简易数字电压表

1、单片机课程设计报告简易数字电压表一、设计任务与要求1.电压表的测量范围为0-5V;2.测量精度约为20mV。二、方案设计与论证方案一：选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计电路：方案二：用单片机设计电路：设计采用STC89C52单片机、A/D转换器ADC0809和共阴数码管为主要硬件，分析了数字电压表Proteus软件仿真电路设计及编程方法。将单片机应用于测量技术中，采用ADC0809将模拟信号转化为数字信号，用STC89C52实现数据的处理。通过数码管以扫描的方式完成显示。方案比较：方案1：3为半双积分式A/D转换器MC14433转换精度为读数的0.05%1字，并能很方便地

2、判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。缺点是工作速度低，且外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂。方案2：设计电路简单。易于控制，且性能稳定；单调试过程需要一定的编程基础，可利用Proteus软件仿真电路设计和调试。Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具

3、有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，因此可用此软件方便调试电路。经过以上两种方案的特点比较，方案二中的电路设计采用比较常见的元器件，对这种方案有一定的专业基础，故采用第二种方案。三、单元电路设计与参数计算1A/D转换模块1.1ADC0809主要特性ADC0809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ADC0809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。ADC0809主要特性:8路8位

4、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15mW。1.2ADC0809的外部引脚特征 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图1所示。图1 ADC089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

5、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 ADC0809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 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

6、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:时钟输入端。1.3ADC0809的内部结构及工作流程ADC0809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2所示。图2 ADC0809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

7、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。ADC0809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

8、，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。2单片机系统2.1 STC89C52性能STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256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MC

9、S-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STC89C52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。STC89C52功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；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。 2.2 STC89C52各引脚功能STC89C52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

10、/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，STC89C52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。STC89C52采用PDIP封装形式，引脚配置如图3所示。STC89C52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89C52不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用

11、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89C52带片外存储器，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。图3 STC89C52的引脚图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

12、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，如下表2所示：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1的外部输入）P3.6/WR（片外数据存储器写允许） P3.

13、7/RD（片外数据存储器读允许）Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE：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，89C52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，89C52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89C52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，89C52自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作

14、为片外ROM芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使89C52处于复位(即初始化)工作状态。通常89C52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89C52片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。3复位电路和时钟电路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-52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

15、，MCS-52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4是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。图4 复位电路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-52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

16、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，外部电路只需要一个晶振和2个电容即可，如图5所示。图5 振荡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3010pF，在这个系统中选择了30pF；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6MHz，因而时钟信号的震荡频率为6MHz。4 LED显示系统设计4.1 LED基本结构LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，7个长条形的发光二极管排列组合可用来显示各种数字。LED引脚排列如下图6所示:图6 LED引脚排列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，简称“4-LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，后两位显示电压的小数位。4-LED显示器引脚如图7所示，是一个共阳极接法的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