基于單片機at89c5的數(shù)字電壓表設計設計(1)

1、畢業(yè)設計論文基于單片機at89c51的數(shù)字電壓表設計第1章 緒論1.選題背景及意義：電壓表已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷史，雖然不斷改進與完善，仍然無法滿足現(xiàn)代電子測量的需求，近二十年，微電子技術，計算機技術，集成技術，網(wǎng)絡技術等高新技術得到了迅猛發(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)展提供了強大的推動力，并成了儀器儀表進一步發(fā)展的物質、知識和技術基礎。數(shù)字電壓表(Digital Voltmeter簡稱DVM)自1952年問世以來，顯示出強

2、大的生命力，現(xiàn)已成為在電子測量領域中應用最廣泛的一種儀器。數(shù)字電壓表可以顯示清晰、直觀，讀數(shù)準確，準確度高，分辨力強，測量范圍廣，擴展能力強，測量速度快，輸入阻抗高，集成度高，微功耗和抗干擾能力強等優(yōu)點，獨占電壓表產(chǎn)品的熬頭。DVM的高速發(fā)展，使它已成為實現(xiàn)測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當前計量儀器發(fā)展的主要方向之一，而高準度的DC-DVC的出現(xiàn)，又使DVM進入了精密標準測量領域。隨著現(xiàn)代化技術的不斷發(fā)展，數(shù)字電壓表的功能和種類將越來越強，越來越多，其使用范圍也會越來越廣泛。采用智能化的數(shù)字儀器也將是必然的趨勢，它們將不僅能提高測量準確度，而且能提高電測量技術的自動化程序，可

3、以擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表(如：溫度計、濕度計、酸度計、重量、厚度儀等)，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域。從而提高計量檢定人員的工作效。目前數(shù)字電壓表的內部核心部件是A/D轉換器，轉換器的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準確度，本設計A/D轉換器采用ADC0808對輸人模擬信號進行轉換，控制核心AT89C51再對轉換的結果進行運算和處理，最后驅動輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號。第2章 總體設計方案2.1系統(tǒng)設計主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。硬件電路包括：單片機及外圍電路，A/D轉換電路，數(shù)碼管顯示電路，各部分電路的銜接。軟件的程序可采

4、用C語言或匯編，這里采用匯編語言，詳細的設計思路在后面介紹。2.2設計方案數(shù)字電壓表的設計方案很多，但采用集成電路來設計較流行。其設計主要是由模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括A/D轉換器，數(shù)字部分包括振蕩器，數(shù)碼顯示，復位電路。其中，A/D轉換器將輸入的模擬量轉換成數(shù)字量，它是數(shù)字電壓表的一個核心部件，對它的選擇一般有兩種選擇方案：2.2.1 AD的選擇（1）采用雙積分A/D轉換器MC14433，它有多路調制的BCD碼輸出端和超量程輸出端，采用動態(tài)掃描顯示，便于實現(xiàn)自動控制。但芯片只能完成A/D轉換功能，要實現(xiàn)顯示功能還需配合其它驅動芯片等，使得整部分硬件電路板布線復雜，加重了電路

5、設計和實際焊接的工作。（2）逐次逼近式A/D轉換器。它的轉換速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它們通常具有8路模擬選通開關及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機進行分析和顯示。這樣電路設計簡單，電路板布線不復雜，便于焊接、調試。這里采用這種方案。選擇ADC0808作為模數(shù)轉換器件，AD轉換器采用一路模擬量輸入，能夠測量05V直流電壓。 2.2.2顯示部分顯示部分可以采用各類數(shù)碼管或用LCD顯示器顯示。這里電壓采用4位一體的LED數(shù)碼管顯示，LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。并且采用動態(tài)掃描的顯示

6、方式。2.2.3 控制器件 AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；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；片內震蕩器和掉電模式6。所以選擇AT89C51單片機為核心控制器件。其他在硬件設計部分介紹。2.2.4總體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

7、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 第3章硬件及詳細設計3.1 A/D轉換模塊3.1.1 逐次逼近型A/D轉換器原理逐次逼近型A/D轉換器是由一個比較器、A/D轉換器、存儲器及控制電路組成。它利用內部的寄存器從高位到低位一次開始逐位試探比較。轉換過程如下：開始時，寄存器各位清零，轉換時，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉換器轉換，轉換結果與輸入的模擬量比較，如果轉換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復上述過程直至最低位，最后寄存器中的內容就是輸入模擬

8、量對應的二進制數(shù)字量5。3.1.2 ADC0808 主要特性ADC0808是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，帶有使能控制端，與微機直接接口，片內帶有鎖存功能的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5。ADC0808主要特性:8路8位A/D轉換器，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；轉換時間：128s；轉換精度：0.2%；單個+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0-

9、+5V，無需外部零點和滿度調整；低功耗，約15mW6。3.13 ADC0808的外部引腳特征 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，用于輸入和控制被轉換的模擬電壓。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，用于選擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。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 ADC0808通道選擇表地址碼 對應的輸入通道

10、 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為轉換結束輸出線，該線上高電平表示A/D轉換已結束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。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

11、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。3.2 單片機系統(tǒng)3.2.1 AT89C51性能AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；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；片內震蕩器和掉電模式6。 3.2.2 AT89C51各引腳功能AT89C51提供以下標準功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內部RAM，32個

12、I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內震蕩器及時鐘電路，同時，AT89C51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。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖3示7。圖3AT89C51引腳圖AT89C51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89C51不帶外存儲器，P0口

13、可以為通用I/O口使用，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89C51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。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：這組引腳的第一功能與上

14、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)據(jù)存儲器寫

15、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，89C51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，89C51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89C51使用片內ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內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，89C51自動在/PSEN線上產(chǎn)生

16、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89C51處于復位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C51復位有自動上電復位和人工按鍵復位兩種。XTAL1和XTAL2：片內震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接89C51片內OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3.3 復位電路和時鐘電路3.3.1 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-51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1。復位完成后，

17、如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51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C51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1。 圖4 復位電路3.3.2 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-51單片機芯片內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，XTA

18、L2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路1。 本設計系統(tǒng)采用內部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2個電容即可，如圖5所示圖5 時鐘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對震蕩頻率有微調作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個系統(tǒng)中選擇了33pF；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12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。3.4 LED顯示系統(tǒng)設計3.4.1 LED基本結構LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫

19、。LED由于結構簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應用。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件6。在單片機中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段，其中7個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖6所示:圖6LED引腳排列3.4.2 LED顯示器的選擇在應用系統(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，簡稱“4-

20、LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖7所示，是一個共陰極接法的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7 4位LED引腳對于這種結構的LED顯示器，它的體積和結構都符合設計要求，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。3.4.3 L

21、ED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動LED顯示器，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作7。如果驅動電路能力差，即負載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅動電路長期在超負荷下運行容易損壞，因此，LED顯示器的驅動電路設計是一個非常重要的問題。在LED驅動電路的設計上，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8LED與單片機接口間的設計3.5 總體電路設計

22、 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9所示。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,ADDC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D0-D7傳送給AT89C51芯片的P1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P2.0、P2.1、P2.2、P2.3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AT89

23、C51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/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3。 第4章 程序設計 4.1 程序設計總方案 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11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11 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

24、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9。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12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12 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(chǎn)生比較好的顯示效果，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1ms10。在

25、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。第5章 仿真5.1 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。Proteus軟件可以對基于微控制器的設計連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設模型來對設計進行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設計，更為顯著點的特點是可以與u Visions3 IDE工具軟件結合進行編程仿真調試8。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