥有锁存控制的8路模拟开关；易与各样微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；变换时间：128μs；变换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压围0-+5V。的外面引脚特色ADC0808芯片有28条引脚，采纳双列直插式封装，其引脚图如图3所示。图3ADC0808引脚图下边说明各个引脚功能:IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被变换的模拟电压。地点输入控制（4条）：ALE:地点锁存同意输入线，高电平有效，当ALE为高电平常，为地点输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D变换。ADDA,ADDB,ADDC:3位地点输入线，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1ADC0808通道选择表地点码对应的输入通CBA道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7START：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，上涨沿清零

SAR,降落沿启动

ADC工作。EOC:EOC为变换结束输出线，该线上高电平表示

A/D

变换已结束，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为输出同意端，高电平能使D1-D8引脚上输出变换后的数字量。REF+、REF-:参照电压输入量，给电阻阶梯网络供应标准电压。Vcc、GND:Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连结在一起，REF-与GND连结在一同.CLK:时钟输入端。的部构造及工作流程ADC0808由8路模拟通道选择开关，地点锁存与译码器，比较器，8位开关树型A/D变换器，逐次迫近型存放器，准时和控制电路和三态输出锁存器等构成，其部构造如图4所示。图4ADC0808的部构造此中：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边的比较器进行比较。（2）地点锁存与译码器用于当ALE信号有效时，锁存从ADDA、ADDB、ADDC3根地点线上送来的3位地点，译码后产生通道选择信号，从8路模拟通道中选择目前模拟通道。3）比较器，8位开关树型A/D变换器，逐次迫近型存放器，准时和控制电路构成8位A/D变换器，当START信号有效时，就开始对目前通道的模拟信号进行变换，变换达成后，把变换获得的数字量送到8位三态锁存器，同时经过引脚送出变换结束信号。（4）三态输出锁存器保存目前模拟通道变换获得的数字量，当OE信号有效时，把变换的结果送出。ADC0808的工作流程为：（1）输入3位地点，并使ALE=1,将地点存入地点锁存器中，经地点译码器从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的上涨沿使逐次存放器复位，降落沿启动A/D变换，并使EOC信号为低电平。（3）当变换结束时，变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已变换结束。（4）当CPU履行一读数据指令时，使OE为高电平，则从输出端D0-D7读出数据。3.2单片机系统性能ADC0808主要特征:8路8位A/D变换器，即分辨率8位；拥有锁存控制的8路模拟开关；易与各样微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；变换时间：128μs；变换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压围0-+5V，无需外面零点和满度调整；低功耗，约[6]。15mW各引脚功能AT89C51供应以下标准功能：4KB的Flash闪速储存器，128B部RAM，32个I/O口线，两个16位准时/计数器，一个5向量两级中止构造，一个全双工串行通讯口，片震荡器实时钟电路，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。安闲方式停止CPU的工作，但同意RAM，准时/计数器，串行通讯口及中止系统持续工作，掉电方式保存

RAM中的容，但震荡器停止工作并严禁其余全部工作直到下一个硬件复位。

AT89C51采纳

PDIP封装形式，引脚配置如图5所示。图5AT89C51的引脚图表2P3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（外面中止0输入）P3.3/INT1(外面中止1输入)P3.4T0（准时器/计数器0的外面输入）P3.5T1（准时器/计数器1的外面输入）P3.6/WR（片外数据储存器写同意）P3.7/RD（片外数据储存器读同意）3.3复位电路和时钟电路复位电路设计单片机在启动运转时都需要复位，使CPU和系统中的其余零件都处于一个确立的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采纳施密特触发输入。当震荡器起振后，只需该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可保证时器件复位。复位达成后，假如RST端持续保持高电平，MCS-51就向来处于复位状态，只需RST恢复低电平后，单片机才能进入其余工作状态。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合电路，只需Vcc上涨时间不超出1ms，它们都能很好的工作。图6复位电路时钟电路设计单片机中CPU每履行一条指令，都一定在一致的时钟脉冲的控制下严格准时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU履行一条指令的各个微操作所对应时间次序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片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带其余电路。本设计系统采纳部时钟方式，利用单片机部的高增益反相放大器，外面电路简，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能够经过计算和实验确立，也能够参照一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频次有微调作用，往常的取值围是3010pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频次，在本系统中选择的是12MHz，因此时钟信号的震荡频次为12MHz。3.4LED显示系统设计基本构造LED是发光二极管显示器的缩写。LED因为构造简单、价钱廉价、与单片机接口方便等长处而获得宽泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管构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个发光二极管构成显示字段，此中7个长条形的发光二极管摆列成“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，其经过不一样的组合可用来显示各样数字。LED引脚摆列以下列图8所示:图8LED的基本构造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，此中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数码显示管的部构造是由4个独自的LED构成，每个LED的段输出引脚在部都并联后，引出到器件的外面。图94位LED引脚关于这类构造的LED显示器，它的体积和构造都切合设计要求，因为4位LED阴极的各段已经在部连结在一同，所以一定使用动向扫描方式（将全部数码管的段选线并联在一同，用一个I/O接口控制）显示。译码方式译码方式是指由显示字符变换获得对应的字段码的方式，往常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。因为本设计采纳的是共阴极LED，其对应的字符和字段码以下表3.3所示。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH表3.3共阴极字段码表显示器与单片机接口设计因为单片机的并行口不可以直接驱动LED显示器，所以，在一般状况下，一定采纳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。假如驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，并且驱动电路长久在超负荷下运转简单破坏，所以，LED显示器的驱动电路设计是一个特别重要的问题。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，能够利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，

马上

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，就能够加大

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10LED与单片机接口间的设置3.5整体电路设计经过以上的设计过程，可设计出鉴于单片机的简略数字直流电压表硬件电路原理图如图11所示。图11简略数字电压表电路图此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号经过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入（因为使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数变换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传递给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据办理，产生正确的7段数码管的显示段码传递给四位LED，同时它还经过其四位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。别的，AT89C51还控制ADC0808的工作。此中，单片机AT89C51经过准时器中止从P2.4输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D变换，P2.5检测A/D变换能否达成，变换达成后，P2.7置高从P1口读取变换结果送给LED显示出来]。简略数字直流电压表的硬件电路已经设计达成，就能够选用相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并认真地检查改正，直至形成完美的硬件原理图。但要真实实现电路对电压的丈量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。程序设计4.1程序设计总方案依据模块的区分原则，将该程序区分初始化模块，A/D变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。开始初始调用A/D变换调用显示子结束化子程序程序图12数字式直流电压表主程序框图4.2系统子程序设计初始化程序所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机部零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准时器的工作模式，初值预置，开中止和翻开准时器等[9]。变换子程序A/D变换子程序用来控制对输入的模块电压信号的收集丈量，并将对应的数值存入相应的存单元，其变换流程图如图13所示。开始启动程A/D变换结输出转数值转显示开始序换结果换图13A/D变换流程图显示子程序显示子程序采纳动向扫描实现四位数码管的数值显示，在采纳动向扫描显示方式时，要使得LED显示的比较平均，又有足够的亮度，需要设置适合的扫描频率，当扫描频次在70HZ左右时，能够产生比较好的显示成效，一般能够采纳间隔10ms对LED进行动向扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采纳软件准时的方式，即用准时器0溢出中止功能实现11μs准时，经过软件延时程序来实现5ms的延时。程序代码LED_0EQU30HLED_1EQU31HLED_2EQU32HADCEQU35HCLOCKBITP2.4STBITP2.5EOCBITP2.6OEBITP2.7ORG00HSJMPSTARTORG0BHLJMPINT_T0START:MOVLED_0,#00HMOVP2,#0FFHMOVLED_1,#00HMOVLED_2,#00HMOVDPTR,#TABLEMOVTMOD,#02HMOVTH0,#245HMOVTL0,#00HMOVIE,#82HSETBTR0WAIT:CLRSTSETBSTHCLRSTJNBEOC,$SETBOEMOVADC,P1CLROEMOVA,ADCMOVB,#51DIVABMOVLED_2,AMOVA,BMOVB,#5DIVABMOVLED_1,AMOVLED_0,BLCALLDISPSJMPWAITINT_T0:CPL,CLOCKRETIDISP:MOVA,LED_0MOVCA,A+DPTRCLRP2.3MOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.3MOVA,LED_1MOVCA,A+DPTRCLRP2.2MOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.2MOVA,LED_2MOVCA,A+DPTRLCLRP2.1ORLA,#8