數(shù)字電壓表設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 單片機系統(tǒng)課 程 設(shè) 計成績評定表設(shè)計課題 ： 數(shù)字電壓表設(shè)計 學院名稱 ： 電氣工程學院 指導(dǎo)教師 ： 臧海河 設(shè)計地點 ： 31-630 設(shè)計時間 ： 2013-12-162012-12-27 指導(dǎo)教師意見：成績: 簽名： 年 月 日專心-專注-專業(yè)單片機系統(tǒng)課 程 設(shè) 計課程設(shè)計名稱： 數(shù)字電壓表設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師 ： 臧海河 課程設(shè)計地點： 31-630 課程設(shè)計時間： 2012-12-162012-12-27 單片機系統(tǒng) 課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名專業(yè)班級學號題 目數(shù)字電壓表設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬指導(dǎo)教師臧海河主要內(nèi)容（參數(shù)）利用89C51設(shè)計一個

2、數(shù)字電壓表，實現(xiàn)以下功能：1測量0-5V的直流輸入電壓值；2測量值通過數(shù)碼管直接顯示出來；任務(wù)要求（進度）第1-2天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，查閱技術(shù)資料，確定設(shè)計方案。第3-4天：按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計要有詳細論述。第5-6天：軟件設(shè)計，編寫程序。第7-8天：實驗室調(diào)試。第9-10天：撰寫課程設(shè)計報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計正確，篇幅合理。主要參考資料1 張迎新單片微型計算機原理、應(yīng)用及接口技術(shù)（第2版）M北京：國防工業(yè)出版社，20042偉福LAB6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)使用說明書

3、3 閻石數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，20064 夏路易 石宗義Protel 99se電路原理圖與電路板設(shè)計教程北京：北京希望電子出版社，2004審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目錄1 概述什么是數(shù)字電壓表？數(shù)字電壓表就是采用數(shù)字化技術(shù)，把需要測量的直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并顯示出來。通過單片機技術(shù)，設(shè)計出來的數(shù)字電壓表具有精度高，抗干擾能力強的特點。通過網(wǎng)上資料顯示，目前由各種A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電工測量，工業(yè)自動化儀表等各個領(lǐng)域。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。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是

4、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。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)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(yīng)用。 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)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個方面。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計為研究內(nèi)容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51再對轉(zhuǎn)換

5、的結(jié)果進行運算處理，最后驅(qū)動輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號。2 設(shè)計總體方案2.1設(shè)計要求 在MCS-51系列單片機的基礎(chǔ)上，組成一個直流數(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)。 2.2 設(shè)計思路 基于AT89C51單片機來設(shè)計。用ADC0808芯片做為A/D轉(zhuǎn)換器，與單片機的接口為P1口和P2口的高四位引腳。電壓的輸出顯示采用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(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。2.3 設(shè)計方案電路由以下六個部分組成;1. A/D轉(zhuǎn)換電路，2.AT89C51單

6、片機系統(tǒng)，3.LED顯示系統(tǒng)、4.時鐘電路、5.復(fù)位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計框圖如圖1所示。 3硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它們通常具有8路模擬選通開關(guān)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)字量送到單片機進行分析和顯示。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中廣泛使用1。3

7、.1.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器及控制電路組成。它利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位一次開始逐位試探比較。轉(zhuǎn)換過程如下：開始時，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)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(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進制數(shù)字量。其原理框圖如圖2所示：3.1.2 ADC0808 主要特性ADC0808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

8、接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換. ADC0808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(guān)；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。3.1.3ADC0808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3所示。圖3 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(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制（4條）：ALE:地址鎖存允

9、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(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(yīng)關(guān)系如表1所示： 表1 ADC0808通道選擇表地址碼 對應(yīng)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(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC: EOC為轉(zhuǎn)換

10、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(luò)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。3.1.4 ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程ADC0808由8路模擬通道選擇開關(guān)，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開關(guān)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(gòu)如圖4所示。圖

11、4 ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中：（1）8路模擬通道選擇開關(guān)實現(xiàn)從8路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(guān)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)

12、果送出。ADC0808的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ALE=1,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(fù)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)。3.2 單片機系統(tǒng)3.2.1 AT89C51性能ADC0808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(guān)；易與各種微控制器接口；

13、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15mW6。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(nèi)部RAM，32個I/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(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)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(nèi)容，但震蕩器停

14、止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復(fù)位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖5所示。圖5 AT89C51的引腳圖表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)存儲器寫允許） P3.7/RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許）3.3 復(fù)位電路和時鐘電路3.3.1 復(fù)位電路設(shè)計單片機在啟動運行時都需要復(fù)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

15、從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機有一個復(fù)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(fù)位。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種，圖6是51系列單片機統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動復(fù)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6 復(fù)位電路3.3.2 時鐘電路設(shè)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。

16、CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機的時序。MCS-51單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。 本設(shè)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，外部電路簡，只需要一個晶振和 2個電容即可，如圖7所示。圖7 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(diào)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

17、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(shè)計3.4.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)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。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8所示:圖8 LED的基本結(jié)構(gòu)3.4.2 LED顯示器的選擇在本

18、設(shè)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，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖9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(nèi)部結(jié)構(gòu)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9 4位LED引腳對于這種結(jié)構(gòu)的LED顯示器，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)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/

19、O接口控制）顯示。3.4.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。由于本設(shè)計采用的是共陰極LED，其對應(yīng)的字符和字段碼如下表3.3所示。顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH 表3.3 共陰極字段碼表3.4.4 LED顯示器與單片機接口設(shè)計由于單片機的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，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

20、，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設(shè)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(shè)計，在LED驅(qū)動電路的設(shè)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能按正常的亮度顯示數(shù)字，如圖10所示圖10 LED與單片機接口間的設(shè)置3.5 總體電路設(shè)計經(jīng)過以上的設(shè)計過程，可設(shè)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11所示。圖11 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

21、的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低電平），經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)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(zhuǎn)換，P2.5檢測A/D轉(zhuǎn)換是否完成，轉(zhuǎn)換完成后，P2.7置高從P1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給LED

22、顯示出來。簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計完成，就可以選取相應(yīng)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(yīng)的軟件配合，才能達到設(shè)計要求。4 程序設(shè)計4.1 程序設(shè)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(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖12所示。 圖12 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)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(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主

23、要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等9。4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)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(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖13所示。圖13 A/D轉(zhuǎn)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(shè)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1ms。在本設(shè)計中，為了簡化硬件設(shè)計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢

24、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。4.2.4程序代碼LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32H ADC EQU 35H CLOCK BIT P2.4 ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 START: MOV LED_0, #00H MOV P2, #0FFH MOV LED_1, #00H MOV LED_2, #00H MOV DPTR, #TABLE MOV TMOD, #02H MOV TH0, #245H MOV

25、 TL0, #00H MOV IE, #82H SETB TR0 WAIT: CLR ST SETB STH CLR ST JNB EOC, $ SETB OE MOV ADC, P1 CLR OE MOV A, ADC MOV B, #51 DIV AB MOV LED_2, A MOV A, B MOV B, #5 DIV AB MOV LED_1, A MOV LED_0, B LCALL DISP SJMP WAITINT_T0: CPL, CLOCK RETIDISP: MOV A, LED_0 MOVC A, A+DPTR 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 D