基于51單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計

1、摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測量技術(shù)對測量的精度和功能的要求也越來越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測量設(shè)備，它可以很好的滿足測量精度和功能的要求。本設(shè)計利用at89s51單片機(jī)技術(shù)結(jié)合a/d轉(zhuǎn)換（采用adc0809）構(gòu)建了一個直流數(shù)字電壓表。經(jīng)過對數(shù)字電壓表基本原理的分析，本文設(shè)計了一個以51單片機(jī)為核心的數(shù)字電壓表系統(tǒng)，給出了直流數(shù)字電壓表的設(shè)計流程，設(shè)計了電壓測量子系統(tǒng)和電流測量子系統(tǒng)，給出了硬件電路的框圖、電氣原理圖和軟件流程圖。系統(tǒng)設(shè)置了3個鍵的鍵盤，用于設(shè)定電壓、電流切換的功能鍵、系統(tǒng)復(fù)位鍵以及清零鍵。 關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；at89s51單片機(jī)；a/d轉(zhuǎn)換；adc0809；abst

2、ractas electronic science and technology development, electronic measurement technology on the accuracy of measurement and functional requirements are increasingly high, and digital voltmeter measurement equipment as the basic laboratory, it can well meet the measuring precision and function require

3、ments. a dc digital voltmeter is built by using at89s51 with the a/d convertor (adc0809)in the paper.this paper first introduces the main method and design voltmeter scm system advantage; then introduces the design process of dc digital voltmeter, and hardware system and the design of software syste

4、m, and gives the hardware circuit design system diagram and software system design flow diagram. keywords: digital voltmeter； at89s51mcs; a/d conversion; adc0809.目錄1 緒論11.1前言11.2數(shù)字電壓表的介紹11.2.1數(shù)字電壓表的發(fā)展概況11.2.2數(shù)字電壓表在各領(lǐng)域中的應(yīng)用21.2.3數(shù)字電壓表的優(yōu)點(diǎn)21.3單片機(jī)的介紹31.3.1單片機(jī)簡介31.3.2單片機(jī)的發(fā)展概況31.3.3單片機(jī)的應(yīng)用41.3.4單片機(jī)的特點(diǎn)61.4課題

5、背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.5本文主要研究內(nèi)容82 數(shù)字電壓表的工作原理92.1數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu)92.2數(shù)字電壓表的工作原理92.2.1模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路102.2.2多量程數(shù)字電壓表分壓原理102.2.3多量程數(shù)字電壓表分流原理113 硬件系統(tǒng)各模塊具體設(shè)計及實(shí)現(xiàn)143.1單片機(jī)的選擇143.1.1at89s51的引腳框圖153.1.2at89s51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖173.2a/d轉(zhuǎn)換器的選擇183.2.1adc0809的引腳結(jié)構(gòu)193.2.2adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)213.3顯示器的選擇213.4鍵盤的選擇233.5表筆探針設(shè)計244 系統(tǒng)總體方案研究254.1總體方案確定

6、254.2系統(tǒng)框圖及闡述254.3adc0809與at89s51的連接264.4鍵盤與單片機(jī)的連接274.5多量程數(shù)字電壓表檔位切換原理284.5.1多量程電壓的測量284.5.2多量程電流的測量305 系統(tǒng)的軟件設(shè)計315.1系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體思想315.2系統(tǒng)單片機(jī)的軟件設(shè)計315.2.1鍵盤的處理315.2.2顯示的處理315.2.3檔位切換的處理326 系統(tǒng)軟件流程圖336.1主程序流程圖336.2a/d轉(zhuǎn)換流程圖347 設(shè)計總結(jié)35參考文獻(xiàn)36致 謝37附 錄381 緒論1.1前言數(shù)字電壓表（digital voltmeter）簡稱dvm，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流

7、輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與pc進(jìn)行實(shí)時通信。目前，由各種單片a/d轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時，由dvm擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。1.2數(shù)字電壓表的介紹1.2.1數(shù)字電壓表的發(fā)展概況數(shù)字電壓表出現(xiàn)在50年代初，60年代末發(fā)起來的電壓測量儀表，簡稱dvm。它采用的是數(shù)字化測量技術(shù)，把

8、連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示器件顯示。這種電子測量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計算機(jī)的應(yīng)用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制實(shí)驗(yàn)研究的領(lǐng)域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)碼的要求，即為了實(shí)時控制及數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計算機(jī)的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時，為革新電子測量中的煩瑣和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。如今，數(shù)字電壓表已絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針

9、式電壓表功能單一、精度低，讀數(shù)的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測量精度高、速度快，讀數(shù)時也非常方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于電子及電工的測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。數(shù)字電壓表最初是伺服步進(jìn)電子管比較式，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度慢，重量達(dá)幾十公斤，體積大。繼之出現(xiàn)了斜波式電壓表，它的速度方面稍有提高，但是準(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進(jìn)逐次漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，他不僅保持了比較式準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點(diǎn)是抗干擾能力差，很容易受到外界各種因素的影響。隨后，在斜波

10、式的基礎(chǔ)上雙引申出階梯波式1，它的唯一的進(jìn)步是成本降低了，可是準(zhǔn)確度、速度以及抗干擾能力都未能提高。而現(xiàn)在，數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)是非常的成熟，就原理來講，它從原來的一、二種已發(fā)展到多種，在功能上講，則從測單一參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作元件來看，發(fā)展到了集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度高達(dá)1v；讀數(shù)每秒幾萬次，而相對以前，它的價格也降低了很多。所以，這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際上，都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。1.2.2數(shù)字電壓表在各領(lǐng)域中的應(yīng)用在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量。其中，電壓量的測量最為經(jīng)常。隨著電子

11、技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點(diǎn)而倍受用戶青睞，數(shù)字式電壓表就是基于這種需求而發(fā)展起來的，目前數(shù)字電壓表已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。是一種必不可少的電子測量儀表。1.2.3數(shù)字電壓表的優(yōu)點(diǎn)（1）顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確；（2）準(zhǔn)確度高；（3）分辨度高；（4）測量范圍寬；（5）擴(kuò)展能力強(qiáng)；（6）測量速度快；（7）輸入阻抗高；（8）集成度高，微功耗； （9）抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu)如

12、下圖1.1所示。單片機(jī)數(shù)字顯示+圖1.1 數(shù)字電壓表基本結(jié)構(gòu)可見數(shù)字電壓表的核心是單片機(jī)，下面介紹單片機(jī)。1.3單片機(jī)的介紹1.3.1單片機(jī)簡介單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器，隨機(jī)存取存儲器、輸入/輸出電路，可能還包括定時/計數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動電路、脈沖調(diào)制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路集成到一片芯片上，構(gòu)成一個既小而有完善的計算機(jī)系統(tǒng)。有以上分析可以看出，單片機(jī)出了具備微處理器的功能外，還可以單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這也是單片機(jī)最大的特點(diǎn)。1.3.2單片機(jī)的發(fā)展概況隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)先后經(jīng)歷了4位機(jī)、8位

13、機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)的發(fā)展階段:（1）1971年，美國intel公司首先推出了4位微處理器芯片4004；1975年，美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機(jī)tms-1000；此后，各個計算機(jī)生產(chǎn)公司競相推出4位單片機(jī)2。（2）1972年intel公司首先推出了8位微處理器8008，并與1976年9月率先推出mcs-48系列8位單片機(jī)，使單片機(jī)發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。在這之后，8位單片機(jī)紛紛面世。（3）1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬只管/片，各系列16位單片機(jī)紛紛面世。這一階段的產(chǎn)品有1983年intel公司推出的mcs-96系列，1987年intel公司推出的80c96，

14、美國國家半導(dǎo)體公司推出的hpc16040,nec公司推出的783xx系列等3。（4）隨著高新技術(shù)在智能機(jī)器人、光盤驅(qū)動器、激光打印機(jī)、圖像與數(shù)據(jù)實(shí)時處理、復(fù)雜實(shí)時控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，20世紀(jì)80年代末推出了32位單片機(jī)，如motorola的mc683xx系列，intel的80960系列，以及近年來流行的arm系列單片機(jī)。32位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價格的下降，將會與8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。（5）近年來，64位單片機(jī)在引擎控制、智能機(jī)器人、磁盤控制、語言/圖像通信、算法密集的實(shí)時控制等場合已有應(yīng)用，如英國inmos公司的transputer t800

15、是高性能64位單片機(jī)。雖然單片機(jī)的發(fā)展按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位、64位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒有出現(xiàn)像微處理器那樣推陳出新、更新?lián)Q代的局面，這也是單片機(jī)發(fā)展的一大特點(diǎn)。8位單片機(jī)是市場的主流產(chǎn)品，但32位單片機(jī)的發(fā)展也很迅速。1.3.3單片機(jī)的應(yīng)用目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制,計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，廣泛使用的各種智能ic卡等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。單片機(jī)的特點(diǎn)主要有 ：高集成度，體積小，高可靠性 ；控制功能強(qiáng)；低電壓，低功耗，便于

16、生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 ；易擴(kuò)展；優(yōu)異的性能價格比?，F(xiàn)今，單片機(jī)已成為計算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。此外在開發(fā)和應(yīng)用過程中我們更要掌握技巧，提高效率，以便于發(fā)揮它更加廣闊的用途。在現(xiàn)實(shí)中單片機(jī)控制應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等各個領(lǐng)域深刻了解其轉(zhuǎn)速控制有重大意義，現(xiàn)實(shí)中大致可分如下幾個范疇：（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)

17、具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。 （2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)，以及本設(shè)計的控制調(diào)速系統(tǒng)等。 （3）在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基

18、本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 （4）在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機(jī)等4。 （5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

19、此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。51.3.4單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)的一塊半導(dǎo)體芯片集成了一太微型計算機(jī)的基本部件，在硬件結(jié)構(gòu)、指令功能方面均有獨(dú)特之處，主要特點(diǎn)如下：（1） 單片機(jī)內(nèi)集成了存儲器。（2） 單片機(jī)存儲結(jié)構(gòu)將rom和ram嚴(yán)格分工。（3） 為了滿足工業(yè)控制的需要，單片機(jī)有很強(qiáng)的位處理功能，在其他邏輯控制功能方面也都優(yōu)于一般的8位微處理器。（4） 8位處理器的引腳功能一般都是固定的。（5） 單片機(jī)類型多，并且便于擴(kuò)展功能。（6） 單片機(jī)把微型計算機(jī)的各個部分集成在一塊芯片上，大大縮短了系統(tǒng)內(nèi)信號的傳送距離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度。由

20、于單片機(jī)具有體積小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、價格低廉等特點(diǎn)。1.4課題背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近20年來，微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。這一背景和形勢，不斷地向儀器儀表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、靈敏度更高、穩(wěn)定性更好、樣品量更少、遙感遙測更遠(yuǎn)距、使用更方便、成本更低廉、無污染等，同時也為儀器儀表科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動力，并成了儀器儀表進(jìn)一步發(fā)展的物質(zhì)、知識和技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的儀器儀表將仍然朝著高性能、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)保和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展。新型的儀器儀表與元器件將朝著小型化、集成化、成套化

21、、電子化、數(shù)字化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、計算機(jī)化、綜合自動化、光機(jī)電一體化；在服務(wù)上專門化、簡捷話、家庭化、個人化、無維護(hù)化以及組裝生產(chǎn)自動化、無塵化、專業(yè)化、規(guī)模化的“二十化”的方向發(fā)展6。在這“二十化”中，占主導(dǎo)地位、起核心或關(guān)鍵的作用是微型化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、數(shù)字化和智能化。（1）微型化 mems(micro electro-mechanical system)是一項(xiàng)被視為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的傳感器及信號處理新技術(shù)，并且被列為美國“對國家安全及繁榮有重大影響”的22項(xiàng)重大技術(shù)之一，主要是依托微型化技術(shù)7。應(yīng)用mems技術(shù)的微型儀器儀表被稱為芯片上的儀器儀表。它是一種集成了微傳感器、微執(zhí)

22、行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)和控制物理環(huán)境的芯片及設(shè)備。它具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可替代傳統(tǒng)傳感器，而且其低成本、高性能的優(yōu)勢使其能在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而開辟了更廣闊的新興市場。（2）網(wǎng)絡(luò)化 通常，基于internet的測控系統(tǒng)以一個功能強(qiáng)大的微處理器和一個嵌入式操作系統(tǒng)為支撐，使其前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸。在這個平臺上，使用者可以方便地實(shí)現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。基于internet的測控系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)，是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變，它對測量、控制信號等的傳輸，完全是建立在公共

23、的internet之上，操作使用便捷。（3）虛擬化 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)實(shí)由pc機(jī)的軟件來完成，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與pc機(jī)組成測量儀器。（4）數(shù)字化、智能化 微電子技術(shù)的進(jìn)步，使儀器儀表產(chǎn)品與微處理器、pc技術(shù)融合得更為緊密，其數(shù)字化、智能化程度不斷提高。尤其在儀器儀表的設(shè)計中采用了大量的超大規(guī)模集成（vlsi）的新器件，表面貼裝技術(shù)（smt）、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成（wsi）和多芯片模塊（mcm）等新工藝以及cad,cam,capp,cat等計算機(jī)輔助手段，使多媒體、人機(jī)交互、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在現(xiàn)代儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用8。使得越來越多的

24、智能化儀器儀表具有專家系統(tǒng)和推斷、分析、決策、優(yōu)化控制功能以及通信功能。同時，在遙控診斷信息、測試速度和精確性等方面均有大幅度提高。數(shù)字電壓表的設(shè)計和開發(fā)，已經(jīng)有多種類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表各有特點(diǎn)，它們適合在現(xiàn)場做手工測量，要完成遠(yuǎn)程測量并要對測量數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析處理，傳統(tǒng)數(shù)字電壓表是無法完成的。然而基于pc通信的數(shù)字電壓表，既可以完成測量數(shù)據(jù)的傳遞，又可以借助pc，做測量數(shù)據(jù)的處理。所以這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際應(yīng)用上，都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。數(shù)字電壓表的發(fā)展大致如下：(1)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用20世紀(jì)90年代初世界各國相繼研發(fā)了新

25、的a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如：四斜率a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)（美國）、余數(shù)再循環(huán)技術(shù)（美國）、自動校準(zhǔn)技術(shù)（英國）、固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)（英國）、約瑟夫森效應(yīng)基準(zhǔn)源（2*10-9穩(wěn)定度）能化專用芯片（80c51系列，荷蘭）等，這些新技術(shù)使數(shù)字電壓表向高準(zhǔn)確度、高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展9。(2)智能化階段隨著電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路（lsi）及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使人們不久即研制出微處理器件（p）數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)了dvm數(shù)據(jù)處理自動化和可編程序。因?yàn)閹в写鎯ζ鞑⑹褂密浖С?，所以可進(jìn)行信息處理，可通過標(biāo)準(zhǔn)接口做成自動測量系統(tǒng)（ats），能夠自校、自檢，保證了自動測量的高準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了儀器儀表的智能化10。

26、當(dāng)前，智能化儀表發(fā)展十分迅速，而未處理式dvm在智能儀表中占有的比重最大。智能化的dvm為實(shí)現(xiàn)各種物理量的動態(tài)測量提供了可能。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電子的數(shù)字化儀表，幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動化儀表等各個領(lǐng)域。因此對數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。1.5本文主要研究內(nèi)容隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測量技術(shù)對測量的精度和功能的要求也越來越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測量設(shè)備，它可以很好的滿足測量精度和功能的要求。本設(shè)計利用at89s51單片機(jī)技術(shù)結(jié)合a/d轉(zhuǎn)換（采用adc0809）構(gòu)建了一個

27、直流數(shù)字電壓表。經(jīng)過對數(shù)字電壓表基本原理的分析，本文設(shè)計了一個以51單片機(jī)為核心的數(shù)字電壓表系統(tǒng)，給出了直流數(shù)字電壓表的設(shè)計流程，設(shè)計了電壓測量子系統(tǒng)和電流測量子系統(tǒng)，給出了硬件電路的框圖、電氣原理圖和軟件流程圖。系統(tǒng)設(shè)置了3個鍵的鍵盤，用于設(shè)定電壓、電流切換的功能鍵、系統(tǒng)復(fù)位鍵以及清零鍵；四位led顯示器；紅、黑測量探針一對。2 數(shù)字電壓表的工作原理2.1數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字電壓表的基本功能是能夠測量電壓，電流值，數(shù)字電壓表的基本組成框圖見圖2.1。各部分的功能： 8位 a/d 轉(zhuǎn)換器0809：將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?；鶞?zhǔn)電源：提供精密電壓，供 a/d 轉(zhuǎn)換器作參考電壓。顯示器：

28、四位數(shù)字顯示，將單片機(jī)輸出的數(shù)值顯示。單片機(jī)89s51:接受鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)檔位切換和量程轉(zhuǎn)換，啟動a/d 轉(zhuǎn)換器，把測量值送到顯示器。鍵盤：進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位、清零以及功能的選擇。電壓電流a/d轉(zhuǎn)換模塊led顯示模塊鍵盤模塊單片機(jī)系統(tǒng)模塊輸入端模塊檔位切換模塊控制線圖2.1數(shù)字電壓表的基本組成圖2.2數(shù)字電壓表的工作原理數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是 a/d 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確

29、度，數(shù)字式電壓表是由高阻抗電壓表頭與分壓電路組成的。下面將分別介紹各個部分的組成。2.2.1模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值（大小）連續(xù)變化的所謂模擬量（模擬信號）。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)行顯示和處理（如存儲、傳輸、打印、運(yùn)算等）。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值（大小）是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”，若最小量化單位（量化臺階）為，則數(shù)字信號的大小一定是的整倍數(shù)，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù)碼變換（譯碼）后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設(shè)=0.1mv，

30、我們把被測電壓u與比較，看u是的多少倍，并把結(jié)果四舍五入取為整數(shù)n（二進(jìn)制）。一般情況下，n1000即可滿足測量精度要求（量化誤差1/1000=0.1%）。數(shù)字表頭最大示數(shù)為9999，稱為四位數(shù)字表。因此移動小數(shù)點(diǎn)的位置就可顯示出來對應(yīng)的單位值。2.2.2多量程數(shù)字電壓表分壓原理數(shù)字電壓表的多量程電壓檔電路為圖2.2所示。200mv2v20v200v2000v1k9k90k900kr5r4r3r29mr1uia/d單片機(jī)ledku 圖2.2 分壓電路圖該設(shè)計是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的，如先確定：r=r1+r2+r3+r4+r5=10m；再計算2000v檔的電阻：r5=0.00

31、01r=1k；再逐檔計算r4、r5、r2、r1。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000v，但通常的數(shù)字電壓表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000v。如圖所示，接通電壓測量電路，ui為由紅色表筆測量所得的輸入電壓，單片機(jī)內(nèi)部由高到低對ku進(jìn)行導(dǎo)通，從而逐個對輸入電壓進(jìn)行檢測，單片機(jī)最終選擇適合的檔位進(jìn)行選通，其中開關(guān)ku受繼電器線圈ju（圖4.4）控制，之后電壓信號通過a/d的in0(-信號接入口)與in1(+信號接入口)進(jìn)入a/d進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后送給單片機(jī)。最后可根據(jù)檔位自動調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，使用者可以方便地讀出測量結(jié)果。2.2.3多量程數(shù)字電壓表分流原理數(shù)字電壓表的電流檔電路如圖2.

32、3所示。0.10.990900d2d1bxiir1r2r3r4r59kia/d單片機(jī)led圖2.3 分流電路圖中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的：先計算最多是電流檔的分流電阻r5：r5=0.1（）再計算下一檔的r4r4=-r5=-0.1=0.9（）依次可計算出r5、r2、和r1。當(dāng)接通電流測量電路時，電流首先通過保險絲管bx，以防電流過大時它可快速熔斷，起過流保護(hù)作用。接下來，兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管d1、d2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航担O管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7v，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被

33、限制住（小于0.7v），保護(hù)電壓表不被損壞。其中開關(guān)ki受繼電器ji控制。之后電流信號通過a/d的in2(-信號接入口)與in3(+信號接入口)進(jìn)入a/d進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后送給單片機(jī)。最終單片機(jī)將自動選擇出最適合的量程檔位，而且顯示器將根據(jù)單片機(jī)判斷出的檔位自動調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，以方便使用者讀數(shù)。例如：當(dāng)2ma的電流流進(jìn)來時，單片機(jī)將直接將繼電器開關(guān)打到ki0處，經(jīng)過分流電阻后，所得電壓為0.2mv，由于a/d最小能測到的數(shù)值為20mv，所以選通ki0時所測的數(shù)a/d檢測不到，此時單片機(jī)將繼續(xù)選通下一個繼電器開關(guān)，依次通過ki1、ki2、直到選通ki3時，經(jīng)過分流電阻后，所得電壓為0.2v，此時可

34、測，因此2ma電流時最終選通的是ki3，以此類推，其他被測量進(jìn)入時，都按照以上方法進(jìn)行逐個檢測、選通。 3 硬件系統(tǒng)各模塊具體設(shè)計及實(shí)現(xiàn)3.1單片機(jī)的選擇本設(shè)計采用mcs-51系列單片機(jī)。由美國atmel公司生產(chǎn)的at89s51是一種低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，性價比高的at89s51可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。at89s51 具有如下特點(diǎn):40

35、個引腳,4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲器,128 bytes 的隨機(jī)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個全雙工串行通信口,看門狗(wdt)電路,片內(nèi)時鐘振蕩器11。at89s51的優(yōu)點(diǎn)：（1） 新增加了很多功能，性能有了較大提升。 （2）isp在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個強(qiáng)大易用的功能。 （3） 最高工作頻率為33mhz， 89c51的極限工作頻率是24m， s51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。 （4） 具有雙工u

36、art串行通道。 （5） 內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像89c51那樣外接看門狗計時器單元電路。 （6） 雙數(shù)據(jù)指示器。 （7） 電源關(guān)閉標(biāo)識。 （8） 全新的加密算法，這使得對于89s51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 （9） 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。3.1.1at89s51的引腳框圖 at89s51引腳框圖如圖3.1所示。圖3.1 at89s51引腳框圖at89s51引腳描述：vcc：at89s51 電源正端輸入，接+5v。gnd：電源地端。xtal1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。xtal2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸

37、出端，一般在設(shè)計上只要在 xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一個 20pf 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。reset：at89s51的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機(jī)器周期以上的時間，at89s51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000h處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。ea/vpp：“ea”為英文“external access”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部

38、的程序代碼（存于外部eprom中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，ea引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。ale/prog：ale是英文“address latch enable”的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。at89s51可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74ls373），將端口0的地址總線（a0a7）鎖進(jìn)鎖存器中，因?yàn)閍t89s51是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ale引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成

39、程序規(guī)劃的特殊功能來使用。psen：此為“program store enable”的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（ea=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到eprom的oe腳。at89s51可以利用psen及rd引腳分別啟用存在外部的ram與eprom，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64k的定址范圍。port0（p0.0p0.7）：端口0是一個8位寬的開路極（open drain）雙向輸出入端口，共有8個位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此類推。其他三個i/o端口（p1、p2、p3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部

40、有一提升電路，p0在當(dāng)作i/o用時可以推動8個ls的ttl負(fù)載。如果當(dāng)ea引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），p0就以多工方式提供地址總線（a0a7）及數(shù)據(jù)總線（d0d7）。設(shè)計者必須外加一個鎖存器將端口0送出的地址鎖住成為a0a7，再配合端口2所送出的a8a15合成一完整的16位地址總線，而定址到64k的外部存儲器空間。port2（p2.0p2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，每一個引腳可以推動4個ls的ttl負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。p2除了當(dāng)作一般i/o端口使用外，若是在at89s51擴(kuò)充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，

41、也提供地址總線的高字節(jié)a8a15，這個時候p2便不能當(dāng)作i/o來使用了。port1（p1.0p1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ls ttl負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，p1.0又當(dāng)作定時器2的外部脈沖輸入腳，而p1.1可以有t2ex功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。port3（p3.0p3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ttl負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭?/p>

42、控制等功能。其引腳分配如下：p3.0：rxd，串行通信輸入。p3.1：txd，串行通信輸出。p3.2：int0，外部中斷0輸入。p3.3：int1，外部中斷1輸入。p3.4：t0，計時計數(shù)器0輸入。p3.5：t1，計時計數(shù)器1輸入。p3.6：wr：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。p3.7：rd，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.1.2at89s51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖at89s51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。resetp0.0p0.7p2.0p2.7p1.0p1.7p3.0p3.7p0驅(qū)動器p2驅(qū)動器ram地址寄存器ramp0鎖存器器p2鎖存器rom/eprom/flash程序地址鎖存器緩沖器pc增量器pcdp

43、tr寄存器bacc暫存器2暫存器1sp中斷、串行口及特殊功能寄存器alupsw定時及控制指令寄存器p1鎖存器p1鎖存器p3鎖存器p3鎖存器vccvssalextal11xtal2圖3.2 at89s51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從圖2.2可以看出，51單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲器、4個并行i/o口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、震蕩器等功能部件。圖中sp是堆棧指針寄存器；pc是程序計數(shù)器；psw是程序狀態(tài)字寄存器；dptr是數(shù)據(jù)指針寄存器。3.2a/d轉(zhuǎn)換器的選擇a/d轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過a/d轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，

44、目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號的a/d轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器和并行式a/d轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比如icl71xx系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分相比，逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如本設(shè)計將用到的8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器adc0809，其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。它還可以與單片機(jī)系統(tǒng)連

45、接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示12。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用a/d芯片。adc0809的主要特性：（1）8路輸入通道，8位a/d轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640khz時)，130s（時鐘為500khz時）（4）單個+5v電源供電。（5）模擬輸入電壓范圍05v，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范圍為-4085攝氏度。（7）低功耗，約15mw。adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。3.2.1adc0809的引腳結(jié)構(gòu)adc080

46、9的引腳結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3 adc0809的引腳圖in0-in7 (8條模擬量輸入通道)： adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0-5v，若信號太小，必須進(jìn)行放大。輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。a,b和c為地址輸入線，用于選通in0-in7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線：11條st為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)st上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st應(yīng)保持低電平。eo

47、c為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7-d0為數(shù)字量輸出線。clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz,vref(+)，vref(-)為參考電壓輸入。3.2.2adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。 clock start eoc三態(tài)輸出緩沖器8位a/d轉(zhuǎn)換器8路模擬電路開關(guān) in0 d0d7 in7 ale地

48、址譯碼與鎖存器 2-12-8 vccadd ac gnd oe vref(+) vref（-） 圖3.4 adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖3.4可知，adc0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出緩沖器組成。8路模擬開關(guān)用于選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。in0in7為8路模擬量輸入端，模擬量輸入電壓的范圍是05v，對應(yīng)的數(shù)字量為00hffh，轉(zhuǎn)換時間為100s。adda、addb、addc為通道線，用于選擇通道。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)

49、據(jù)。3.3顯示器的選擇led顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件。如圖3.5所示，它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的led顯示器有7段和“米”字段之分。在次顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值用7段顯示管即可。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極led顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極led顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。本

50、設(shè)計選用了四位共陽極接法。圖3.5 led的共陽、共陰極接法led數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的各個端并連在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個i/o口相連，從該i/o口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽極或共陰極則與另一i/o口相連，控制被點(diǎn)亮的位。動態(tài)顯示的特點(diǎn)是：每一時刻只能有1位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流放點(diǎn)亮；對于每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時間間隔（一般為1ms），可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。在靜態(tài)顯示方式下，每

51、位數(shù)碼管的各個端與一個8位的i/o口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應(yīng)的i/o口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)為：各數(shù)碼管同時點(diǎn)亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。故?jīng)綜合考慮，決定選用led數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式。本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示所測量的電流電壓值，為了節(jié)省i/o口，我們使用74ls47來把四位的bcd碼轉(zhuǎn)換成七段led顯示，下面給出led與單片機(jī)的接口電路圖，如圖3.6所示。由上圖可以看到，單片機(jī)的p3.0、p3.1、p3.2和p3.3作為bcd碼的輸出口，分別與74ls47的a、b、c和d引腳相接。單片機(jī)的p3.4、p2.5、p2.6和p2.7

52、分別作為四位led的由低位到高位的373鎖存器的鎖存控制端，高電平有效。這4個373鎖存器的輸出使能端接高電平，使輸出常通，連接到4個led顯示器。單片機(jī)由低位到高位送給4個led顯示器數(shù)據(jù)時，在軟件控制下，先準(zhǔn)備好p2.0至p2.3的數(shù)據(jù)，然后在p2.4端產(chǎn)生一個為正脈沖，將數(shù)據(jù)鎖存到dg4。其余類似。3.4鍵盤的選擇本設(shè)計中鍵盤主要設(shè)置了用于切換電壓、電流兩個檔的功能鍵，系統(tǒng)復(fù)位鍵以及顯示器清零鍵。其中，按下功能鍵led燈亮的時候測量的是電壓值，再按下功能鍵led燈滅的時候測的是電流值。這個鍵盤將采用采用獨(dú)立式鍵盤直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，接口電路配置靈活。如下圖3.7所示。

53、rstclcuiled系統(tǒng)復(fù)位清零圖3.7 鍵盤框圖3.5表筆探針設(shè)計本設(shè)計輸入端設(shè)置了紅、黑探針一對。因?yàn)樾铚y量電壓、電流兩不同值，因此輸入端紅色探針處設(shè)置一個單刀雙擲繼電器開關(guān)，如圖3.8（a），此繼電器開關(guān)受鍵盤上的功能鍵控制，如圖3.8（b）,當(dāng)鍵盤功能鍵按下，電壓顯示燈亮，則此繼電器開關(guān)打到電壓測量電路測量電壓，反之測量電流，表筆探針繼電器開關(guān)如下圖3.8所示。紅色探針u ii ik接單片機(jī)p0.5口功能鍵jui+5v（a）(b)90 圖3.8 輸入端設(shè)計圖4 系統(tǒng)總體方案研究4.1總體方案確定經(jīng)過分析和仔細(xì)的研究系統(tǒng)總體方案確定如下：1、單片機(jī)：采用8051派生系列產(chǎn)品at89s51；2、a/d轉(zhuǎn)換器：采用adc0809；4、液晶顯示器：采用三位半led數(shù)碼管液晶顯示器；5、鍵盤：采用與單片機(jī)直接相連的獨(dú)立式按鍵； 6、紅、黑探針一對。4.2系統(tǒng)框圖及闡述本設(shè)計系統(tǒng)以51單片機(jī)作為數(shù)字電壓表的控制核心，系統(tǒng)包括主控模塊51單片機(jī)，顯示模塊，a/d轉(zhuǎn)換模塊，放大器模塊，輸入端模塊以及鍵盤模塊。系統(tǒng)框圖如下圖4.1所示。以下再對各部分進(jìn)行闡述。電壓電流a/d轉(zhuǎn)換模塊led顯示模塊鍵盤模塊單片機(jī)系統(tǒng)模塊輸入端模塊控制線檔位切換模塊圖4.1 系統(tǒng)總體框圖4.3adc0809與at89s51的連接adc0809與a