基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1、目 錄0. 前言11.基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表的基本理論12. 方案設(shè)計(jì)23. 硬件電路的工作原理23.1單片機(jī)電路模塊23.2 A/D轉(zhuǎn)換器電路模塊43.3數(shù)碼管顯示電路模塊53.4 按鍵處理電路模塊54. 軟件編程64.1 主程序64.3 顯示子程序95. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析106. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想10參考文獻(xiàn)11附錄1 元件清單12課設(shè)體會13基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 摘要：本次設(shè)計(jì)了一個(gè)多路數(shù)字電壓表，該電壓表測量范圍在05V之間。它主要利用A/D轉(zhuǎn)換器，對多路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量，然后按照數(shù)字量與模擬量的比例關(guān)系得到對應(yīng)的模擬電壓值，通過顯示設(shè)備顯示出來。系統(tǒng)

2、過程就是采用數(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。由于采用高性能的單片機(jī)芯片為核心，同時(shí)利用LED數(shù)碼管為顯示設(shè)備，這樣就使顯示清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確，大大地減少了因人為因素所造成的測量誤差事件，大大的提高了測量的精確度。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)字電壓表；ADC08090. 前言單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種單片機(jī)蜂擁而至，單片機(jī)技術(shù)已成為一個(gè)國家現(xiàn)代化科技水平的重要標(biāo)志。 單片機(jī)可單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機(jī)最大的特征

3、。單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。現(xiàn)在單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本次課程設(shè)計(jì)的課題是“基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)”。主要考核我們對單片機(jī)技術(shù)，編程能力等方面的情況。觀察獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)單片機(jī)的能力，以及實(shí)際編程技能。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便。通過單片機(jī)，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

4、示的儀表，使測得的結(jié)果更為精準(zhǔn)。本課題主要解決A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等三個(gè)模塊。控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809。1.基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表的基本理論基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表的主要原理是利用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)其功能，其過程為如下：先用A/D轉(zhuǎn)換器對各路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量，再按數(shù)字量與模擬量成比例關(guān)系運(yùn)算得到相應(yīng)的模擬電壓值，然后把模擬值通過數(shù)碼管顯示出來。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)待測的輸入電壓為8路，電壓值的范圍為05v，要求能在4位LED數(shù)碼上輪流顯示或單路顯示。測量的最小分辨率為0.019v。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，A

5、/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)值為255（0FFH），因此最大分辨率為0.0196V（5/255）。ADC0809具有8路模擬量輸入端口，通過3位地址輸入端能從8路中選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如每隔一段時(shí)間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對8路輸入電壓進(jìn)行測量。LED數(shù)碼管顯示采用軟件譯碼動態(tài)顯示。通過按鍵選擇可8路循環(huán)顯示，也可以單路循環(huán)。單路顯示可通過按鍵選擇所要顯示的通道數(shù)。2. 方案設(shè)計(jì)輸入電路A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)89C52LED數(shù)碼顯示基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表電路的基本組成如圖1所示。圖1 基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表電路的原理框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用的方案如下。硬件部分實(shí)

6、現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、編譯，A/D轉(zhuǎn)換以及顯示的功能，包括單片機(jī)電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、數(shù)碼管顯示電路模塊、按鍵處理電路模塊；軟件部分實(shí)現(xiàn)控制芯片，使各部件能夠正常的運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真的功能，主要設(shè)計(jì)思想是利用Proteus軟件進(jìn)行仿真，通過仿真得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。3. 硬件電路的工作原理3.1單片機(jī)電路模塊本次課設(shè)單片機(jī)采用高性能的89C52系列芯片，如圖2所示，圖2 AT89C52芯片圖其具體管腳說明如下：P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIAS

7、H編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用

8、于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口）；P3.1 TXD（串行輸出口）；P3

9、.2 /INT0（外部中斷0）；P3.3 /INT1（外部中斷1）；P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）；P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）；P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目

10、的。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2 A/D轉(zhuǎn)換器電路模塊ADC0809具有8路模擬量輸入通道IN0-IN7,通過3位地址輸入端C、B、A（引腳23-25）進(jìn)行選

11、擇，如圖3所示。引腳22為地址鎖存控制端ALE,當(dāng)輸入為高電平時(shí)，C、B、A引腳輸入的地址鎖存于ADC0809內(nèi)部是鎖存器中，經(jīng)內(nèi)部譯碼電路譯碼選中相應(yīng)的模擬通道。引腳6為啟動轉(zhuǎn)換控制端START，當(dāng)輸入一個(gè)2s寬的高電平脈沖時(shí)，就啟動ADC0809開始對輸入通道的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。引腳7為A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開始轉(zhuǎn)換時(shí)，EOC信號為低電平，經(jīng)過一段時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC輸出高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于ADC0809內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)寄存器中。引腳9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE，當(dāng)OE為高電平時(shí)，存放于輸出數(shù)據(jù)鎖存器中的數(shù)據(jù)通過ADC0809的數(shù)據(jù)線D0D7輸出。引腳10為ADC0809的

12、時(shí)鐘信號輸入端CLOCK。在連接時(shí)，ADC0809的數(shù)據(jù)線D0D7與AT89C52的P0口相連接，ADC0809的地址引腳、地址鎖存端ALE、啟動信號START、數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE分別與AT89C52的P2口相連接，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC與AT89C52的P3.7相連接。時(shí)鐘信號輸入端CLOCK信號，由單片機(jī)的地址鎖存信號ALE得到。圖3 A/D轉(zhuǎn)換器電路圖3.3 數(shù)碼管顯示電路模塊LED數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式連接，通過AT89C52的P1口和P3.0P3.3口控制。P1口為LED數(shù)碼管的字段碼輸出端，P3.0P3.3口為LED數(shù)碼管的位選碼輸出端，通過三極管驅(qū)動并反相。如圖4所示。圖4 數(shù)碼

13、管顯示電路圖3.4 按鍵處理電路模塊S1和S2是兩個(gè)按鍵開關(guān)，如圖5所示，分別與單片機(jī)的P3.5和P3.6相連接。S1用于單路顯示或多路循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換控制，S2用于單路顯示時(shí)的通道選擇。圖5 按鍵處理電路圖4. 軟件編程多路數(shù)字電壓表的系統(tǒng)軟件程序由主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序組成。4.1 主程序主程序包含初始化部分、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和調(diào)用顯示程序，如圖6所示。初始化部分包含存放通道數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化和顯示緩沖區(qū)初始化。另外，對于單路顯示和循環(huán)顯示，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位00H控制。初始化時(shí)00H位設(shè)置為0，默認(rèn)為循環(huán)顯示，當(dāng)它為1時(shí)改變?yōu)閱温凤@示。00H位通過單路/循環(huán)按鍵控制。初始化

14、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序開始圖 6 主程序流程框圖程序源如下：#include <stdio.h>#include <reg52.h>#include <intrins.h> /調(diào)用_nop_()延時(shí)函數(shù)#define ad_con P2 /0809控制口#define addata P0 /0809數(shù)據(jù)入口#define disdata P1 /數(shù)碼管顯示#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar number=0x00; /存放單通道顯示時(shí)的當(dāng)前通道數(shù)sbit ALE=P2

15、3; /0809地址鎖存信號sbit START=P24; /啟動信號sbit OE=P25; /輸出允許通道sbit KEY1=P35; /循環(huán)或單路選擇按鍵sbit KEY2=P36; /通道選擇按鍵sbit EOC=P37; /轉(zhuǎn)換結(jié)束信號sbit DISX=disdata7;/小數(shù)點(diǎn)位sbit FLAG=PSW0; /循環(huán)或單路顯示標(biāo)志位Uchar code dis_711=0x3F,0x06,0x5B,0X4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7E,0x6F,0x00;/數(shù)碼管的字段碼uchar code scan_con4=0xF1,0xF2,0xF4,0xF8;/4個(gè)

16、LED數(shù)碼管的位選Uchar data ad_data8=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/0809的8個(gè)通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)uchar data dis5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/顯示緩沖區(qū)/*主函數(shù)*/ main() P0=0xff; /初始化端口 P2=0x00; P1=0xff; P3=0xff; while(1) test();/測量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) scan();/顯示數(shù)據(jù) /*1秒延時(shí)*/delay1ms(uint t)uint i,j;for (i=0;i<t;i+)for (j=0;j<120;j+

17、);4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對ADC0809的8路輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值存入8個(gè)相應(yīng)的存儲單元中，如圖7所示。A/D轉(zhuǎn)換子程序每隔一定時(shí)間調(diào)用一次，即隔一段時(shí)間對輸入電壓采樣一次。開始啟動一次轉(zhuǎn)換否A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC=1?） 取數(shù)據(jù)（OE=0）0808地址通道加1否地址數(shù)小于8開始圖7 A/D轉(zhuǎn)換器子程序框圖程序源如下：test() uchar m; uchar s=0x00; /初始通道位0 ad_con=s;/第一通道地址送0809控制口 for(m=0;m<8;m+) ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0;/鎖存通道地址

18、START=1;_nop_();_nop_();START=0;/啟動轉(zhuǎn)換 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(EOC=0);/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 OE=1;ad_datam=addata;OE=0;/讀取當(dāng)前通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) s+;ad_con=s;/改變通道地址 ad_con=0x00;/通道地址恢復(fù)初值 4.3 顯示子程序LED數(shù)碼管采用軟件譯碼動態(tài)掃描方式。在顯示子程序中包含多路循環(huán)顯示和單路顯示程序。多路循環(huán)顯示把8個(gè)存儲單元的數(shù)值依次取出送到4位數(shù)碼管上顯示，每一路顯示1秒。單路顯示程序只對當(dāng)前選中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。每路數(shù)據(jù)顯示需經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成十進(jìn)制

19、BCD碼，放于4個(gè)數(shù)碼管的顯示緩沖區(qū)中。單路顯示或多路循環(huán)顯示通過標(biāo)志位00H控制。在顯示控制程序中加入了對單路或多路循環(huán)按鍵和通道選擇按鍵的判斷。程序如下：keytest()if (KEY1=0) /檢測循環(huán)或單路選擇按鍵是否按下FLAG=!FLAG; /標(biāo)志位取反，循環(huán)，單路顯示卻換 while(KEY1=0);if(FLAG=1) /單路循環(huán)時(shí)，檢測通道選擇按鍵是否按下if(KEY2=0) number+; if(number=8) number=0; while(KEY2=0); 5. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析采用Keil uVision2編譯器進(jìn)行源程序編譯及仿真調(diào)試，同時(shí)進(jìn)行硬件電路板的

20、設(shè)計(jì)制作，完成好程序后進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，最后進(jìn)行端口電壓的對比測試，要求測試對比中標(biāo)準(zhǔn)電壓值采用數(shù)字萬用表測得。測試對比表如表1所列。表中標(biāo)準(zhǔn)電壓值采用數(shù)字萬用表測得。表1 基于單片機(jī)的多路數(shù)字電壓表與數(shù)字電壓表對比測試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/V簡易電壓表測得值/V絕對誤差/V0.000.000.000.150.17+0.020.850.86+0.011.001.02+0.021.251.26+0.011.751.76+0.011.892.00+0.022.322.33+0.012.652.65+0.01基于單片機(jī)的多路數(shù)字?jǐn)?shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表測得的絕對誤差應(yīng)在0.02V以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到

21、了設(shè)計(jì)的目的。6. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想通過實(shí)驗(yàn)仿真，比較標(biāo)準(zhǔn)電壓值與設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表測得的電壓值，發(fā)現(xiàn)它們的絕對誤差均在0.02V以內(nèi)，這與采用8位A/D轉(zhuǎn)換器所能到達(dá)到的理論誤差精度相一致，在一般的應(yīng)用場合完全可以滿足要求。但是由于存在著單片機(jī)為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00 V時(shí)，ADC0809輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH），單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率只能為0.0196 V的原因，還存在著不能滿足高精度測量的缺陷，可以通過采用更高位的A/D轉(zhuǎn)換器來進(jìn)一步改善，得到更加精確的數(shù)據(jù)。此外，從表1中可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上均比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0.01-0.01 V。這可以通過校正ADC0809的基準(zhǔn)電壓來解決。因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時(shí)直接用5 V的供電電源作為基準(zhǔn)電壓，所以電壓有可能有偏差。另外，還可以用軟件編程來校正測量值。參考文獻(xiàn)1 劉復(fù)華. 單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，19922 李斌，董慧穎. 可重組機(jī)器人研究和發(fā)展現(xiàn)狀. 沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19（4）：23-273 張國勛，縮短ICL7135A/D采樣程序時(shí)間的一種方法J. 電子技術(shù)應(yīng)用，1993，第一期.4 高峰，單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M.