量程手動切換數(shù)字電壓表

1、課程設計題目：量程手動切換的數(shù)字電壓表一要求：利用單片機AT89C51與ADC0809設計一個數(shù)字電壓表，能夠測量量程為05V、02.5v、01v、0500mv、0100mv之間直流電壓值，能連續(xù)，穩(wěn)定顯示所測電壓，手動切換量程，要求3位數(shù)碼顯示，測量精度1%（量程05v精度為2%），能脫機穩(wěn)定工作，但要求使用元器件盡量少。二目的：掌握A/D 的使用，了解單片機整個開發(fā)過程。三設計方案：按系統(tǒng)功能要求，決定控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機，A/D轉換采用ADC0809。系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)的要求的功能外，還可以方便地進行其它功能的擴展。數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方案框圖如圖所示：復位電路串行通信電源電路

2、AT89C51 P0 P2 P1 P3 ADC0809 3位LED顯示 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方案 圖1 1硬件選擇：AT89C51、ADC0809、74LS74、SN74LS245、CD4066、LM358、SW-DIP5（開關）、LM2596芯片各1個，共陽LED數(shù)碼管、PNP三極管、二極管1N4148各3個，12MHZ晶振、10K可調電位器1個，220的電阻8個，4.7k的電阻3個，1k的電阻2個，90k的電阻3個，990k的電阻一個，490k的電阻1個，40k的電阻1個，10k的電阻1個，發(fā)光二極管1個， 30pF左右的電容2個，470uF的電容1個，220uF的電容1個，0.1uF的電容

3、1個，33uH的電感1個。2實現(xiàn)原理：8路輸入模擬信號數(shù)值顯示電路由A/D轉換 ，數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成，A/D轉換由集成電路0809完成。0809具有8路模擬輸入端口，地址線（2325腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉換。第22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存；6腳為測試控制，當輸入一個2us寬高電平脈沖時，就開始A/D轉換；7腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平；9腳為A/D轉換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當OE腳為高電平時，A/D轉換數(shù)據(jù)從端口輸出；10腳為0809的時鐘輸入端，利用單片機30腳的六分頻晶振信號再通過74LS74二分頻得到1MHZ的時

4、鐘。單片機的P1，P3.0P3.3端口作為三位LED數(shù)碼管顯示控制，P0端口作A/D轉換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0809的A/D轉換控制。3.電路各元器件的分析: a.數(shù)碼管和電阻,二極管: 2 數(shù)碼管為共陽極型數(shù)碼管. 數(shù)碼管的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H為片選信號；一片控制一個數(shù)碼管。 將三個數(shù)碼管的A和A,B和B,C和C,D和D,E和E,F和F,G和G分別連接,形成三個數(shù)碼管串聯(lián).而三個數(shù)碼管的公共端分別和AT89S51的P3.0,P3.1,P3.2三個引腳連接,由這三個引腳控制三個數(shù)碼管的位選.而P0口則控制燈亮的數(shù)字.因為是共陽極所以加三極管進行驅動,使公共端為高電平.而為了防止數(shù)

5、碼管的電壓反回芯片,遭成顯示數(shù)字抖動有鬼影則在電阻旁加一個二極管進行消隱. 數(shù)碼管后接八個200的電阻，起限流作用。3 數(shù)碼管有一定的允許功耗,最大正向直流,最大反向電壓,若超此過耗,則會使數(shù)碼管發(fā)熱,損壞. PNP型三極管產生驅動作用，為共陽極型數(shù)碼管的公共端提供高電平。 47k電阻是為了將基極電壓拉下，防止電壓大于二極管負端電壓從而使數(shù)碼管的顯示數(shù)字產生鬼影。 二極管也起消隱作用。 b. SN74LS245: 74LS245作為緩沖器,驅動器使用. 控制G非 輸入A 輸出Q H X 高阻 L L L L H H 它將從89S51中接收到數(shù)據(jù)進行緩沖后送入數(shù)碼管顯示. c. AT89C51:

6、 4 AT89C51是 一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元. AT89C51具有如下 特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙

7、工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89C51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器，保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。它的引腳圖如圖所示. d. A/D0809: 5 0809為AD轉換芯片. 該部分電路主要實現(xiàn)待測電壓值的模數(shù)轉換功能,是本設計的主要模塊。通過外圍電路各類參數(shù)調整,實現(xiàn)正確的電壓轉換范圍。通過芯片各類使能端的置高或者置低來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換輸出。針對單片機編程來實現(xiàn)A/D轉換功能,再將輸出數(shù)據(jù)存入寄存器中。只要再調

8、用計算子程序和顯示子程序便可實現(xiàn)待測電壓值的顯示。ADC0809功能有八位分辨率,最大不可調誤差小于1LSB,單一+5V供電,模擬輸入范圍為0-5V.具有鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。功耗為15MW。不必進行零點和滿度調整。轉換速度取決于芯片的時鐘頻率。IN0-IN7：8路輸入通道的模擬量輸入端口。6 D0-D7：8位數(shù)字量輸出端口。START，ALE：START為啟動控制輸入端口，ALE為地址鎖存控制信號端口。這兩個信號端口亦可連結在此一起，當通過軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數(shù)轉換。EOC，OE：EOC為轉換結束信號脈沖輸出端口，OE為輸出允許控制端口。這兩個信號端口亦可連結在一起，

9、表示模/數(shù)轉換結束。OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。VREF（+）、VREF（-）、VCC、GND：VREF（+）、VREF（-）為參考電壓輸入端；VCC為主電源輸入端，GND為接地端。一般VREF（+）與VCC接在一起，VREF（-）與GND接在一起。 CLK：時鐘輸入端。ADD A、ADD B、ADD C：8路模擬開關的三位地址選通輸入端，以選擇對應的輸入通道。 地址碼 ADD A 0 0 0 0 1 1 對應的輸入通道ADD C 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 7 ADD B 0 0 1 1 0 0 1

10、 1 1 1 0 1 IN6 IN7 e. SN74LS74: SN74LS74是一種雙D觸發(fā)器. 由于ADC0809片內無時鐘,所以需要用89S51單片機提供的地址鎖存允許信號ALE經D觸發(fā)器74LS74二分頻后獲得ALE腳的頻率是89S51的時鐘頻率的1/6.所以單片機的時鐘頻率采用12MHZ時ALE引腳的輸出頻率為2MHZ 將1和4引腳接高電平,若第2引腳1D=1時按動單次脈沖,則Q=1,Q非為0.若1D=0時按動單次脈沖,則Q=0,Q非為1. 第7引腳接地. 第14引腳接電源. 其它引腳懸空. f. 振蕩電路8 單片機的定時功能是用片內的時鐘電路和定時電路來完成的，而片內的時鐘產生有兩

11、種方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)采用內部時鐘方式，片內高增益反相放大器通過XTAL1，XTAL2外接作為反饋元件的晶體（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路過程的一個自激振蕩向內部時鐘提供振蕩時鐘。內部振蕩方式的外部電路如下圖I所示，圖中電容C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在530pF，在本設計中，C1、C2的值通常取30pF左右。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2-12MHz之間任選，本設計采用晶振頻率的典型值為12MHZ。因為內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，所以實用電路中使用較多。OSC1L1 12KMZOSC2C230PFC1 30P

12、F振蕩電路 9 單片機以晶體振蕩器的振蕩周期為最小的時序單位，片內的各種微操作都以此周期為時序基準。振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期包含2個振蕩周期，振蕩頻率二分頻后形成機器周期，一個機器周期包含有6個狀態(tài)周期或者12個振蕩周期，1到4個機器周期確定一條指令的執(zhí)行時間，這個時間便是指令周期。在MCS51單片機的所有指令中，有些完成的比較快，只需一個機器周期就行，有些完成的比較慢，則需兩個機器周期或者四個機器周期才能完成。具體的周期計算是這樣的。如果外接晶振頻率為12MHZ，那么振蕩周期=1/12MHZ=0.0833us,狀態(tài)周期=0.0167us,機器周期=1us,指令周期=14us

13、。當單片機工作于計數(shù)模式時，它的初值=（計數(shù)個數(shù)）求補，當工作于定時模式時，它的初值=（定時時間/機器周期）求補，根據(jù)不同的工作模式對初值進行裝入。 g. 復位電路當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。單片機復位系統(tǒng)常常有上電復位和手動復位兩種方法，上電復位，是指計算機加電瞬間，要在RST引腳上出現(xiàn)大于10微秒的正脈沖，使單片機進入復位狀態(tài)。手動復位是指用戶按下“復位”按鈕，使單片機進入復位狀態(tài)。本設計采用上電或手動復位，并且高電平有效。復位是靠外部電路來實現(xiàn)的，具體電路

14、如圖H所示。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電10 源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖H所示的RC復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。上電后，由于電容C11的充電作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵S1后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。其中C1122uF，R34200，R351k，VCC就為5V電源。VCCS1 S

15、W-PB R66200+ C11 10uRST R67 8.2K復位電路51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內部的程序代碼，若為低電11 平便會執(zhí)行外部程序。由于本設計只采用內部存儲器，不會執(zhí)行外部程序，因此EA端一般為高電平。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機冷啟動后，片內RAM為隨機值，運行中的復位操作不改變片內RA

16、M區(qū)中的內容，21個特殊功能寄存器復位后的狀態(tài)為確定值。但本實驗中應特殊原因,而未采用以上復位,而是直接采用人工復位. h.電源電路LM2596 開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路 ,能夠輸出3A的驅動電流,同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性.固定輸出版本有3.3V、5V、12V, 可調版本可以輸出小于37V的各種電壓.該器件內部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器,開關頻率為150KHz,與低頻開關調節(jié)器相比較,可以使用更小規(guī)格的濾波元件.由于該器件只需4個外接元件,可以使用通用的標準電感,這更優(yōu)化了LM2596的使用,極大地簡化了開關電源電路的設計.其封裝形式包括標準的5腳TO-220封裝(

17、DIP)和5腳TO-263表貼封裝(SMD).該器件還有其他一些特點:在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下,輸出電壓的誤差可以保證在4%的范圍內,振蕩頻率誤差在15%的范圍內;可以用僅80A的待機電流, 實現(xiàn)外部斷電;具有自我保護電路(一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路)特點 3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調電壓輸出 可調輸出電壓范圍1.2V37V4% 輸出線性好且負載可調節(jié) 輸出電流可高達3A 輸入電壓可高達40V 采用150KHz的內部振蕩頻率,屬于第二代開關電12 壓調節(jié)器,功耗小、效率高 低功耗待機模式,IQ的典型值為80A TTL斷電能力 具有過熱保

18、護和限流保護功能 封裝形式:TO-220(T)和TO-263(S) 外圍電路簡單,僅需4個外接元件, 且使用容易購買的標準電感應用領域 高效率降壓調節(jié)器 單片開關電壓調節(jié)器 正、負電壓轉換器 電源原理圖： i.放大和衰減電路： CD4066是四雙向模擬開關，主要用作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。引出端排列與CC4016一致，但具有比較低的導通阻抗。另外，導通阻抗在整個輸入信號范圍內基本不變。CD4066由四個相互獨立的雙向開關組成，每個開關有一個控制信號，開關中的p和n器件在控制信號作用下同時開關。這種結構消除了開關晶體管閾值電壓隨輸入信號的變化，因此在整個工作信號范圍內導通阻抗比較低。與單通道開

19、關相比，具有輸入信號峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號范圍內導通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點。但若應用于采寶電路，仍推薦CD4016。 當模擬開關的電源電壓采用雙電源時，例如 =5V， =5V（均對地0V而言），則輸入電壓對稱于0V的正、負信號電壓（5V5V）均能傳輸。這時要求控制信號C=“1”為+5V，C=“0”為-5V，否則只能傳輸正極性的信號電壓。 元件電路管腳圖如下：13 4.程序設計：(1)初始化程序：系統(tǒng)上電時，將30H33H內存單元清零，P2口置零。 (2)主程序：在剛上電時，因30H33H內存單元的數(shù)據(jù)為0，則每一通道的數(shù)碼管顯示值都為零，當進行一次測量后，將顯示出每一通道的A/D轉

20、換值。每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間在1s左右。主程序在調用顯示程序和測試程序之間循環(huán)，其流程圖如圖所示。 14 主程序：MAIN: LCALL SAMP ；ADC對輸入的模擬量進行采樣LCALL CONVERT ；啟動轉換 LCALL DISPLAY ；數(shù)碼管顯示數(shù)字 (3)顯示子程序: 采用動態(tài)掃描法實現(xiàn)三位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量所得的A/D轉換數(shù)據(jù)放在30H33H內存單元中。測量數(shù)據(jù)在顯示時需經過轉換成為十進制BCD碼放在30H33H中，其中30H存放0809轉換輸出數(shù)據(jù)。寄存器R0用作顯示數(shù)據(jù)地址指針。 (4)模擬轉換測量子程序: 模擬轉換測量子程序是用來對ADC0809的模擬輸入電壓的A/D

21、轉換，并將對應的數(shù)值移入30H34H內存單元，其程序流程圖如下： 15 AJMP MAIN 開始0100mv 0500mv 01v 02.5v 05v 數(shù)據(jù)采樣AT89C51從ADC讀入數(shù)據(jù)ADC轉換結束 EOC=1? N Y 取數(shù)據(jù)OE=1? 結束 A/D轉換測量子函數(shù)流程圖 SAMP:MOV P2,#0 ；選擇通道0 SETB P2.3 ；與ADC的ALE端相連，起地址鎖存的功能，即鎖存通道0 NOP ；延時1US CLR P2.3 SETB P2.4 ；START=1時，ADC0809進行數(shù)據(jù)轉換 NOP ；延時1US16 CLR P2.4 NOP ；延時4US NOP NOP NOP

22、WAIT: JB P3.7, DATAIN ；判斷ADC里面的數(shù)據(jù)是否轉換結束 AJMP WAIT DATAIN: SETB P2.5 ；OE=1時，AT89S51從ADC0809取數(shù)據(jù) MOV A, P0 ；將ADC轉換以后的數(shù)據(jù)放入AT89S51的累加器ACC里 MOV R0, #30H MOV R0, A ；將累加器里面的數(shù)據(jù)放入單片機內部的存儲器R0里 CLR P2.5 MOV P2, #0 ；選擇通道0 MOV P0, #0FFH ；初始化P0口 MOV P1,#0FFH ；關閉數(shù)碼管RET (5)A/D標度轉換以及程序分析: a標度轉換.被測電壓05V,A/D轉換后0255數(shù)字量

23、Ax=A0+( A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0) Ax參考量測量值，實際測量值17 Am參考量程終點值 A0參考量程起點值Nx量程測量對應的/D轉換后的值，實際是經數(shù)字濾波后確定的采樣值Nm量程終點對應的/D轉換后的值，實際是經數(shù)字濾波后確定的采樣值 N0量程起點對應的/D轉換后的值，實際是經數(shù)字濾波后確定的采樣值.用模擬量的數(shù)值除以51后得的商做為數(shù)碼管顯示的第一位,再用得到的余數(shù)除以5以后得到的商為數(shù)碼管顯示的第二位,而得到的余數(shù)為 數(shù)碼管顯示的第三位. b 轉換程序. 比較精確的轉換程序CONVERT: MOV A, R0 ；將從ADC讀入的數(shù)據(jù)放入累加器A中 MOV B,#51

24、DIV AB ；將A中的值除以51 MOV 33H,A ；第一位數(shù)值，將A中的值除以51，得到的商放入內部存儲器33H里 MOV A,B ；將A中的值除以51，得到的余數(shù)傳送給A CLR F0 ；F0為PSW寄存器的第5位，可以由用戶定義的一個狀態(tài)標志。用軟件來置位或清除的。 SUBB A,#26 ；將得到的余數(shù)與26比較 MOV F0, C ；將借位標志位送入F018 MOV A,#10 ；將數(shù)值10送入寄存器A MUL AB ；再將余數(shù)乘以10，將低8位放在加器A中，將高8位放在寄存器B中MOV B,#51 DIV AB ；用（A）除以51，得到的商放入累加器A， JB F0, LOOP1

25、 ADD A,#5 LOOP1: MOV 32H,A MOV A, B CLR F0 SUBB A,#26 MOV F0, C MOV A,#10 MUL AB MOV B,#51 DIV AB JB F0, LOOP2 ADD A,#5 LOOP2: MOV 31H,A RET .精度不高的轉換程序 CONVERT: MOV A, R0 余數(shù)放入寄存器B中 ；若借位標志位為1，即余數(shù)26，就要加上5 ；第二位數(shù)值的處理 ；清除了借位標志位 ；第三位數(shù)值的處理19 MOV B,#51 DIV AB MOV 33H,A MOV A, B MOV B,#5 DIV AB MOV 32H,A MOV

26、 A, B MOV 31H,A RET (6)數(shù)碼管的顯示分析在軟件方面，利用查表的方式來完成這一功能的。 DISPLAY: SETB P3.0 SETB P3.1 SETB P3.2 MOV R1,#31H MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB ；查不帶小數(shù)點的表 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.0 ；選擇控制位，在硬件圖中（從左向右）為第三個數(shù)碼管控制端 LCALL DELAY ；調用延時20 MOV P1,#0FFH SETB P3.0 ；關掉第三個數(shù)碼管 INC R1 ；內部存儲器地址自加1 MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB ；查不帶小數(shù)

27、點的表MOVC A,A+DPTR MOV P1, A CLR P3.1 LCALL DELAY MOV P1, #0FFH SETB P3.1 INC R1 MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.2 LCALL DELAY MOV P1,#0FFH SETB P3.2 RET ；選擇控制位，在硬件圖中（從左向右）為第二個數(shù)碼管控制端；內部存儲器地址自加1 ；選擇控制位，在硬件圖中（從左向右）為第一個數(shù)碼管控制端 21 ；查帶小數(shù)點的表 DELAY: MOV R6,#14H ；延時1MS DL1: MOV R7,#19H DL2: DJNZ