單片機(jī)課程設(shè)計 數(shù)字電壓表

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1、電子信息工程課程設(shè)計報告 電子信息工程課程設(shè)計報告 題 目：基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計 系部名稱 ： 信息工程學(xué)院 專業(yè)名稱 ： 電子信息工程 班 級 ： 2011級電子信息工程（1）班 學(xué)號 ： 20110441031047 學(xué)生姓名 ： 姚遠(yuǎn) 指導(dǎo)教師 ： 陳肇基 目 錄 1 引言 1 2設(shè)計原理及要求 2 2.1數(shù)字電壓表的實現(xiàn)原理 2 3系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 3 3.1設(shè)計思路 3 3.2仿真電路圖 3 3.3設(shè)計過程 4 3.4 AT89C51的功能介紹

2、4 3.4.1簡單概述...............................................4 3.4.2主要功能特性 5 3.4.3 AT89C51的引腳介紹 5 3.5 ADC0808的引腳及功能介紹 7 3.5.1芯片概述 7 3.5.2 ADC0809的工作時序 8 3.5.3 3檔位控制電路 8 3.6 LED數(shù)碼管的控制顯示 9 3.6.1 LED數(shù)碼管的模型及結(jié)構(gòu)分析 9 4系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計 10 4.1 程序代碼分析 11 5電壓表的調(diào)試及性能分析 12 5.1 調(diào)試與測試 12 5.2 性能分析 12 6總結(jié) 1

3、2 參考文獻(xiàn) 13 1 引言 數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字萬用表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字萬用表的準(zhǔn)確度，本文AID轉(zhuǎn)換器采用ADC0809對輸入模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89c51N對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運算和處理，最后驅(qū)動輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號。

4、 2系統(tǒng)設(shè)計要求 基本要求：實現(xiàn)8路直流電壓檢測，測量電壓范圍0-5V，顯示指定電壓通道和電壓值，用按鍵切換顯示通道，發(fā)揮要求，測量電壓范圍為0-25V，循環(huán)顯示8路電壓 ADC0808是8位的A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓為5.00V時，輸出的數(shù)據(jù)值為255（0FFH），因此最大分辨率為0.0196（5/255）。ADC0808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

5、態(tài)顯示。通過按鍵選擇可對8路循環(huán)顯示，也可單路顯示，單路顯示可通過按鍵選擇顯示的通道數(shù)。 3系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 3.1設(shè)計思路 多路數(shù)字電壓表應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管顯示電路和滑動變阻器電路組成，由于ADC0808在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時需要有CLK信號，本試驗中ADC0808的CLK直接由外部電源提供為500kHz的方波。由于ADC0808的參考電壓VREF＝VCC，所以轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在數(shù)碼管上顯示出電壓值。實際顯示的電壓值(temp1/255*VREF) ADC0808采用逐次逼近法轉(zhuǎn)換，把模擬電壓轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的temp1，由于是對直流電壓0～5V進(jìn)

6、行采集，所以D對應(yīng)的電壓為V0?，我們的目的就是要把V0顯示在LED顯示器上，因為單片機(jī)不好進(jìn)行小數(shù)點計算，所以有：V0=2*D擴(kuò)大了100倍，擴(kuò)大100倍后的結(jié)果再次放入temo1中，通過查表使之顯示在LED顯示器。同理再動態(tài)顯示小數(shù)點后的數(shù)。 3.2仿真電路圖 用Protues軟件仿真設(shè)計的電路如圖3-1所示。 圖3-1 仿真電路 3.3設(shè)計過程 簡易數(shù)字電壓測量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。電路原理圖見附錄2。A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0808完成。0808具有8路模擬輸入端口，地址(23-25)腳可決定對哪路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換，22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸

7、入為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2us寬高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0808的時鐘輸入端，由外部信號源提供。單片機(jī)的P1、P3.0-P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管現(xiàn)實控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0808的A/D轉(zhuǎn)換控制。 3.4 AT89C51的功能介紹 3.4.1簡單概述 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃

8、存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且

9、價廉的方案。外形及引腳排列如圖3-2所示。 圖3-2 AT89C51芯片模型 3.4.2主要功能特性 (1) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。 (2) 32個雙向I/O口；128×8位內(nèi)部RAM 。 (3) 2個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，時鐘頻率0-24MHz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個中斷源。 (6) 2個讀寫中斷口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。 (8) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 3.4.3 AT89C51的引腳介紹 89C51單片機(jī)多采用40只引腳的雙列直插封裝(DIP)方式，下面分別簡單介紹。 (1)電源引

10、腳 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 Vcc(40引腳）：+5V電源。 GND(20引腳)：接地。 (2)時鐘引腳 XTAL1(19引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。 XTAL2(20引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 圖3-3 電源接入方式 (3)復(fù)位RST(9引腳) 在振蕩器運行時，有兩個機(jī)器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。 (4)/Vpp(31引腳) 為外部程序存儲器訪問允許控制端。當(dāng)它為高電平時，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲器，在PC值超過0FFFH后將自動轉(zhuǎn)向外部程序存

11、儲器。當(dāng)它為低電平時，只限定在外部程序存儲器，地址為0000H~FFFFH。Vpp為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。 (5)ALE/(30引腳) ALE為低八位地址鎖存允許信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時，ALE的負(fù)跳沿江P0口發(fā)出的第八位地址鎖存在外接的地址鎖存器，然后再作為數(shù)據(jù)端口。為該引腳的第二功能，在對片外存儲器編程時，此引腳為編程脈沖輸入端。 (6)(29引腳) 片外程序存儲器的讀選通信號。在單片機(jī)讀片外程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負(fù)跳沿作為讀片外程序存儲器的選通信號。 (7) pin39-pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，稱為P0口。 P0是一個8位漏極開路型雙向I/O

12、口。內(nèi)部不帶上拉電阻，當(dāng)外接上拉電阻時，P0口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個LSTTL負(fù)載電路。通常在使用時外接上拉電阻，用來驅(qū)動多個數(shù)碼管。 在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。 (8)Pin1-Pin8為P1.0-P1.7輸入輸出腳，稱為P1口，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。 (9)Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，稱為P2口。 P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部F

13、lash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。 (10)Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，稱為P3口。 P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載，這8個引腳還用于專門的第二功能。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接控制信息。 3.5 ADC0808的引腳及功能介紹 3.5.1芯片概述 ADC 0809是一種8位ADC，采用CMOS工藝制成的

14、8 位八通道A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有8路模擬采樣開關(guān)，可控制8個模擬量中的一個進(jìn)入轉(zhuǎn)換器中。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳圖分別如圖3.1.1.1和3.1.1.2所示。 圖3.1.1.1 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) 片內(nèi)有8路開關(guān)、模擬開關(guān)的地址鎖存與譯碼電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、三態(tài)輸出鎖存緩沖儲存器、定時和控制電路等。 ADC0809通過引腳IN0，IN1，…，IN7可輸入8路單邊模擬輸入電壓。ALE將3位地址線ADDA，ADDB，ADDC進(jìn)行鎖存。 在ADC0809片內(nèi)的256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)樹它相當(dāng)一個D/A轉(zhuǎn)換器。它把預(yù)測的8位

15、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓幅值，送入比較器中與實際電壓相比較。 ADC0809主要引腳功能如下: IN0～I(xiàn)N7:通道0～7的模擬量輸入 D0～7:數(shù)字量輸出 ADDC、ADDB、ADDA:通道(0～7)選擇 ALE:通道地址鎖存,正脈沖有效 START:啟動信號,正脈沖有效,上升沿所有寄存器清0,下降沿開始轉(zhuǎn)換 EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束,高電平有效 OE:允許輸出,高民平有效 3.5.2 ADC0809的工作時序 ADC0809的工作時序如圖2.1.2.1所示。主要控制信號說明：，START是轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效；ALE

16、是3位通道選擇地址（ADDC、ADDB、ADDA）信號的鎖存信號。當(dāng)模擬量送至某一輸入端，由3位地址信號選擇，而地址信號由ALE鎖存；EOC是轉(zhuǎn)換情況狀態(tài)信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,EOC輸出高電平，以示轉(zhuǎn)換結(jié)束；在EOC的上升沿后，若使能輸出信號OE為高電平，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。 至此ADC0809的一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。 圖 3.1.2.1 ADC0809的工作時序圖 3.5.3檔位控制電路 為了增加DVM的測量范圍，設(shè)計了檔位選擇電路，其主要原理是采用電阻分壓，原理上ADC0809有八路數(shù)據(jù)輸入端口，也就是說可以分為八檔，為了簡化設(shè)計，只分了兩檔（1檔，

17、10檔） 當(dāng)輸入電壓范圍為0~5V時，IN0導(dǎo)通，此時， UI=U26 而當(dāng)輸入電壓范圍為5—50V時，F(xiàn)PGA判斷選擇檔位,IN1導(dǎo)通，此時 UI=U27 即 UI== 由于ADC0809數(shù)字量輸出為8位，數(shù)字量化范圍為0~255，當(dāng)輸入電壓為滿量程5V時，轉(zhuǎn)換電路對輸入電壓的分辨能力為 3.6 LED數(shù)碼管的控制顯示 3.6.1 LED數(shù)碼管的模型及結(jié)構(gòu)分析 LED 的段碼端口A～G分別接至AT89C51的P1.0～P1.7口，位選端1～4分別接至P2.3、P2

18、.2、P2.1、P2.0。 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(jī)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[6]。在單片機(jī)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引腳排列如下圖所示? ? ?LED引腳排列 ???3.4.2??LED顯示器的選擇? 在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)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

19、位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)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，即個位，后兩位示電壓的小數(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。? ? 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

20、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/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，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[3]。? 本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計，LED譯碼采用軟件編程來實現(xiàn)。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。? ?? 4系統(tǒng)軟件程序的

21、設(shè)計 多路數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件程序主要有主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和中斷顯示程序組成。 4.1 程序代碼分析 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code table[]={0x3f,0X06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,7,0x7f,0x6f,0x77}; sbit START = P3^0; sbit EOC = P3^1; sbit OE= P3^2; sbit dot = P1^7; void delay(uin

22、t m) { while(m--); } void main() { uint temp1; START =0; OE =0; START =1; START =0; while(1) { if(EOC==1) { OE=1; temp1= P0; temp1 = temp1*1.0/255 *500; OE=0; P2 = 0xfe; P1 =table[temp1%10]; delay(500); P2= 0

23、xfd; P1=table[temp1/10%10]; delay(500); P2 = 0xfb; P1= table[temp1/100%10]; dot=1; delay(500); START =1; START =0; } } } 5電壓表的調(diào)試及性能分析 5.1 調(diào)試與測試 本設(shè)計應(yīng)用Proteus6及KEIL51軟件,首先根據(jù)自己設(shè)計的電路圖用Proteus6軟件畫出電路模型，關(guān)于這個軟件的使用通過查一些資料和自己的摸索學(xué)習(xí)；然后我們用KEIL51軟件對所編寫的程序進(jìn)行編

24、譯、鏈接，如果沒有錯誤和警告便可生成程序的hex文件，將此文件加到電路圖上使軟硬件結(jié)合運行，最后進(jìn)行端口電壓的對比測試，測試的第一路對比見圖4-1中標(biāo)準(zhǔn)電壓值采用Proteus軟件中的模擬電壓表測得。 5.2 性能分析 由于單片機(jī)為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時，輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH）因此單片機(jī)最大的數(shù)值分辨率為0.0196V（5/255）。這就決定了該電壓表的最大分辨率（精度）只能達(dá)到0.0196V。測試時電壓數(shù)值的變化一般以0.02V的電壓幅度變化，如要獲得更高的精度要求，應(yīng)采用12位、13位的A/D轉(zhuǎn)換器。 簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上均比標(biāo)準(zhǔn)值偏大0.01-0.02V

25、。這可以通過校正0808的基準(zhǔn)電壓來解決，因為該電壓表設(shè)計時直接用7805的供電電源作為基準(zhǔn)電壓，電壓可能有偏差。另外可以用軟件編程來校正測量值。 ADC0808的直流輸入阻抗為1M歐姆，能滿足一般的電壓測試需要。另外，經(jīng)測試ADC0808可直接在2MHz的頻率下工作，這樣可省去分頻率14024。 6總結(jié) 本設(shè)計使用89C51與ADC0809轉(zhuǎn)換的接口連線，設(shè)計出電路圖的連線，從并中理解了許多基本的知識和接線方法，在程序的設(shè)計與電壓表調(diào)試的過程中中遇到了很多的問題，剛開始時四個數(shù)碼管根本不顯示，后來發(fā)現(xiàn)用的是共陽極的數(shù)碼管，而設(shè)計是共陰極的，更換后數(shù)碼管終于顯示，但問題又出現(xiàn)了，

26、單路顯示和循環(huán)顯示的開關(guān)不能控制電路的單路顯示和循環(huán)顯示，經(jīng)過仔細(xì)地檢查電路和修改程序，采用中斷的方法，產(chǎn)生一次外部中斷0，程序轉(zhuǎn)移到單路顯示，按一次單路顯示開關(guān)，地址加一，轉(zhuǎn)換的模擬通道相應(yīng)的加一，如果按下循環(huán)按鍵就返回循環(huán)顯示的程序，功夫不負(fù)有心人，最后終于調(diào)試成功。盡量做到線路簡單，減小電磁干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足。由于水平有限，我們認(rèn)為系統(tǒng)還有需要改進(jìn)的地方。今后的學(xué)習(xí)中還需要繼續(xù)努力，深入的學(xué)習(xí)和思考問題。 參考文獻(xiàn) 宋鳳娟;孫軍;李國忠 基于89C51單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計 李秋生;劉小燕 基于AT89C52的某數(shù)字電壓表的設(shè)計[期刊論文] -微計算機(jī)信息 韓磊;張宇;賈志敏 基于AT89S52的數(shù)字電壓表的設(shè)計 王曉亮 基于HSP430單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計 駱旭坤 基于AVR單片機(jī)實現(xiàn)積分式數(shù)字電壓表的設(shè)計 楊居義 單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo) 宋鳳娟;孫軍;李國忠 基于89C51單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計 李秋生;劉小燕 基于AT89C52的某數(shù)字電壓表的設(shè)計 王曉亮 基于HSP430單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計 駱旭坤 基于AVR單片機(jī)實現(xiàn)積分式數(shù)字電壓表的設(shè)計 楊居義 單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo) 12