数字电压表.docx
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数字电压表
南京林业大学
课程设计说明书
学院（系）：
机械电子工程学院专业：
测控技术与仪器
学生姓名：
毛建宇
学号：
080307213
课程设计题目：
简易数字电压表设计
起迄日期:
2011年12月19日~2011年12月31日课程设计地点:
7A623、7A625
指导教师:
张浩
第1章课程设计的总体方案
1.1课程设计的目的
1.了解A/D芯片PCF8591转换性能及其编程方法。
2.掌握A/D转换器与单片机的接口方法3.学会使用A/D转换器进行电压信号采集1.2课程设计的要求
1.利用A/D芯片PCF8591及4位数码管组成一个简单的直流数字电压表。
2．采用1路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值。
3.尽量使用较少的元器件。
1.3课程设计的思路
1.根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。
2.A/D转换采用PCF8591实现，利用PCF8591将模拟电压转换为数字量。
3.经单片机将数字量转换成对应电压值，电压显示采用4位一体的LED数码管。
1.4课程设计的方案
硬件电路设计由6个部分组成;A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。
硬件电路设计框图如图1所示。
图1数字电压表系统硬件设计框图
3
第2章系统方案硬件设计
2.1系统方案的提出
根据简易数字电压表设计的需要，为单片机和A/D转换器提供以下设计方案。
2.1.1单片机方案
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k字节Flash可擦写存储器（PEROM）。
AT89C51器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，AT89C51的片内Flash允许程序存储器通过传统编程器反复编程。
由于芯片内集成了通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的微处理器ATMELAT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、高性价比的解决方案。
AT89C51具有如下特点：
4kBytesFlash存储器、128bytes的RAM以及32个I/O口、2个16位定时/计数器,5个中断优先级2层中断嵌套中断、1个全双工串行通信口、片内时钟振荡器。
AT89C51芯片，如图所示，各引脚功能如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
P1口：
是个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
图3-1AT89C51设计
P2口：
为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高。
P3口：
管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如所示：
P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.1.2A/D转换器方案
PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。
PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。
1、主要技术指标和特性
单独供电;PCF8591的操作电压范围2.5V-6V低待机电流通过I2C总线串行输入/输出;PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址PCF8591的采样率由I2C总线速率决定;
4个模拟输入可编程为单端型或差分输入频道选择自动增量;PCF8591的模拟电压范围从Vss到VDD;PCF8591内置跟踪保持电路;8-bit逐次逼近A/D转换器；
通过1路模拟输出实现DAC增益PCF8591引脚图2.1.3时钟电路
5
AT89S51的时钟电路如图所示，在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚接一个晶振及两个电容构成了时钟电路电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，在设计时取30uF。
晶振为11.0592MHz，故选择12MHz即可。
2.1.4复位电路
AT89S51的复位电路如图所示。
当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态，就可以通过按键手动使其复位。
复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。
电容C3和电阻R10实现上电自动复位。
增加按键开关S1和电阻R9又可实现按键手动复位功能。
R9的作用是在S1按下的时候，防止电容C3放电电流过大烧坏开关S1的触点。
2.1.5显示电路LED硬件设计
LED数码管由8个发光二极管组成，其中7个按“8”型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。
共阳极LED电路连接如图2-4所示,8支发光二极管的阳极共同接到电源上，所以叫共阳极LED，在每个发光二极管的阳极接的电阻将起到保护作用。
在输入管脚接低电平时，对应的发光二极管将会发光。
和共阴极LED一样，适当编码后，8支发光二极管组合起来就可以显示数据了。
2.1.6总体设计电路图：
见Protel图
第3章系统软件设计
3.1.1程序设计总方案
根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。
图3-1数字式直流电压表主程序框图
3.1.2系统子程序设计初始化程序
所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等
开始
初始化
调用A/D转换子程序
调用显示子程序
结束
7
3.1.3A/D转换子程序
A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图3-2所示。
图3-2A/D转换流程图
3.1.4显示子程序
显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms[10]。
在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。
第5章实习总结
经过两周的单片机课程设计，我有了很多的体会和感想。
通过本次对简易电压表的设计，我们对单片机这门课程有了更进一步的了解。
无论是在其硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。
本次课程设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往我们我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过本次实验及查阅相关资料，我们对其之间的区别有了一定的认识，在本课题设计报告的硬件介绍部分也对其作了详细的论述。
S51在C51的基础上增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。
另外，在对单片机编程方面，我们又掌握了一些新的编程思想，使得程序更为简练、易懂，而且更为严谨，程序执行的稳定性得到了提高。
设计中我们还用到了模/数转换芯片PCF8591，以前在学单片机这门课程时只是对其理论知识有了初步的了解。
通过本次实验，我们对它的工作原理彻底理解了，对其启动设置、转换结束判断以及输出控制等都基本掌握。
电路连接方面，我们对其与单片机的连接也有了更为直观的认识，通过实验的摸索以及必要的理论知识，我们准确的实现了它于单片机的互连。
设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，比如，自己对单片机编程时遇到了很多阻碍，想要放弃，然而，就在要放弃的那一刻，我明白了，原来结果并不那么重要，我们更应该注重的是这一整个过程。
于是，我坚持了下来。
我非常感激实习老师对我的的指导和帮助，没有老师的指导，我只能晕头转向的瞎忙。
通过这次设计，这也对我们今后的工作敲响了警钟：
要认真的看待每个需要处理的问题，不要认为事情过于简单，不能急于求成，但不要放弃。
要保持头脑清醒。
单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。
尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习。
最后感谢老师对我的精心指导和帮助，感谢同学们对我的帮助。
参考文献
1.魏立峰王宝兴.单片机原理及应用技术.北京：
北京大学出版社，2006.2.张毅刚.MCS-51单片机应用与设计.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2003.3.马忠梅单片机的C语言应用程序设计.北京：
北京航空航天大学出版社20034.PCF8591使用说明书
附录：
程序:
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
RETI
ORG000BH
RETI
ORG0013H
RETI
ORG001BH
RETI
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
*初始化程序中的各变量*
CLEARMEMIO:
CLRA
MOVP2,A
MOVR0,#70H
MOVR2,#0DH
LOOPMEM:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LOOPMEM
MOV20H,#00H
MOVA,#0FFH
MOVP0,A
MOVP1,A
MOVP3,A
RET
*主程序*
START:
LCALLCLEARMEMIO;初始化
MAIN:
LCALLTEST;测量一次
LCALLDISPLAY;显示数据一次
AJMPMAIN
NOP;PC值出错处理
NOP
NOP
LJMPSTART
*显示控制程序*
DISPLAY:
JB00H,DISP11;
MOVR3,#08H;8路信号循环显示控制MOVR0,#70H;显示数据初址70H~77H
MOV7BH,#00H;显示通道路数初值
DISLOOP1:
LCALLTUNBCD;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H
MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4MS*255
DISLOOP2:
LCALLDISP;调四位显示程序
LCALLKEYWORK1;
DJNZR2,DISLOOP2;
INCR0;显示下一路
INC7BH;通道显示数加一
DJNZR3,DISLOOP1
RET
DISP11:
MOVA,7BH;单路显示控制子程序
SUBBA,#01H;
MOV7BH,A;
ADDA,#70H;
MOVR0,A;
DISLOOP11:
LCALLTUNBCD;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H（大5.00v）
MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4MS*25
DISLOOP22:
LCALLDISP;调四位显示程序
LCALLKEYWORK2;按键检测
DJNZR2,DISLOOP22
INC7BH;通道显示数加一
RET
*显示数据转为三位BCD码程序*
显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H（最大值5.00v）；
TUNBCD:
MOVA,@R0;255/51=5.00V运算
MOVB,#51;
DIVAB;
MOV7AH,A;个位数放入7AH
MOVA,B;余数大于19H,F0为1,乘法溢出,结果加5CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10;
MULAB;
MOVB,#51;
DIVAB
JBF0,LOOP2;
ADDA,#5
LOOP2:
MOV79H,A;小数后第一位放入79HMOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10;
MULAB;
MOVB,#51;
DIVAB
JBF0,LOOP3;
ADDA,#5
LOOP3:
MOV78H,A;小数后第二位放入78HRET
*显示子程序*共阳显示子程序，显示内容在78H-7BH；
DISP:
MOVR1,#78H;共阳显示子程序，显示内容在78H-7BHMOVR5,#0FEH;数据在P1输出，列扫描在P3.0-P3.3
PLAY:
MOVP1,#0FFH
MOVA,R5
ANLP3,A
MOVA,@R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
JBP3.2,PLAY1;小数点处理
CLRP1.7;小数点显示（显示格式为XX.XX）
PLAY1:
LCALLDL1MS
INCR1
MOVA,P3
JNBACC.3,ENDOUT
RLA
MOVR5,A
MOVP3,#0FFH
AJMPPLAY
ENDOUT:
MOVP3,#0FFH
MOVP1,#0FFH
RET
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH断码表
*延时程序*
DL10MS:
MOVR6,#0D0H;10MS延时子程序
DL1:
MOVR7,#19H
DL2:
DJNZR7,DL2
DJNZR6,DL1
RET
DL1MS:
MOVR4,#0FFH;（513+513）ms=1MS
LOOP11:
DJNZR4,LOOP11
MOVR4,#0FFHLOOP22:
DJNZR4,LOOP22
RET
*电压测量（A/D）子程序*
一次测量数据8个，依次放入70H-77H单元中；
TEST:
CLRA;模数转换子程序
MOVP2,A
MOVR0,#70H;转换值存放首址
MOVR7,#08H;转换8次控制
LCALLTESTART;启动测试
WAIT:
JBP3.7,MOVD;等A/D转换结束信号
AJMPWAIT
TESTART:
SETBP2.3;测试启动
NOP
NOP
CLRP2.3
SETBP2.4
NOP
NOP
CLRP2.4
NOP
NOP
NOP
NOP
RET
MOVD:
SETBP2.5;取A/D转换数据
MOVA,P0
MOV@R0,A
CLRP2.5
INCR0
MOVA,P2;通道地址加1
INCA
MOVP2,A
CJNEA,#08H,TESTEND;等8路A/D转换结束
TESTEND:
JCTESTCON
CLRA;结束恢复端口
MOVP2,A
MOVA,#0FFH
MOVP0,A
MOVP1,A
MOVP3,A
RET
TESTCON:
LCALLTESTART
LJMPWAIT
*按键检测子程序*
KEYWORK1:
JNBP3.5,KEY1
KEYOUT:
RET
KEY1:
LCALLDISP;延时消抖
JBP3.5,KEYOUTWAIT11:
JNBP3.5,WAIT12
CPL00H
MOVR2,#01H
MOVR3,#01H
RET
WAIT12:
LCALLDISP;键释放等待时显示用
AJMPWAIT11
KEYWORK2:
JNBP3.5,KEY1
JNBP3.6,KEY2
RET
KEY2:
LCALLDISP;延时消抖用
JBP3.6,KEYOUT
WAIT22:
JNBP3.6,WAIT21
INC7BH
MOVA,7BH
CJNEA,#08H,KEYOUT11
KEYOUT11:
JCKEYOUT1
MOV7BH,#00HKEYOUT1:
RET
WAIT21:
LCALLDISP;键释放等待时显示用
AJMPWAIT22
END
矫正程序
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
RETI
ORG000BH
RETI
ORG0013H
RETI
ORG001BH
RETI
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
CLEARMEMIO:
CLRA
MOVP2,A
MOVR0,#70H
MOVR2,#0DH
LOOPMEM:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LOOPMEM
MOV20H,#00H
MOVA,#0FFH
MOVP0,A
MOVP1,A
MOVP3,A
RET
START:
LCALLCLEARMEMIO;初始化
MAIN:
LCALLTEST;测量一次
LCALLDISPLAY;显示数据一次
AJMPMAIN
NOP;PC值出错处理
NOP
NOP
LJMPSTART
DISPLAY:
JB00H,DISP11;
MOVR3,#08H;8路信号循环显示控制
MOVR0,#70H;显示数据初址70H~77H
MOV7BH,#00H;显示通道路数初值
DISLOOP1:
LCALLTUNBCD;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H
MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4MS*255
DISLOOP2:
LCALLDISP;调四位显示程序
LCALLKEYWORK1;
DJNZR2,DISLOOP2;
INCR0;显示下一路
INC7BH;通道显示数加一
DJNZR3,DISLOOP1
RET
DISP11:
MOVA,7BH;单路显示控制子程序
SUBBA,#01H;
MOV7BH,A;
ADDA,#70H;
MOVR0,A;
DISLOOP11:
LCALLTUNBCD;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H（大5.00v）
MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4MS*25
DISLOOP22:
LCALLDISP;调四位显示程序
LCALLKEYWORK2;按键检测
DJNZR2,DISLOOP22;
INC7BH;通道显示数加一
RET
TUNBCD:
MOVA,@R0;255/51=5.00V运算
MOVB,#51;
DIVAB;
MOV7AH,A;个位数放入7AH
MOVA,B;余数大于19H,F0为1,乘法溢出,结果加5
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10;
MULAB;
MOVB,#51;
DIVAB
JBF0,LOOP2;
ADDA,#5
LOOP2:
MOV79H,A;小数后第一位放入79H
MOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10;
MULAB;
MOVB,#51;
DIVAB
JBF0,LOOP3;
ADDA,#5
LOOP3:
MOV78H,A;小数后第二位放入78H
RET
DISP:
MOVR1,#78H;共阳显示子程序，显示内容在78H-7BH
MOVR5,#0FEH;数据在P1输出，列扫描在P3.0-P3.3
PLAY:
MOVP1,#0FFH
MOVA,R5
ANLP3,A
MOVA,@R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
JBP3.2,PLAY1;小数点处理
CLRP1.7;小数点显示（显示格式为XX.XX）
PLAY1:
LCALLDL1MS
INCR1
MOVA,P3
JNBACC.3,ENDOUT
RLA
MOVR5,A
MOVP3,#0FFH
AJMPPLAY
ENDOUT:
MOVP3,#0FFH
MOVP1,#0FFH
RET
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH
DL10MS:
MOVR6,#0D0H;10MS延时子程序
DL1:
MOVR7,#19H
DL2:
DJNZR7,DL2
DJNZR6,DL1
RET
DL1MS:
MOVR4,#0FFH;（513+513）ms=1MS
LOOP11:
DJNZR4,LOOP11
MOVR4,#0FFH
LOOP22:
DJNZR4,LOOP22
RET
TEST:
CLRA;模数转换子程序
MOVP2,A
MOVR0,#70H;转换值存放首址
MOVR7,#08H;转换8次控制
LCALLTESTART;启动测试
WAIT:
JBP3.7,MOVD;等A/D转换结束信号
AJMPWAIT
TESTART:
SETBP2.3;测试启动
NOP
NOP
CLRP2.3
SETBP2.4
NOP
NOP
CLRP2.4
NOP
升级会员 