基于MCS-51單片機-數(shù)字電壓表設計

1、1 引言 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常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經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。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。最近的幾十年來，隨著半導體技術、集成電路（IC）和微處理器技術的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術也有了巨大的進步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的類型。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經歷了不斷改進的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化（IC化），另一方面，精度也

2、從0.01%-0.005%。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設計為研究內容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉換模塊、數(shù)據處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉換采用ADC0808對輸入的模擬信號進行轉換，控制核心AT89C51再對轉換的結果進行運算處理，最后驅動輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號。2 設計總體方案2.1設計要求 以MCS-51系列單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。采用1路模擬量輸入，能夠測量0-5V之間的直流電壓值。電壓顯示用4位一體的LED數(shù)碼管顯示，至少能夠顯示兩位小數(shù)。 盡量使用較少的元器件。2.2 設計思路根據設計要求，選擇AT89C51單片機為核心控制器件。A/D轉換采用

3、ADC0808實現(xiàn)，與單片機的接口為P1口和P2口的高四位引腳。電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產生。2.3 設計方案硬件電路設計由6個部分組成; A/D轉換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。 時鐘電路 復位電路A/D轉換電路測量電壓輸入顯示系統(tǒng)AT89C51 P1 P2 P2 P0 圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設計框圖3硬件電路設計基于單片機的數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖2所示。圖2 簡易數(shù)字電壓表電路圖此電路的工作原理是：+5V模擬電

4、壓信號通過變阻器VR1分壓后由ADC0808的IN0通道進入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低電平），經過模/數(shù)轉換后，產生相應的數(shù)字量經過其輸出通道D0-D7傳送給AT89C51芯片的P1口，AT89C51負責把接收到的數(shù)字量經過數(shù)據處理，產生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼傳送給四位LED，同時它還通過其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3產生位選信號控制數(shù)碼管的亮滅。此外，AT89C51還控制ADC0808的工作。其中，單片機AT89C51通過定時器中斷從P2.4輸出方波，接到ADC0808的CLOCK,P2.6發(fā)正脈沖啟動A/D轉換，P2.5檢測A/

5、D轉換是否完成，轉換完成后，P2.7置高從P1口讀取轉換結果送給LED顯示出來。.簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經設計完成，就可以選取相應的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實現(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應的軟件配合，才能達到設計要求。4程序設計4.1 程序設計總方案 根據模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖3所示。開始初始化調用A/D轉換子程序調用顯示子程序結束圖3 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖4.2 系統(tǒng)子程序設計4.2.1 初

6、始化程序所謂初始化，是對將要用到的MCS_51系列單片機內部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設定，初始化子程序的主要工作是設置定時器的工作模式，初值預置，開中斷和打開定時器等。4.2.2 A/D轉換子程序A/D轉換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應的數(shù)值存入相應的內存單元，其轉換流程圖如圖4所示。開始啟動轉換A/D轉換結束？輸出轉換結果數(shù)值轉換顯示結束圖4 A/D轉換流程圖4.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設置適當?shù)膾呙桀l率，當掃描頻率在70HZ左右時，能夠產生比較好

7、的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。在本設計中，為了簡化硬件設計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現(xiàn)11s定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。4.3程序代碼LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH SJMP INT_T0 START:MOV LED_0,#00H MOV P2,#0FFH MOV LED_1

8、,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0 WAIT:CLR ST SETB STCLR STJNB EOC,$SETB OEMOV ADC,P1CLR OEMOV A,ADCMOV B,#51DIV ABMOV LED_2,AMOV A,BMOV B,#5DIV ABMOV LED_1,AMOV LED_0,BLCALL DISPSJMP WAITINT_T0:CPL CLOCK RETIDISP:MOV A,LED_0 MOVC A,A+D

9、PTR CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A,LED_1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.2 MOV A,LED_2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.1;ORL A,#80H; SETB ACC.7 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1 RETDELAY:MOV R6,#10D1:MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETTABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H

10、,7FH,6FH END5仿真5.1 仿真過程1 將設計的電路在單片機仿真軟件Proteus7中進行仿真，仿真電路圖需要的元件如下： 接地ground Power AT89C51 CAP CAP-ELEC CRYSTAL RES ADC0808 PULLUPRES-VAR BUTTON連接好電路圖.5.2 軟件調試軟件調試的主要任務是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。本系統(tǒng)的調試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是匯編語言，用Keil軟件將程序寫入單片機。5.3

11、顯示結果 1. 當IN0口輸入電壓值為0V時，顯示結果如圖5所示，測量誤差為0V。 圖5 輸入電壓為0V時，LED的顯示結果2. 當IN0輸入電壓值為1.50V時，顯示結果如圖6所示。測量誤差為0.01V。 圖6 輸入電壓為1.50V時，LED的顯示結果3. 當IN0口輸入電壓值為3.50V時，顯示結果如圖7。測量誤差為0.01V。 圖7 輸入電壓為3.50V時，LED的顯示結果5試驗臺效果圖：6結論經過一段時間的努力，課程設計-基于MCS-51單片機數(shù)字電壓表設計基本完成。但設計中的不足之處仍然存在。在這過程中，我對電路設計，單片機的使用等都有了新的認識。通過這次設計學會了Proteus和K

12、eil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設計、功能模塊的劃分、原理圖的設計和電路圖的仿真的設計流程，積累了不少經驗?；趩纹瑱C的數(shù)字電壓表使用性強、結構簡單、成本低、外接元件少。在實際應用工作應能好，測量電壓準確，精度高。系統(tǒng)功能、指標達到了課題的預期要求、系統(tǒng)在硬件設計上充分考慮了可擴展性，經過一定的改造，可以增加功能。本文設計主要實現(xiàn)了簡易數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能，詳細說明了從原理圖的設計、電路圖的仿真再到軟件的調試。通過本次設計，我對單片機這門課有了進一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設計采用了AT89C51單片機芯片，與以往的單片機相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應用領域也更為廣泛。設計中還用到了模/數(shù)轉換芯片ADC0808，以前在學單片機課程時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設計，對它的工作原理有了更深的理解?？傊@次電路的設計和仿真，基本上達到了設計的功能要求。在以后的實踐中，我將繼續(xù)努力學習電路設計方面的理論知識，并理論聯(lián)系實際，爭取在電路設計方面能有所提升。參 考 文 獻1 李朝青單片機原理及接口技術第三版北京：北京航天航空大學出版社，200517242 苗紅霞. 單片機實現(xiàn)數(shù)字電壓表的軟硬