簡易數(shù)字電壓表

1、單片機課程設計報告簡易數(shù)字電壓表一、設計任務與要求1.電壓表的測量范圍為0-5V;2.測量精度約為20mV。二、方案設計與論證方案一：選擇MC14433A/D轉(zhuǎn)換器、CD4511等元器件設計電路：方案二：用單片機設計電路：設計采用STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809和共陰數(shù)碼管為主要硬件，分析了數(shù)字電壓表Proteus軟件仿真電路設計及編程方法。將單片機應用于測量技術中，采用ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，用STC89C52實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。通過數(shù)碼管以掃描的方式完成顯示。方案比較：方案1：3為半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433轉(zhuǎn)換精度為讀數(shù)的±0.05%

2、77;1字，并能很方便地判斷出是否超欠量程，以便于量程的自動切換功能的實現(xiàn)，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能。缺點是工作速度低，且外圍電路需配基準電源，短譯碼驅(qū)動器和位驅(qū)動器，電路較復雜。方案2：設計電路簡單。易于控制，且性能穩(wěn)定；單調(diào)試過程需要一定的編程基礎，可利用Proteus軟件仿真電路設計和調(diào)試。Proteus軟件是一種電路分析和實物模擬仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以進行仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路，是集單片機和SPICE分析于一身

3、的仿真軟件，功能強大，具有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優(yōu)點，因此可用此軟件方便調(diào)試電路。經(jīng)過以上兩種方案的特點比較，方案二中的電路設計采用比較常見的元器件，對這種方案有一定的專業(yè)基礎，故采用第二種方案。三、單元電路設計與參數(shù)計算1A/D轉(zhuǎn)換模塊1.1ADC0809主要特性ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，帶有使能控制端，與微機直接接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，由于ADC0809設計時考慮到若干種模/數(shù)變換技術的長處，所以該芯片非常適應于過程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機床控制等領域。ADC0

4、809主要特性:8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位；具有鎖存控制的8路模擬開關；易與各種微控制器接口；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；轉(zhuǎn)換時間：128s；轉(zhuǎn)換精度：0.2%；單個+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0- +5V，無需外部零點和滿度調(diào)整；低功耗，約15mW。1.2ADC0809的外部引腳特征 ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖1所示。圖1 ADC089引腳圖下面說明各個引腳功能:IN0-IN7（8條）：8路模擬量輸入線，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制（4條）：ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當ALE為高電平時，為地址輸入線，用于選

5、擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線，用于選擇8路模擬輸入中的一路，其對應關系如表1所示：表1 ADC0809通道選擇表地址碼 對應的輸入通道 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為“啟動脈沖”輸入法，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC: EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸

6、出鎖存器。D1-D8：數(shù)字量輸出端，D1為高位。OE：OE為輸出允許端，高電平能使D1-D8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。REF+、REF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡供給標準電壓。Vcc、GND: Vcc為主電源輸入端，GND為接地端，一般REF+與Vcc連接在一起，REF-與GND連接在一起. CLK:時鐘輸入端。1.3ADC0809的內(nèi)部結(jié)構及工作流程ADC0809由8路模擬通道選擇開關，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開關樹型A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內(nèi)部結(jié)構如圖2所示。圖2 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構其中：（1）8路模擬通道選擇開關實現(xiàn)從8路

7、輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進行比較。（2）地址鎖存與譯碼器用于當ALE信號有效時，鎖存從ADDA、ADDB、ADDC 3根地址線上送來的3位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號，從8路模擬通道中選擇當前模擬通道。（3）比較器，8位開關樹型A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時和控制電路組成8位A/D轉(zhuǎn)換器，當START信號有效時，就開始對當前通道的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到8位三態(tài)鎖存器，同時通過引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。（4）三態(tài)輸出鎖存器保存當前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當OE信號有效時，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。ADC0809的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ALE=1

8、,將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器從8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。（2）送START一高脈沖，START的上升沿使逐次寄存器復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號為低電平。（3）當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。（4）當CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時，使OE為高電平，則從輸出端D0-D7讀出數(shù)據(jù)。2單片機系統(tǒng)2.1 STC89C52性能STC89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有8KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技

9、術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的STC89C52是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。STC89C52功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128*8B內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；2個16位定時/計數(shù)器；5個中斷源；可編程串行UART通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式。 2.2 STC89C52各引腳功能STC89C52提供以下標準功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內(nèi)部RAM，32個I

10、/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路，同時，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復位。STC89C52采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。STC89C52芯片的各引腳功能為：P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89C52不帶外存儲器，P0口可以為通用I/O口使

11、用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89C52帶片外存儲器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時，需要在外部用電阻上拉。圖3 STC89C52的引腳圖P1口：這8個引腳和P0口的8個引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當P1口作為通用I/O口使用時，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。P2口：這組引腳的第

12、一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，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（串行口輸入）P3.1 TXD（串行口輸出）P3.2/INT0（外部中斷0輸入）P3.3/INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0（定時器/計數(shù)器0的外部輸入）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1的外部輸入）P3.6/WR（片外數(shù)

13、據(jù)存儲器寫允許） P3.7/RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許）Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時，89C52的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，89C52自動在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。/EA:片外存儲器訪問選擇線，可以控制89C52使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內(nèi)ROM, 若/EA=0，則只使用片外ROM。/PSEN：片外ROM的選通線，在訪問片外ROM時，89C52自動在/PSE

14、N線上產(chǎn)生一個負脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。RST：復位線，可以使89C52處于復位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C52復位有自動上電復位和人工按鍵復位兩種。XTAL1和XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C52片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3復位電路和時鐘電路3.1 復位電路設計單片機在啟動運行時都需要復位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-52單片機有一個復位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復位。復位完成后，如

15、果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-52就一直處于復位狀態(tài)，只要RST恢復低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種，圖4是51系列單片機統(tǒng)常用的上電復位和手動復位組合電路，只要Vcc上升時間不超過1ms，它們都能很好的工作。圖4 復位電路3.2 時鐘電路設計單片機中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴格按時間節(jié)拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應時間順序稱為單片機的時序。MCS-52單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大

16、器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。本設計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路只需要一個晶振和2個電容即可，如圖5所示。圖5 振蕩電路電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個系統(tǒng)中選擇了30pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是6MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為6MHz。4 LED顯示系統(tǒng)設計4.1 LED基本結(jié)構LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段，7個長條形的

17、發(fā)光二極管排列組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖6所示:圖6 LED引腳排列4.2 LED顯示器的選擇在本設計中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，簡稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖7所示，是一個共陽極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中a，b，c，e，f，g為4位LED各段的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點引出端，4位一體LED數(shù)碼顯示管的內(nèi)部結(jié)構是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后，引出到器件的外部。圖7 4位LED引腳4.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符

18、轉(zhuǎn)換得到對應的字段碼的方式，對于LED數(shù)碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序。本設計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設計，LED譯碼采用軟件編程來實現(xiàn)。由于本設計采用的是共陰極LED，其對應的字符和字段碼如下表3所示。表3 共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼顯示字符共陰極字段碼03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH4.4 LED顯示器與單片機接口設計由于單片機的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，

19、在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易損壞，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設計是一個非常重要的問題。為了簡化數(shù)字式直流電壓表的電路設計，在LED驅(qū)動電路的設計上，可以利用單片機P0口上外接的上拉電阻來實現(xiàn)，即將LED的A-G段顯示引腳和DP小數(shù)點顯示引腳并聯(lián)到P0口與上拉電阻之間，這樣，就可以加大P0口作為輸出口德驅(qū)動能力，使得LED能按照正常的亮度顯示出數(shù)字，如圖8所示。圖8 LED與單片機接口間的設計四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖9數(shù)字電壓表總原理圖2

20、元件清單表4數(shù)字電壓表元件清單器件名稱封裝數(shù)量按鍵KEY21510AXIAL0.3810KAXIAL0.3110uFRB.1/.2112M晶振XTAL1130PRAD0.12STC89C52DIP40-1110UfRB.1/.21ADC0809DIP281四位一體共陰數(shù)碼管CL3461AS15、 安裝與調(diào)試1、 系統(tǒng)硬件調(diào)試在系統(tǒng)上電開始測量前，要用萬用表的電壓檔對被測電壓進行估測，然后以此選擇適當?shù)牧砍?，防止過大電壓燒壞A/D轉(zhuǎn)換器。首先用萬用表按照原理圖逐步檢查萬能板中各器件的電源及個引腳的連接是否正確，有否短路、斷路或者虛焊，尤其是給電路供電的電源部分要重點檢查，用數(shù)字玩嫩惡搞萬用表測量

21、輸出端的電壓是否為+5v，是否穩(wěn)定。如果電壓要求沒有達到，要及時排查與解決，以免燒壞芯片和其他元器件。2、 系統(tǒng)軟件調(diào)試軟件調(diào)試的任務是利用開發(fā)工具在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序的錯誤，同時也能發(fā)現(xiàn)硬件的故障。軟件調(diào)試是一個模塊進行的。首先單獨調(diào)試各模塊程序是否能按照預期的功能，借口電路的控制是否正常，最后調(diào)試整個程序，尤其注意的是各模塊間能否正確的傳遞參數(shù)。在一開始調(diào)試時，數(shù)碼管的顯示較不穩(wěn)定，感覺較閃爍，數(shù)據(jù)變化不連貫，好像在跳變。經(jīng)過反復思考發(fā)現(xiàn)，因人眼的視覺暫留時間為0.1S，所以每位顯示的間隔不必超過20MS，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。于是將程序的顯示部分加以延時。經(jīng)再次

22、調(diào)試可以顯示比較穩(wěn)定的數(shù)字串了。6、 性能測試與分析設計完成之后，調(diào)試過程可以利用對部分給定電壓的測量結(jié)果分析來完成。首先要校準零點；將A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端口接地，即讓電壓為0V校準零點之后，就可以進行測試了。以下表5所示對系統(tǒng)進行測試并調(diào)節(jié)表5編號實際電壓（V）顯示電壓（V）誤差（%）054.9980.0414.334.2581.522.532.5681.732.372.283.741.861.822.2因為1K電位器是粗調(diào)電位器，在Proteus中電位器都調(diào)零了，但電位器本身就有一定的電阻，就是說在挑零的情況下，還存在一定的誤差。所以誤差是在所難免的，還有就是因為電源本身的原因，在設計電路的時候，沒有考慮到提供穩(wěn)定電源的電源電路，所以供電電源沒有能夠提供穩(wěn)定的5V電壓，所以在測試的時候也有誤差的。7、 結(jié)論與心得為期1個星期的課程設計已經(jīng)結(jié)束，在這個星期的學習、設計過程中我感觸頗深。使我對單片機的理論知識有了具體的認識。通過這次設計，我的理論知識掌握得更扎實，動手能力明顯提高。同時，通過網(wǎng)上搜索等多方面的查詢資料，比如我們用的STC89C52芯片。通過本次課程設計我學到許多在書本