数字电压表.docx
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数字电压表
目录
1、引言1
2、总体设计方案2
2.1设路计思2
2.2系统结构框图3
2.3工作原理3
3、各单元硬件设计说明及计算方法4
3.1AT89C51单片机与ADC08084
3.2时钟与复位电路9
3.3LED显示电路设计与器件选择10
3.4A/D转换电路11
4、软件设计与说明13
4.1系统软件设计(流程图)13
4.2初始化子程序13
5、调试与使用说明15
5.1调试15
5.1使用说明15
6、总结与体会16
7、参考文献17
附录A系统原理图18
附录B程序清单19
1、引言
单片机是一种集成电路芯片,随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
由于单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点,已经在各个技术领域得到了迅猛发展。
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。
本设计重点介绍单片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。
2、总体设计方案
2.1设路计思
按系统功能要求,决定控制系统采用AT89S51单片机,A/D转换采用ADC0809.系统除能确保实现要求的功能外,还可以方便地进行其功能的扩展。
本文采用AT89S51作为核心元件,AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,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,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
采用NS公司的分辨率为8位的逐次比较型的高精度的模数转换器ADC0809,ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。
把采取的电压进行处理然后通过单片机的P口送到单片机然后经过程序处理,由LED电路把电压数值显示出来。
单片机加上外围的串口显示电路由74LS245和数码管三极管组成。
器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器,既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大,低价AT89s51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
2.2系统结构框图
系统结构框图
2.3工作原理
系统采用12M晶振产生脉冲做AT89C51的内部时钟信号,通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。
利用中断设置单片机的P2.4口取反产生脉冲做AT89C51的时钟信号。
通过按键选择八路通道中的一路,将该路电压送入ADC0808相应通道,单片机软件设置ADC0808开始A/D转换,转换结束ADC0808的EOC端口产生高电平,同时将ADC0808的EO端口置为高电平,单片机将转换后结果存到片内RAM。
系统调出显示子程序,将保存结果转化为0.00-5.00V分别保存在片内RAM;系统调出显示子程序,将转化后数据查表,输出到LED显示电路,将相应电压显示出来,程序进入下一个循环。
3、各单元硬件设计说明及计算方法
根据设计要求与思路,确定该系统的设计方案。
硬件电路由5个部分组成,即单片机时钟电路与复位电路、4位显示器电路、A/D转换电路和键盘及测量电路。
3.1AT89C51单片机与ADC0808
系统设计使用MCS-51单片机8051芯片。
8051芯片由以下部分组成:
中央处理器、256单元的内部数据存储器、4KB的程序存储器、定时器/计数器、四个八位的I/O口,中断控制系统及时钟电路。
图4.1所示为采用
列直插式封装的8051AH芯片管脚图。
主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
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。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一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。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
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,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
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。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
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。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/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。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/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。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
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。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
ADC0808简介
1、主要技术指标和特性
(1)分辨率:
8位。
(2)总的不可调误差:
ADC0808为±LSB,ADC0809为±1LSB。
(3)转换时间:
取决于芯片时钟频率,如CLK=500kHz时,TCONV=128μs。
(4)单一电源:
+5V。
(5)模拟输入电压范围:
单极性0~5V;双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。
(6)具有可控三态输出缓存器。
(7)启动转换控制为脉冲式(正脉冲),上升沿使所有内部寄存器清零,下降沿使A/D转换开始。
(8)使用时不需进行零点和满刻度调节。
芯片图如下
引脚功能:
(1)IN0~IN7——8路模拟输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
(2)D7~D0——A/D转换后的数据输出端,为三态可控输出,故可直接和微处理器数据线连接。
8位排列顺序是D7为最高位,D0为最低位。
(3)ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。
地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。
(4)VR(+)、VR(-)——正、负参考电压输入端,用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。
在单极性输入时,VR(+)=5V,VR(-)=0V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。
表6-1-1地址信号与选中通道的关系
地址
选中通道
ADDC
ADDB
ADDA
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
(5)ALE——地址锁存允许信号,高电平有效。
当此信号有效时,A、B、C三位地址信号被锁存,译码选通对应模拟通道。
在使用时,该信号常和START信号连在一起,以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
(6)START——A/D转换启动信号,正脉冲有效。
加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零,下降沿开始A/D转换。
如正在进行转换时又接到新的启动脉冲,则原来的转换进程被中止,重新从头开始转换。
(7)EOC——转换结束信号,高电平有效。
该信号在A/D转换过程中为低电平,其余时间为高电平。
该信号可作为被CPU查询的状态信号,也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下,EOC也可作为启动信号反馈接到START端,但在刚加电时需由外电路第一次启动。
(8)OE——输出允许信号,高电平有效。
当微处理器送出该信号时,ADC0808/0809的输出三态门被打开,使转换结果通过数据总线被读走。
在中断工作方式下,该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。
3.2时钟与复位电路
时钟电路是计算机最核心的部分,它控制着计算机的工作MCS-51单片机允许的时钟频率典型值为12MHZ。
80C51单片机内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,分别是80C51的19脚和18脚。
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。
通常,OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ~16MHZ,典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右,对震荡频率有微调作用。
调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。
单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。
复位信号是高电平有效,高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。
单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。
图4-2所示是51系列单片机常用的上电复位电路,只要Vcc上升时间不超过1ms,它们都能很好地工作。
复位以后,单片机内各部件恢复到初始状态。
电阻电容器件的参考值:
R1=200Ω,R2=1KΩ,C3=22μF。
RET按键可以选择专门的复位按键,也可以选择轻触开关。
电路图如下
3.3LED显示电路设计与器件选择
单片机应用系统中,通常都需要进行人机对话。
这包括人对应用系统的状态干预与数据输入,以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果。
显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。
LED显示器的驱动是一个非常重要的问题,此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片,直接由单片机的P1,P2口驱动,实验证明可行。
在应用系统中,设计要求不同,使用的LED显示器的位数也不同,因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。
在我们的设计中,选择4位一体的共阴极时钟型LED显示器,采用动态显示方式。
图4-2为本系统LED显示电路,采用P1口作为LED的段码输出信号,P2口的低四位作为LED位码的输出控制信号。
3.4A/D转换电路
ADC0808采用逐次比较的方法完成A/D转换,由单一的+5V电源供电。
片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关,由A、B、C的编码来决定所选的通道。
ADC0809完成一次转换需100μs左右,它具有输出TTL三态锁存缓冲器,可直接连接到AT89C51的数据总线上。
通过适当的外接电路,ADC0808可对0~5V的模拟信号进行转换。
74LS373:
是带有清除端的8D触发器,只有在清除端保持高电平时,才具有锁存功能,锁存控制端为11脚CLK,采用上升沿锁存。
1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用做8位地址锁存器。
用单片机的P2.4对应ADC0808的ALE端,P2.5对应EOC端,P2.6对应OE端,P3.3对应CLK端,用软件设定给定的值。
ADDA、ADDB和ADDC连接74LS373的输出端,由74LS373输出值选择通道。
IN0~IN7分别8个被测电位器,根据选择的通道,ADC0808选择测量相应通道的电位。
电路图如下图
4、软件设计与说明
4.1系统软件设计(流程图)
图5.1为程序软件设计流程图其中(a)为主程序流程图,(b)为A/D转换子程序流程图。
其中A/D转换子程序是将0808转化后的数字量,需通过转化子程序转化成工程量并通过查表送到P1口送给LED显示。
4.2初始化子程序
对所用到的存储单元和寄存器单元进行初始化,同时对要使用到的定时器进行清零并赋初始值。
初始化子程序:
INIT:
MOVWIN1,#00H;存储单元清零
MOVWIN2,#00H
MOVWIN3,#00H
MOVWIN4,#00H
CLRFLAG
MOVTMOD,#12H;定时器初始化
MOVTH0,#245
MOVTL0,#245
MOVTH1,#9EH
MOVTL1,#58H
MOVR1,#80
MOVR0,#0
MOVIE,#8AH
SETBTR0
5、调试与使用说明
5.1调试
通过proteus7.5仿真,通过滑动变阻器可以改变电阻值,进而电压表的示数也将改变。
当滑动变阻器的阻值为最大值时,LED显示器显示的示数为5V,理论值
=5V。
当滑动变阻器的阻值为0时,LED显示器显示的示数为0V,
=0V。
由此两个极值已经满足,表明测量精度相当之高。
在调试的过程中,开机即为循环显示阶段,可循环观察8路电压的测量值,我们还可以采用单通道模式显示,即按下模式切换键,切换到单通道模式下,通过改变滑动变阻器的电阻值来获得不同的测量结果。
再次按下模式切换键,系统就自动转到了循环显示的模式下工作。
5.1使用说明
系统采用并行A/D转换器(ADC0808)对外部多路模拟电压进行测量。
通过键盘对转换通道进行选择:
1.循环多路显示(开机即为此种模式);
2.通过键盘或其它方式进行选择显示(如按下键盘上的0号键,则显示0通道的电压…..),此时要先按下模式转换开关,等到要恢复到循环显示模式时还需要再按下模式转换开关。
6、总结与体会
为期两周的课程设计马上就结束了,其中充满很多的艰辛,但是在老师认真的指导下,经过和同学一起讨论,最终问题都得到了解决,得到了比较满意的结果。
这次课程设计是设计数字电压表,主要是把模拟量通过ADC0808转换为数字量在经过LED显示出来。
通过这次课程设计是我对AT89C51、ADC0808和数码管的许多基本知识和接线方法有了深刻的理解。
在设计程序和调试过程中都遇到了一些麻烦,特别是是在调试过程中,总是调试不出想要的结果,后来请教老师和同学一起探讨虽然结果仍不是很满意,但是至少我们都努力了。
而且我们从调试的过程中也学到了很多解决问题和分析问题的方法。
并且大致了解了proteus内部的调试,真是收益颇多。
经过这次课程设计,我深深地感受到了理论知识与实际操作之间的距离,理论知识是基础,实际操作是实践。
在设计过程中会遇到种种困难,自己必须先做认真的分析与思考,找出问题出现的根本原因,然后针对问题去寻求解决的方法,根据自己所学的知识,如过自己现有的知识不能解决,就去查阅相关资料,实在不能解决就去请教老师或是和同学一起讨论。
这也很好的知道了我今后的学习,在学习理论知识的同时我们必须注重实践。
短短的两周单片机课程设计结束了,可是似乎还沉醉在设计过程中一次次难题解决后的兴奋中,经过这次课程设计激起了我对单片机学习进一步的兴趣。
最后非常感谢林国汉老师在本次课程设计中给我们的知道和帮助。
7、参考文献
1、《单片机原理及应用》李建忠编西安电子科技大学出版社
2、《单片微型计算机原理与接口技术》高峰编电子工业出版社
3、《单片机应用新技术教程》邹逢兴编高等教育出版社
4、《16位微型计算机原理接口及其应用》朱宇光编电子工业出版社
5、《微型计算机原理与接口技术》吴秀清编中国科学技术出版社
6、《微型计算机接口技术》邓亚平编清华大学出版社
7、《单片机原理及及应用》王迎旭编机械工业出版社
附录A系统原理图
附录B程序清单
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0013H
LJMPINT1S
ORG0030H
START:
CLRA
MOVR0,#70H
MOVR2,#0DH
LOOPMEM:
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LOOPMEM
MOVA,#0FFH
MOVP0,A
MOVP1,A
MOVP3,A
MOVP2,#7FH
MAIN:
LCALLTEST
LCALLDISPLAY
AJMPMAIN
NOP
NOP
NOP
LJMPSTART
TEST:
MOVSP,#60H
MOVR0,#70H
MOVR7,#08
SETBIT1
SETBEX1
SETBEA
MOVDPTR,#7FF0H
LOOP:
MOVX@DPTR,A
WAIT:
SJMPWAIT
DJNZR7,LOOP
MOVA,#0FFH
MOVP0,A
MOVP1,A
MOVP3,A
MOVP2,#7FH
RET
INT1S:
MOVA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCDPTR
MOVA,R0
SUBBA,#70H
MOV7BH,A
RETI
DISPLAY:
MOVA,7BH
SUBBA,#01H
MOV7BH,A
ADDA,#70H
MOVR0,A
DISLOOP11:
LCALLTUNBCD
MOVR2,#0FFH
DISLOOP22:
LCALLDISP
DJNZR2,DISLOOP22
RET
TUNBCD:
MOVA,@R0
MOVB,#51
DIVAB
MOV7AH,A
MOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10H
MULAB
MOVB,#51
DIVAB
JBF0,LOOP2
ADDA,#5
LOOP2:
MOV79H,A
MOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10H
MULAB
MOVB,#51
DIVAB
JBF0,LOOP3
ADDA,#5
LOOP3:
MOV78H,A
RET
DISP:
MOVR1,78H
MOVR5,#0FEH
PLAY:
MOVP1,#0FFH
MOVA,R5
ANLP2,A
MOVA,@R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
JBP2.2,PLAY1
CLRP1.7
PLAY1:
LCALLDL1MS
INCR1
MOVA,P2
JNBACC.3,ENDOUT
RLA
MOVR5,A
MOVP2,#7FH
AJMPPLAY
ENDOUT:
MOVP2,#7FH
MOVP1,#0FFH
RET
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH
DL1MS:
MOVR4,#0FFH
DL3:
DJNZR4,DL3
MOVR4,#0FFH
DL4:
DJNZR4,DL4
RET