基于51单片机的数字电压表的设计

PAGEPAGE摘要随着电子技术的发展，电子测量技术对测量的精度和功能的要求也越来越高，而数字电压表作为实验室的基本测量设备，它可以很好的满足测量精度和功能的要求。本设计利用AT89S51单片机技术结合A/D转换（采用ADC0809）构建了一个直流数字电压表。经过对数字电压表基本原理的分析，本文设计了一个以51单片机为核心的数字电压表系统，给出了直流数字电压表的设计流程，设计了电压测量子系统和电流测量子系统，给出了硬件电路的框图、电气原理图和软件流程图。系统设置了3个键的键盘，用于设定电压、电流切换的功能键、系统复位键以及清零键。关键词：数字电压表；AT89S51单片机；A/D转换；ADC0809；

AbstractAselectronicscienceandtechnologydevelopment,electronicmeasurementtechnologyontheaccuracyofmeasurementandfunctionalrequirementsareincreasinglyhigh,anddigitalvoltmetermeasurementequipmentasthebasiclaboratory,itcanwellmeetthemeasuringprecisionandfunctionrequirements.AdcdigitalvoltmeterisbuiltbyusingAT89S51withtheA/Dconvertor(ADC0809)inthepaper.ThispaperfirstintroducesthemainmethodanddesignvoltmeterSCMsystemadvantage;Thenintroducesthedesignprocessofdcdigitalvoltmeter,andhardwaresystemandthedesignofsoftwaresystem,andgivesthehardwarecircuitdesignsystemdiagramandsoftwaresystemdesignflowdiagram.Keywords:Digitalvoltmeter；AT89S51MCS;A/Dconversion;ADC0809.

目录1绪论 11.1前言 11.2数字电压表的介绍 11.2.1数字电压表的发展概况 11.2.2数字电压表在各领域中的应用 21.2.3数字电压表的优点 21.3单片机的介绍 31.3.1单片机简介 31.3.2单片机的发展概况 PAGEREF_Toc294141211\h31.3.3单片机的应用 41.3.4单片机的特点 61.4课题背景，国内外研究现状 4\h61.5本文主要研究内容 82数字电压表的工作原理 92.1数字电压表的基本结构 9HYPERLINK\l"_Toc294141218"2.2数字电压表的工作原理 92.2.1模数（A/D）转换与数字显示电路 102.2.2多量程数字电压表分压原理 10HYPERLINK\l"_Toc294141221"2.2.3多量程数字电压表分流原理 113硬件系统各模块具体设计及实现 143.1单片机的选择 143.1.1AT89S51的引脚框图 153.1.2AT89S51的内部结构图 173.2A/D转换器的选择 183.2.1ADC0809的引脚结构 193.2.2ADC0809的内部逻辑结构 213.3显示器的选择 213.4键盘的选择 233.5表笔探针设计 244系统总体方案研究 254.1总体方案确定 PAGEREF_Toc294141233\h254.2系统框图及阐述 254.3ADC0809与AT89S51的连接 264.4键盘与单片机的连接 236\h274.5多量程数字电压表档位切换原理 284.5.1多量程电压的测量 284.5.2多量程电流的测量 305系统的软件设计 315.1系统软件设计的总体思想 315.2系统单片机的软件设计 31HYPERLINK\l"_Toc294141243"5.2.1键盘的处理 315.2.2显示的处理 315.2.3档位切换的处理 326系统软件流程图 336.1主程序流程图 336.2A/D转换流程图 347设计总结 PAGEREF_Toc294141249\h35参考文献 36致谢 37附录 38西京学院本科毕业设计（论文）PAGE381绪论1.1前言数字电压表（DigitalVoltmeter）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，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。1.2数字电压表的介绍1.2.1数字电压表的发展概况数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM。它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的要求；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一、精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高、速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，他不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引申出阶梯波式[1]，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确度、速度以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一、二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1µV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也降低了很多。所以，这种类型的数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统数字电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。1.2.2数字电压表在各领域中的应用在电量的测量中，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。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。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的，目前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，显示出强大的生命力。是一种必不可少的电子测量仪表。1.2.3数字电压表的优点（1）显示清晰直观，读数准确；（2）准确度高；（3）分辨度高；（4）测量范围宽；（5）扩展能力强；（6）测量速度快；（7）输入阻抗高；（8）集成度高，微功耗；（9）抗干扰能力强。数字电压表的基本结构如下图1.1所示。单单片机数字显示+——图1.1数字电压表基本结构可见数字电压表的核心是单片机，下面介绍单片机。1.3单片机的介绍1.3.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器，随机存取存储器、输入/输出电路，可能还包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉冲调制电路、模数转换器等电路集成到一片芯片上，构成一个既小而有完善的计算机系统。有以上分析可以看出，单片机出了具备微处理器的功能外，还可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。1.3.2单片机的发展概况随着超大规模集成电路的发展，单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机和64位机的发展阶段:（1）1971年，美国Intel公司首先推出了4位微处理器芯片4004；1975年，美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000；此后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机[2]。（2）1972年Intel公司首先推出了8位微处理器8008，并与1976年9月率先推出MCS-48系列8位单片机，使单片机发展进入了一个新的阶段。在这之后，8位单片机纷纷面世。（3）1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，各系列16位单片机纷纷面世。这一阶段的产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040,NEC公司推出的783XX系列等[3]。（4）随着高新技术在智能机器人、光盘驱动器、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用与发展，20世纪80年代末推出了32位单片机，如Motorola的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年来流行的ARM系列单片机。32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展及开发成本和产品价格的下降，将会与8位单片机并驾齐驱。（5）近年来，64位单片机在引擎控制、智能机器人、磁盘控制、语言/图像通信、算法密集的实时控制等场合已有应用，如英国Inmos公司的TransputerT800是高性能64位单片机。虽然单片机的发展按先后顺序经历了4位、8位、16位、32位、64位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现像微处理器那样推陈出新、更新换代的局面，这也是单片机发展的一大特点。8位单片机是市场的主流产品，但32位单片机的发展也很迅速。1.3.3单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机的特点主要有：高集成度，体积小，高可靠性；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优异的性能价格比。现今，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。此外在开发和应用过程中我们更要掌握技巧，提高效率，以便于发挥它更加广阔的用途。在现实中单片机控制应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等各个领域深刻了解其转速控制有重大意义，现实中大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统，以及本设计的控制调速系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等[4]。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。[5]1.3.4单片机的特点单片机的一块半导体芯片集成了一太微型计算机的基本部件，在硬件结构、指令功能方面均有独特之处，主要特点如下：单片机内集成了存储器。单片机存储结构将ROM和RAM严格分工。为了满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能，在其他逻辑控制功能方面也都优于一般的8位微处理器。8位处理器的引脚功能一般都是固定的。单片机类型多，并且便于扩展功能。单片机把微型计算机的各个部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号的传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点。1.4课题背景，国内外研究现状近20年来，微电子技术、计算机技术、集成技术、网络技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化；在服务上专门化、简捷话、家庭化、个人化、无维护化以及组装生产自动化、无尘化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展[6]。在这“二十化”中，占主导地位、起核心或关键的作用是微型化、网络化、虚拟化、数字化和智能化。（1）微型化MEMS(MicroElectro-MechanicalSystem)是一项被视为21世纪广泛应用的传感器及信号处理新技术，并且被列为美国“对国家安全及繁荣有重大影响”的22项重大技术之一，主要是依托微型化技术[7]。应用MEMS技术的微型仪器仪表被称为芯片上的仪器仪表。它是一种集成了微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件，实现感应和控制物理环境的芯片及设备。它具有许多传统传感器无法比拟的优点，不仅可替代传统传感器，而且其低成本、高性能的优势使其能在更多领域得到应用，从而开辟了更广阔的新兴市场。（2）网络化通常，基于Internet的测控系统以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑，使其前端模块不仅完成信号的采集和控制，还兼顾实施对信号的分析与传输。在这个平台上，使用者可以方便地实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的选择。基于Internet的测控系统最为显著的特点，是信号传输的方式发生了改变，它对测量、控制信号等的传输，完全是建立在公共的Internet之上，操作使用便捷。（3）虚拟化在虚拟现实系统中，数据分析和现实由PC机的软件来完成，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。（4）数字化、智能化微电子技术的进步，使仪器仪表产品与微处理器、PC技术融合得更为紧密，其数字化、智能化程度不断提高。尤其在仪器仪表的设计中采用了大量的超大规模集成（VLSI）的新器件，表面贴装技术（SMT）、多层线路板印刷、圆片规模集成（WSI）和多芯片模块（MCM）等新工艺以及CAD,CAM,CAPP,CAT等计算机辅助手段，使多媒体、人机交互、模糊控制、人工神经元网络等新技术在现代仪器仪表中得到了广泛应用[8]。使得越来越多的智能化仪器仪表具有专家系统和推断、分析、决策、优化控制功能以及通信功能。同时，在遥控诊断信息、测试速度和精确性等方面均有大幅度提高。数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步分析处理，传统数字电压表是无法完成的。然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成测量数据的传递，又可以借助PC，做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际应用上，都具有传统数字电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。数字电压表的发展大致如下：(1)新技术的广泛应用20世纪90年代初世界各国相继研发了新的A/D转换技术。例如：四斜率A/D转换技术（美国）、余数再循环技术（美国）、自动校准技术（英国）、固态真有效值转换技术（英国）、约瑟夫森效应基准源（2*10-9稳定度）能化专用芯片（80C51系列，荷兰）等，这些新技术使数字电压表向高准确度、高可靠性及智能化、低成本方向发展[9]。(2)智能化阶段随着电子技术、大规模集成电路（LSI）及计算机技术的发展，使人们不久即研制出微处理器件（µP）数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序。因为带有存储器并使用软件支持，所以可进行信息处理，可通过标准接口做成自动测量系统（ATS），能够自校、自检，保证了自动测量的高准确度，实现了仪器仪表的智能化[10]。当前，智能化仪表发展十分迅速，而未处理式DVM在智能仪表中占有的比重最大。智能化的DVM为实现各种物理量的动态测量提供了可能。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数字仪表、专用数字仪表及各种非电子的数字化仪表，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。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。1.5本文主要研究内容随着电子技术的发展，电子测量技术对测量的精度和功能的要求也越来越高，而数字电压表作为实验室的基本测量设备，它可以很好的满足测量精度和功能的要求。本设计利用AT89S51单片机技术结合A/D转换（采用ADC0809）构建了一个直流数字电压表。经过对数字电压表基本原理的分析，本文设计了一个以51单片机为核心的数字电压表系统，给出了直流数字电压表的设计流程，设计了电压测量子系统和电流测量子系统，给出了硬件电路的框图、电气原理图和软件流程图。系统设置了3个键的键盘，用于设定电压、电流切换的功能键、系统复位键以及清零键；四位LED显示器；红、黑测量探针一对。2数字电压表的工作原理2.1数字电压表的基本结构数字电压表的基本功能是能够测量电压，电流值，数字电压表的基本组成框图见图2.1。各部分的功能：8位A/D转换器0809：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。显示器：四位数字显示，将单片机输出的数值显示。单片机89S51:接受键盘输入，实现档位切换和量程转换，启动A/D转换器，把测量值送到显示器。键盘：进行系统复位、清零以及功能的选择。电压电压电流A/D转换模块LED显示模块键盘模块单片机系统模块输入端模块档位切换模块控制线图2.1数字电压表的基本组成图2.2数字电压表的工作原理数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，数字式电压表是由高阻抗电压表头与分压电路组成的。下面将分别介绍各个部分的组成。2.2.1模数（A/D）转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。这种情况被称为是“量化的”，若最小量化单位（量化台阶）为△，则数字信号的大小一定是△的整倍数，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设△=0.1mV，我们把被测电压U与△比较，看U是△的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。一般情况下，N≥1000即可满足测量精度要求（量化误差≤1/1000=0.1%）。数字表头最大示数为9999，称为四位数字表。因此移动小数点的位置就可显示出来对应的单位值。2.2.2多量程数字电压表分压原理数字电压表的多量程电压档电路为图2.2所示。200mV200mV2V20V200V2000V1K9K90K900KR5R4R3R29MR1UiA/D单片机LEDKU图2.2分压电路图该设计是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的，如先确定：R=R1+R2+R3+R4+R5=10M；再计算2000V档的电阻：R5=0.0001R=1K；再逐档计算R4、R5、R2、R1。尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，但通常的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000V。如图所示，接通电压测量电路，Ui为由红色表笔测量所得的输入电压，单片机内部由高到低对KU进行导通，从而逐个对输入电压进行检测，单片机最终选择适合的档位进行选通，其中开关KU受继电器线圈JU（图4.4）控制，之后电压信号通过A/D的IN0(-信号接入口)与IN1(+信号接入口)进入A/D进行转换，之后送给单片机。最后可根据档位自动调整小数点的显示，使用者可以方便地读出测量结果。2.2.3多量程数字电压表分流原理数字电压表的电流档电路如图2.3所示。0.10.10.990900D2D1BXIiR1R2R3R4R59KIA/D单片机LED图2.3分流电路图中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最多是电流档的分流电阻R5：R5===0.1（）再计算下一档的R4R4=-R5=-0.1=0.9（）依次可计算出R5、R2、和R1。当接通电流测量电路时，电流首先通过保险丝管BX，以防电流过大时它可快速熔断，起过流保护作用。接下来，两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住（小于0.7V），保护电压表不被损坏。其中开关KI受继电器JI控制。之后电流信号通过A/D的IN2(-信号接入口)与IN3(+信号接入口)进入A/D进行转换，之后送给单片机。最终单片机将自动选择出最适合的量程档位，而且显示器将根据单片机判断出的档位自动调整小数点的显示，以方便使用者读数。例如：当2mA的电流流进来时，单片机将直接将继电器开关打到KI0处，经过分流电阻后，所得电压为0.2mV，由于A/D最小能测到的数值为20mV，所以选通KI0时所测的数A/D检测不到，此时单片机将继续选通下一个继电器开关，依次通过KI1、KI2、直到选通KI3时，经过分流电阻后，所得电压为0.2V，此时可测，因此2mA电流时最终选通的是KI3，以此类推，其他被测量进入时，都按照以上方法进行逐个检测、选通。3硬件系统各模块具体设计及实现3.1单片机的选择本设计采用MCS-51系列单片机。由美国ATMEL公司生产的AT89S51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，性价比高的AT89S51可灵活应用于各种控制领域。AT89S51具有如下特点:40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器[11]。AT89S51的优点：（1）新增加了很多功能，性能有了较大提升。（2）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。（3）最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M，S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。（4）具有双工UART串行通道。（5）内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。（6）双数据指示器。（7）电源关闭标识。（8）全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。（9）兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。3.1.1AAT89S51引脚框图如图3.1所示。图3.1AT89S51引脚框图AT89S51引脚描述：VCC：AT89S51电源正端输入，接+5V。GND：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一个20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：“EA”为英文“ExternalAccess”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。ALE/PROG：ALE是英文“AddressLatchEnable”的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为“ProgramStoreEnable”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。3.1.2AAT89S51的内部结构图如图3.2所示。RESETRESETP0.0~p0.7P2.0~p2.7P1.0~p1.7P3.0~p3.7P0驱动器P2驱动器RAM地址寄存器RAMP0锁存器器P2锁存器ROM/EPROM/FLASH程序地址锁存器缓冲器PC增量器PCDPTR寄存器BACC暂存器2暂存器1SP中断、串行口及特殊功能寄存器ALUPSW定时及控制指令寄存器P1锁存器P1锁存器P3锁存器P3锁存器VccVssALEXTAL11XTAL2图3.2AT89S51单片机内部结构框图从图2.2可以看出，51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统、震荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器；PC是程序计数器；PSW是程序状态字寄存器；DPTR是数据指针寄存器。3.2AA/D转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有3种类型，即双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。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，比如ICL71XX系列等，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。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，比如本设计将用到的8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它还可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示[12]。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。ADC0809的主要特性：（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）（4）单个+5V电源供电。（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。（7）低功耗，约15mW。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。3.2.1AADC0809的引脚结构如图3.3所示。图3.3ADC0809的引脚图IN0-IN7(8条模拟量输入通道)：ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0-5V，若信号太小，必须进行放大。输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器进行转换。A,B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。D7-D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ,VREF(+)，VREF(-)为参考电压输入。3.2.2AADC0809的内部逻辑结构图如图3.4所示。CLOCKSTARTEOC三态输出缓冲器8位A/D转换器8路模拟电路开关三态输出缓冲器8位A/D转换器8路模拟电路开关～D0~D7IN7D0~D7ALE地址译码与锁存器2-1~2-8ALE地址译码与锁存器ADDA～CGNDOEVREF(+)VREF（-图3.4ADC0809的内部逻辑结构由图3.4可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出缓冲器组成。8路模拟开关用于选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D转换器进行转换。IN0～IN7为8路模拟量输入端，模拟量输入电压的范围是0～5V，对应的数字量为00H～FFH，转换时间为100µs。ADDA、ADDB、ADDC为通道线，用于选择通道。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.3显示器的选择LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。如图3.5所示，它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。在次显示转速数值用7段显示管即可。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本设计选用了四位共阳极接法。图3.5LED的共阳、共阴极接法LED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。每只数码管的共阳极或共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。动态显示的特点是：每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流放点亮；对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次。为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔（一般为1mS），可以观察到稳定的显示输出。在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。其特点为：各数码管同时点亮，数码管中的发光二极管导通或截止，直到显示字符改变为止。故经综合考虑，决定选用LED数码管静态显示方式。本系统使用四位共阳数码管显示所测量的电流电压值，为了节省I/O口，我们使用74LS47来把四位的BCD码转换成七段LED显示，下面给出LED与单片机的接口电路图，如图3.6所示。由上图可以看到，单片机的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3作为BCD码的输出口，分别与74LS47的A、B、C和D引脚相接。单片机的P3.4、P2.5、P2.6和P2.7分别作为四位LED的由低位到高位的373锁存器的锁存控制端，高电平有效。这4个373锁存器的输出使能端接高电平，使输出常通，连接到4个LED显示器。单片机由低位到高位送给4个LED显示器数据时，在软件控制下，先准备好P2.0至P2.3的数据，然后在P2.4端产生一个为正脉冲，将数据锁存到DG4。其余类似。3.4键盘的选择本设计中键盘主要设置了用于切换电压、电流两个档的功能键，系统复位键以及显示器清零键。其中，按下功能键LED灯亮的时候测量的是电压值，再按下功能键LED灯灭的时候测的是电流值。这个键盘将采用采用独立式键盘直接与单片机进行连接。这种方法结构简单，接口电路配置灵活。如下图3.7所示。RSTRSTCLCUILED系统复位清零图3.7键盘框图3.5表笔探针设计本设计输入端设置了红、黑探针一对。因为需测量电压、电流两不同值，因此输入端红色探针处设置一个单刀双掷继电器开关，如图3.8（a），此继电器开关受键盘上的功能键控制，如图3.8（b）,当键盘功能键按下，电压显示灯亮，则此继电器开关打到电压测量电路测量电压，反之测量电流，表笔探针继电器开关如下图3.8所示。红色探针Ui红色探针UiIiK接单片机P0.5口功能键Jui+5V（a）(b)90图3.8输入端设计图4系统总体方案研究4.1总体方案确定经过分析和仔细的研究系统总体方案确定如下：1、单片机：采用8051派生系列产品AT89S51；2、A/D转换器：采用ADC0809；4、液晶显示器：采用三位半LED数码管液晶显示器；5、键盘：采用与单片机直接相连的独立式按键；6、红、黑探针一对。4.2系统框图及阐述本设计系统以51单片机作为数字电压表的控制核心，系统包括主控模块51单片机，显示模块，A/D转换模块，放大器模块，输入端模块以及键盘模块。系统框图如下图4.1所示。以下再对各部分进行阐述。电压电压电流A/D转换模块LED显示模块键盘模块单片机系统模块输入端模块控制线档位切换模块图4.1系统总体框图4.3ADC0809与AT89S51的连接ADC0809与AT89S51的连接图如图4.2所示。338888分频器11≥1≥1ALE051单片机1D～8DGDD～P～PP～PADDAADDBADDCEOCOESTARTALECLK74LS3731Q～8Q8V(+)A0～A7V(+)+5VIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0图4.2ADC0809与AT89S51的连接图图中，ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。因ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE的信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以，ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相连时，要考虑分频。51单片机通过地址线P2.0和读、写控制线、来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动输出允许。模拟量输入通道地址的译码输入ADDA～ADDC由P0.0～P0.2提供，因ADC0809具有通道地址锁存功能，故P0.0～P0.2不需经锁存器接入ADDA～ADDC。根据P2.0和P0.0～P.02的连接方法，8个模拟输入通道的地址依IN0～IN7顺序为FEF8H～FEFFH.由于ADC0809转换频率最高约512kHz,所以采用32分频，采用5个D触发器串联，如图4.3所示，可以获得375kHz转换频率。DDCKQDCKQDCKQDCKQDCKQ12MHz1/32f≈375KHz图4.332分频电路4.4键盘与单片机的连接在本设计中采用独立式按键进行连接。在本设计中键盘主要是由系统复位键、清零键以及功能键组成。系统复位键接单片机的P0.3口，清零键接单片机的P0.4口，功能键接单片机的P0.5口。其中功能键包括电压、电流两个档位，当按下功能键，LED指示灯亮时，此时接入的是电压测量电路，可以开始测量电压值。当再次按下功能键，LED指示灯灭时，接入的是电流测量电路，可以开始测量电流值。电路如图4.4所示。功能键功能键50050050051单片机P0.3P0.4P0.5I/O+5V系统复位键清零键JuiLEDR图4.4键盘电气原理图4.5多量程数字电压表档位切换原理由于本设计要求数字电压表能够分别测量出电压、电流值，因此从输入端红表笔处设一个单刀双掷继电器开关。此继电器开关受键盘功能键控制，当键盘功能键按到电压档时此开关打到电压处，接通电压测量电路，当键盘功能键按到电流档时开关打到电流处，接通电流测量电路。本设计区别于传统的数字电压表的档位切换，一般的实验室用数字电压表的档位切换都是用波段开关，在键盘上设置一个旋转按钮，靠人为的手动来逐个切换档位。而本设计中，将手动的更换档位替换为完全由单片机内部进行自动选择判断其量程档位