数字电压表设计.docx
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数字电压表设计
课程设计报告
题目数字电压表设计
学院名称潇湘学院
专业通信工程
班级002班
姓名谭芳芳
学号0954040220
指导教师宋芳
一、设计目的
用8031单片机和ADC0809构成数字电压表，测量0-5v的电压，将所测电压用数码管动态显示出来。
通过数字电压表的设计系统掌握51单片机的应用。
掌握A/D转换的原理及软件编程及硬件设计的方法，掌握根据课题的要求，提出选择设计方案，查找所需元器，设计并搭建硬件电路，编程进行调试等。
二、设计任务和要求
1、用ADC0809设计一个数字电压表，能测量0－5V间的直流电压。
2、在2位数码管上显示0.0—5.0V。
三、设计原理分析
3.1数字电压表的概述
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。
目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。
与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。
3.2数字电压表的介绍
模拟电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。
再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。
数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。
数字电压表（DigitalVoItMe-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。
特别是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。
DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。
目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（DigitalMultiMeter，DMM）。
DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。
这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A／D转换器，最后用电子计数器计数显示，困此，DVM的基本组成是A／D转换器和电子计数器。
DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。
DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。
3.3数字电压表工作原理
数字电压表的系统工作原理：
首先，被测电压信号进入A／D转换器，单片机中控制信号线发出控制信号，启动A／D转换器进行转换，其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。
最后发出显示控制与驱动信号，驱动外部的数码管显示相应的数据。
图6.1所示为DVM的基本组成框图，需指出的是，图中将DVM分成模拟和数字两大部分，从框图上看，A／D转换器包含在模拟部分，这样划分并不严格，因为A／D转换器本身具有数字电路的性质，特别是大规模集成化A／D转换器是模拟与数字两系统相互结合的，就连逻辑控制也集成在其中。
3.4软硬件调试
软件调试的任务是利用开发工具进行调试，发现和纠正程序的错误，同时也能发现硬件的故障。
软件调试是一个模块接一个模块进行的。
首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功能，接口电路的控制是否正常。
最后调试整个程序。
尤其注意的是各模块间能否正确的传递参数。
1.检查数码管显示模块程序。
观察数码管上是否能够显示相应的字符。
2.检查A/D转换模块程序。
可以在硬件电路的输入端输入已知的几个电压，分别观察数码管上是否显示相应的电压值。
3.检查数据的转换模块程序。
程序可分为数据采集系统、数据转换系统、显示系统，这三部分先独立测试，然后整体调试。
①数据采集系统：
因为ADC0809本身并没有内部时钟，需要外部时钟来提供工作的时钟频率。
如果利用单片机ALE端脚提供的频率为6MHZ，而ADC0809工作的频率在10KHZ-1MHZ。
因此，需要增加含触发器功能的器件，从面增加了系统的复杂程度。
后来，经过小组不断的讨论与思考，最终用软件编程来提供ADC0809工作的时钟频率，从而解决了这个问题。
②显示系统的调试：
要显示的数据存放在71H、72H单元中，先在30H~39H分单元中存放0~9的数，运行显示程序，进行查表指令，察看显示的结果是否与存放值一样。
在测试的过程中发现小数点没有显示，通过下面几条指令，把小数点显示出来。
MOVCA,@A+DPTR
CJNER2,#0FEH,NOT_ONE;不是左边第一个数码管，则转移
ORLA,#80H;左边第一个数码管显示小数点
NOT_ONE:
MOVP0,A;数码管段选
另外，发现四位数码管显示的亮度不一样，有时还存在闪烁的情况，后来经过调整各位数码管显示的间隔，调用延时函数解决了亮度不一的问题。
③整体测试:
把三部分进行程序联调，编译程序，看是否存在错误。
经过多次的尝试与查找相资料，最后做出并完善了整体的方案。
4.系统进一步改进方案
为进一步提高测量精度，建议把精确到小数点后一位改为精确到小数点后三位。
3.5系统功能分析
本课程设计是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量0－5V之间的直流电压值，两位数码显示，使用的元器件数目较少。
外界电压模拟量输入到A/D转换部分的输入端，通过A/D转换变为数字信号，输送给单片机。
然后由单片机给数码管数字信号，控制其发光，从而显示数字电压值。
四、硬件资源及其分配
4.1系统原理框图
选择8031作为单片机芯片，选用两位8段共阴极LED数码管实现电压显示，利用ADC0809作为数模转换芯片。
将数据采集接口电路输入电压传入ADC0809数模转换元件，经转换后通过D0至D7与单片机P1口连接，把转换完的模拟信号以数字信号的信号的形式传给单片机，信号经过单片机处理从LED数码显示管显示。
P2口接数码管位选，P0接数码管段选，实现数据的动态显示，如图4.1所示。
4.28031的结构及其功能
在本次课题设计中我们选择了8031芯片。
8031和8051是最常见的mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。
<8031管脚图>
4.2.18031内部结构及其功能概述
8031引脚功能
（1）主电源引脚Vss和Vcc
①Vss接地
②Vcc正常操作时为+5伏电源
（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
②XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。
是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/，和/Vpp
①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位
在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。
②ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）
③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。
同样可以驱动八LSTTL输入。
④/Vpp、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。
当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。
8031引脚功能：
Vcc:
+5V电源电压。
Vss:
电路接地端。
P0.0～P0.7:
通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。
P1.0～P1.7:
通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。
通道1吸收/发出一个TTL负载。
P2.0～P2.7:
通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。
通道2能吸收/发出一个TTL负载。
P3.0～P3.7:
通道3准双向I/O通道。
通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有
☆另一种功能：
P3.0:
RXD，串行输入口。
P3.1:
TXD，串行输出口。
P3.2:
INT0，外部中断0输入口。
P3.3:
INT1，外部中断1输入口。
P3.4:
T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。
P3.5:
T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端
P3.6:
WR，外部数据存贮器写脉冲。
P3.7:
RD，外部数据存贮器读脉冲。
RST/VpD:
引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限度以下），后备电源加到此引脚，将只给片内RAM供电。
ALE/PROG:
引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。
所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时，8751内的EPROM编程时，此端输编程脉冲信号。
PSEN:
引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产生，低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。
EA/VPP:
引脚31，当保持TTL高电平时，如果指令计数器小于4096，8051执行内部ROM的指令，8751执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平时，从外部程序存贮器取出所有指令，在8751内的EPROM编程时，此端为21V编程电源输入端。
XTAL1:
引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡源时，此端必须接地。
XTAL2:
引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡器时，此端用于输入外部振荡信号。
4.2.2CPU结构
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
1. 运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。
它可以对半字节（4）、单字节等数据进行操作。
2.程序计数器PC
PC是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。
3.指令寄存器
指令寄存器用于存放指令代码。
CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送如指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。
4.2.3存储器和特殊功能寄存器
1.8031本身不带内部程序存储器和数据存储器，因此需要经过扩展。
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
它根据控制器指定的位置存入和取出信息。
2.特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80H～FFH。
在MCS－51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。
4.2.4P0-P3口结构
P0口功能：
P0口具有两种功能：
第一，P0口可以作为通用I/O接口使用，P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。
输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。
第二，P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器de低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写。
P1口功能 ：
P1口的功能和P0口de第一功能相同，仅用于传递I/O输入/输出数据。
P2口的功能：
P2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。
P3口功能：
P3口有两个功能：
第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每个引脚都不同。
表4.1P3口第二功能
引脚
名称
功能
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
INT0
外中断0输入
P3.3
INT1
外中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通信号
P3.7
RD
外部RAM读选通信号
4.3器件的选择
4.3.1显示器
本次设计中有显示模块，常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。
数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。
小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。
但数码管只能是显示0——9的数据。
不能够显示字符。
这也是数码管的不足之处。
经过性能的比较和根据本设计的要求以及价格的考虑，选择数码管显示器。
单位数码管如图4.4所示。
图4.5单位数码管
4.3.2模数（A/D）芯片ADC0809
A/D转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。
此次设计的是利用逐次逼近式ADC0809进行模数转换。
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。
综合上述，逐次逼近型A/D转换既兼顾了转换速度，又具有一定的精度，这里选用的是逐次逼近型的A/D转换芯片ADC0809。
图4.6ADC0809内部结构图4.7ADC0809引脚图
（2）ADC0809的工作原理
1.IN0－IN7：
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条。
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如表4.3所示。
表4.3ADC0809通道选择表ADC0809工作时序图
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
2.数字量输出及控制线：
11条
ST：
转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC：
转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE：
输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0:
数字量输出线。
CLK：
时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，
VREF（＋）、VREF（－）：
参考电压输入。
3.ADC0809应用说明
①ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S52单片机直接相连。
②初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
③送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
④在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
⑤是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
⑥当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。
AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC信号在START的下降沿10us后才变为无效的低电平。
这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC输出高电平，再由OE变为高电平来输出转换数据。
4.3.38279接口芯片
一、8279的功能及工作原理
8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器I／O接口部件。
利用8279，可实现对键盘／显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号，不仅可以大大节省CPU对键盘／显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作，由于这些优点，8279芯片日益被设计者所采用。
1．8279的引脚及内部结构
（1）I／O控制和数据缓冲器
双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线DBo—DB7，用于传送CPU和8279之间的命令，数据和状态。
为片选信号。
当
为低电平时，CPU才选中8279读写。
A。
用以区分信息的特性。
当A。
为1时，CPU写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态。
当A。
为0时，I／O信息都为数据。
图18279的引脚图
（2）控制逻辑
控制与定时寄存器用以寄存键盘及显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码产生相应的控制信号，使8279的各个部件完成一定的控制功能。
定时控制含有一些计数器，其中有一个可编程的5位计数器，对外部输入时钟信号进行分频，产生100kHz的内部定时信号。
外部时钟输入信号的周期不小于500ns。
（3）扫描计数器
扫描计数器有两种输出方式。
一种为外部译码方式（也称编码方式），计数器以二进制方式计数，4位计数状态从扫描线SL。
～SL3输出，经外部译码器译码出16位扫描线，另一种为内部译码方式（也称译码方式），即扫描计数器的低二位经片内译码器译码后从SL。
一SL3输出。
（4）键输入控制
这个部件完成对键盘的自动扫描，锁存RL。
～RL7的键输入信息，搜索闭合键，去除键的抖动，并将键输入数据写入内部先进先出（FIFO）的存储器RAM。
（5）FIFORAM和显示缓冲器RAM
8279具有8个先进先出（FIFO）的键输入缓冲器，并提供16个字节的显示缓冲器RAM。
8279将段码写入显示缓冲器RAM，8279自动对显示器扫描，将其内部显示缓冲器RAM中的数据在显示器上显示出来。
IRQ为中断请求输出线，高电平有效。
当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的编码时，IRQ线升高，向CPU请求中断，当CPU将缓冲器中的输入键的数据全部读取时，中断请求线下降为低电平；
SHIFT、CNTL／STB为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平。
RL。
～RL7为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻（或称为上拉电阻）拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。
SL。
～SL3为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。
OUTB。
-3、OUTA。
-3为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作为8位段数据输出口，此时OUTB。
为最低位，OUTA3为最高位。
BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显示消隐。
RESET为复位输入线，高电平有效。
当RESET输入端出现高电平时，8279被初始复位。
2．8279的操作命令字
CPU通过对8279编程（将命令字写入8279）来选择其工作方式。
8279的操作命令字简述如下：
（1）键盘／显示器方式设置命令字
D7D6D5D4D3D2D1D0
0
0
0
D
D
K
K
K
高三位D7D6D5位为特征位000，D4D3两位用来设定显示方式，其定义如下：
D4D3
显示方式
00
8个字符显示—左边输入
01
16个字符显示—左边输入
10
8个字符显示—右边输入
11
16个字符显示—右边输入
8279最多可用来控制LED显示器显示16位，当显示位数超过8位时，均须设定为16位字符显示。
显示器的每一位对应一个8位的显示缓冲器RAM单元。
CPU将显示数据写入缓冲器时有左边输入和右边输入两种方式。
左边输入是较简单的方式，地址为0～15的显示缓冲器RAM单元分别对应于显示器的0（左）位～15（右）位。
CPU依次从0地址或某一个地址开始将段数据写入显示缓冲器。
当16个显示缓冲器都已写满时（从0地址开始写，写了16次），第17次写，再从0地址开始写入。
右边输入方式是移位输入方式，输入数据总是写入右边的显示缓冲器，数据写入显示缓冲器后，原来缓冲器的内容左移一个字节，原最左边显示器缓冲器的内容被移出。
在右边输入方式中，显示器的各位和显示缓冲器RAM的地址并不是对应的。
若选用内部译码的键扫描方式，字符显示器只接4位。
D2D1D。
为键盘工作方式选择位，如下表，
D2D1D。
操作方式
000
外部译码键扫描方式，双键互锁
001
内部译码键扫描方式，双键互锁
010
外部译码键扫描方式，N键依次读出
011
内部译码键扫描方式，N键依次读出
100
外部译码扫描传感器矩阵方式
101
内部译码扫描传感器矩阵方式
110
选通输入方式，外部译码键扫描方式
111
选通输入方式，内部译码键扫描方式
当设定为外部译码工作方式时，内部计数器作二进制计数，四位二进制计数器的状态从扫描线SL。
-SL3输出，然后在外部进行译码，最多可为键盘／显示器提供16根扫描线（16选1）。
当设定为内部译码工作方式时，内部扫描计数器的
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