基于單片機的數(shù)字電壓表設計

1、.學號20xxxxxxxx單片機原理與應用課 程 設 計（ 2010級本科）題 目： 基于單片機的簡易數(shù)字電壓表的設計 系（部）院： 物理與機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 作者姓名： xxxx 指導教師： xxxxx 職稱： xxxxxx x 完成日期： 2013 年 12 月 15 日 .單片機原理與應用課程設計任務書學生姓名xxxx學 號20xxx專業(yè)方向電氣工程及其自動化班 級電氣工程101題目名稱基于單片機的簡易數(shù)字電壓表的設計一、設計要求（1）以單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。（2）能夠測量0-5V之間的直流電壓值。（3）電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。三.

2、設計進度安排階段設計各階段名稱起止日期1熟悉設計任務書、設計題目及設計背景資料 12 月 1 日12月2日2查閱有關資料12 月3 日12月4日3閱讀設計要求必讀的參考資料 12 月5日12月6日4選取方案12 月7日12月8日5完成設計，進行編程，調試 12 月9日12月12日6打印整理課程設計資料 12 月13日12月14日7答辯及成績評定 12 月15日12月16日 指導老師簽字：基于單片機的簡易數(shù)字電壓表的設計摘要 本文介紹了一種基于單片機的簡易數(shù)字電壓表的設計。該設計主要由三個模塊組成：A/D轉換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉換主要由芯片ADC0808來完成，它負責把采集到的

3、模擬量轉換為相應的數(shù)字量在傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89C51來完成，其負責把ADC0808傳送來的數(shù)字量經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應的顯示碼送到顯示模塊進行顯示；此外,它還控制著ADC0808芯片工作。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和可靠性較高。此數(shù)字電壓表可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過一個四位一體的7段數(shù)碼管顯示出來。關鍵詞 單片機；數(shù)字電壓表；A/D轉換；AT89C51；ADC0808目 錄一、引言1二、設計總體方案1（一）設計要求1（二）設計思路1（三）設計方案2三、硬件電路設計2（一）A/D轉換模塊2（二）單片機系統(tǒng)4（

4、三）復位電路和時鐘電路5（四）LED顯示系統(tǒng)設計5（五）總體電路設計6四、程序設計8（一）程序設計方案8（二）部分程序代碼9五、仿真9（一）顯示結果及誤差分析9六、結論10七、參考文獻12附錄13.一、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(jīng)常。傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，進度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時代的需要。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。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應用1。數(shù)字電壓表的內部核心部件是A/D轉

5、換器，轉換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準確度。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設計為研究內容，采用單片機將連續(xù)的直流電壓轉換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，本系統(tǒng)主要包括：轉換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉換采用ADC0808芯片，單片機芯片采用 AT89C51，顯示模塊采用四個LED數(shù)碼管。二、設計總體方案（一）設計要求 （1）以單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。（2）能夠測量0-5V之間的直流電壓值。（3）電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。 （二）設計思路（1）根據(jù)設計要求，選擇AT89C51單片機為核心控制器件。（2）A/D轉換采用ADC0808實現(xiàn)，數(shù)據(jù)端

6、口與單片機的P2口相連，控制引腳和P3口的低四位引腳。（3）電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。（4）LED數(shù)碼的段碼輸入與P1口連接。位碼輸入，用P3口高四位控制。（三）設計方案硬件電路設計由4個部分組成; A/D轉換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。 圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設計框圖三、硬件電路設計（一）A/D轉換模塊把模擬量轉化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉換器（A/D轉換器），A/D轉換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵接口電路，常用的 A/D轉換器有：雙積分式、逐位比較式及并行直接比較式等幾種。本設計采用ADC0808芯片。ADC0

7、808是采用CMOS 工藝制成的8位8通道A/D轉換器，采用28腳DIP封裝。片內帶有鎖存功能的8路模擬開關，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉換，由于ADC0808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。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖2所示。圖2 ADC0808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，用于輸入被轉換的模擬信號。ALE：地址鎖存允許信號，輸入。由低到高的正跳變有效，此時鎖存地址選擇線的狀態(tài)，從而選通相應的模擬通道，以便進行

8、A/D轉換。ADD A,ADD B,ADD C：模擬通道的地址選擇線，輸入。其對應關系如表1所示： 表1 ADC0808通道選擇表地址碼對應的輸入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7START：啟動信號，輸入，高電平有效。為了啟動轉換，在此端上應加一個正脈沖信號，脈沖的上升沿將內部寄存器全部清0，在其下降沿開始轉換。 EOC：轉換結束信號，輸出，高電平有效。在START信號的上升沿之后0-8個時鐘周期內，EOC變?yōu)榈碗娖?。當轉換結束時，EOC變?yōu)楦唠娖?，這時轉換得到的數(shù)據(jù)可供讀出。OUT1-OUT8：數(shù)字輸出線，輸出。OUT

9、1為最高位，OUT8為最低位。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。當OE有效時，A/D的輸出鎖存緩沖器開放，將其中的數(shù)據(jù)，放到外面的數(shù)據(jù)線上。VREF+、VREF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡供給標準電壓。Vcc、GND: Vcc為電源輸入端，GND為接地端。（二）單片機系統(tǒng)AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含有4KB的可反復擦寫的程序存儲器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。AT89C51采用DIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。圖3 AT89C51的引腳圖Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許信號。EA：片外存儲器訪問允許信號，低電平

10、有效。PSEN：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。RST：復位輸入信號，高電平有效。XTAL1和XTAL2：這兩個端子用來接外部石英晶體。（三）復位電路和時鐘電路80C51單片機內部帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件（晶體振蕩器和電容），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在80C51芯片內部有一個高增益反相放大器，而在芯片外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和電容。圖4 單片機最小系統(tǒng)圖在本系統(tǒng)中選擇的時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。上述復位電路，上電自動復位，按鍵電平復位。使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。（四）LED顯示系統(tǒng)設計在應用

11、系統(tǒng)中，設計要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設計中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個位，后3位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖5所示，是一個共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中A，B，C，D，E，F(xiàn)，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)碼顯示管的內部結構是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內部都并聯(lián)后，引出到器件的外部。圖5 4位LED數(shù)碼顯示管對于這種結構的LED顯示器，它的體積和結構都符合設

12、計要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，用一個I/O接口控制）顯示。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2所示。表2 共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH（五）總體電路設計經(jīng)過以上的設計過程，可設計出基于單片機的簡易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖6所示。圖6 簡易數(shù)字電壓表電路圖此電路的工作原理是：+5V模擬電壓信號通過變阻器VR1分壓后由ADC08008的IN0通道進入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,AD

13、DC均接低電平），經(jīng)過模/數(shù)轉換后，產(chǎn)生相應的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道OUT0-OUT7傳送給AT89C51芯片的P2口，AT89C51負責把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)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P3.4、P3.5、P3.6、P3.7產(chǎn)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P3.3輸出方波，接到ADC0808的CLOCK,P3.0發(fā)正脈沖啟動A/D轉換，P3.1檢測A/D轉換是否完成，轉換完成后，P3.2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

14、電路已經(jīng)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。 四、程序設計（一）程序設計方案 根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉換，數(shù)據(jù)轉換和顯示子程序，這三個程序模塊構成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖7所示。圖7 主程序流程圖圖8 定時中斷程序流程圖（二）部分程序代碼ORG 000BHLJMP INTT0MAIN:MOV TMOD,#02H ;設定定時器T0工作在方式2MOV TH0,#254 ;設定時鐘頻率為500KHz

15、MOV TL0,#254MOV IE,#82H ;開定時器T0中斷SETB TR0 ;啟動定時器T0INTT0:CPL P3.3RETI五、仿真（一）顯示結果及誤差分析系統(tǒng)仿真是在單片機系統(tǒng)的設計與仿真平臺proteus中實現(xiàn)的，其中ADC0808的模擬通道 INT0接入可調電位器的中心抽條的分壓值，該電壓值大小可調節(jié)，以模擬被測電壓，系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)如表3所示，從表中的測試結果可以看出，電壓測量值和待測電壓值幾乎相等，誤差較小，測量精度高，性能穩(wěn)定，但文中仿真結果是在比較理想的情況下進行的，搭建實際的硬件電路時，若誤差較大，可以通過校正ADC0808的基準電壓來解決，也可以通過軟件編程進行調整

16、。表3 簡易數(shù)字電壓表與“標準”數(shù)字電壓表對比測試表標準電壓值/V簡易電壓表測量值/V絕對誤差/V0.000.0000.0000.100.0970.0030.250.2540.0040.500.5070.0071.351.3520.0021.551.5470.0032.102.0970.0032.852.8470.0033.353.3520.0024.254.2540.0044.304.2930.0074.454.4500.0005.005.0000.000由于單片機AT89C51為8位處理器，當輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255（0FFH），因此單片機最高的數(shù)值分辨率為

17、0.0196V(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，從上表可看到，測試電壓一般以0.01V的幅度變化。從上表可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標準電壓值偏大0-0.01V，這可以通過校正ADC0808的基準電壓來解決。因為該電壓表設計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計算程序的除數(shù)進行調整就可以了。六、結論基于單片機的數(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

18、，經(jīng)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。在調試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識學得不夠扎實，對電路的仿真方面也不夠熟練?？傊@次電路的設計和仿真，基本上達

19、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。七、參考文獻1胡健.單片機原理及接口技術.北京：機械工業(yè)出版社，2004年10月2于殿泓、王新年.單片機原理與程序設計實驗教程.西安電子科技大學出版社，2007年5月3張俊謨.單片機中級教程原理與應用.第2版.北京航空航天大學出版社，2006年4邊春遠.MCS-51單片機應用開發(fā)實用子程序M .北京:人民郵電出版社.2005年9月.附錄ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP INTT0MAIN:MOV TMOD,#02H ;定時器T0工作在方式2MO

20、V TH0,#254;設定時鐘頻率為500KHzMOV TL0,#254MOV IE,#82H;開定時器T0中斷SETB TR0;啟動定時器T0MOV DPTR,#TABSTART:SETB P3.0;start信號從高電平跳變到低電平時，開始轉換NOPCLR P3.0JNB P3.1,$;查看EOC是否跳變到0，表示轉換完畢SETB P3.2;OE端置1，將轉換結果送出去MOV A,P2;結果送到累加器A，準備數(shù)據(jù)顯示調整LCALL LOOP1;數(shù)據(jù)調整SJMP STARTLOOP1:MOV B,#51D;255換算到5V，比例為51DIV ABMOVC A,A+DPTR ;查表SETB P

21、3.7 ;關閉數(shù)碼管通道4CLR P3.4 ;打開數(shù)碼管通道1MOV P1,A ;整數(shù)部分SETB P1.7 ;小數(shù)點MOV A,B ;余數(shù)送到ACLR F0SUBB A,#26D ;減去26，判斷余數(shù)是否大于26MOV F0,C ;借位位送F0MOV A,#10D ;A中送10MUL AB ;余數(shù)乘以10MOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP2;借位了，說明大于26ADD A,#5DLOOP2:MOVC A,A+DPTRSETB P3.4 ;關閉數(shù)碼管顯示通道1CLR P3.5 ;打開數(shù)碼管顯示通道2CLR P1.7 ;清小數(shù)點MOV P1,A ;小數(shù)點后第一位小數(shù)MOV A,BCLR F0SUBB A,#26DMOV F0,CMOV A,#10DMUL ABMOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP3ADD A,#5LOOP3:MOVC A,A+DPTRSETB P3.5 ;關閉數(shù)碼管顯示通道2CLR P3.6 ;打開數(shù)碼管顯示通道3MOV P1,A ;小數(shù)點后第二位小數(shù)MOV A,BCLR F0SUBB A,#26DMOV F0,CMOV A,#10DMUL ABMOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP4AD