淮阴工学院测控电路课程设计简易数字电压表的设计.docx
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淮阴工学院测控电路课程设计简易数字电压表的设计
简易数字电压表的设计
1设计目的和要求
1.1设计目的
《测控系统原理与设计》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练，在课程设计过程中，在教师指导下，运用工程的方法，通过一个简单课题的设计和练习，可使学生初步体验微机应用系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的
1.2设计任务
利用单片机AT89C52与ADC0809设计制作一个数字电压表，要求简易电压表可以测量0-5V范围内的8位输入电压值，并且在4位LED数码管上轮流显示和单路选择显示。
1.3设计要求：
（1）根据设计要求，选择AT89C2单片机为核心控制器件。
（2）A/D转换采用ADC0809实现，与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。
（3）电压显示采用4位一体的LED数码管。
（4）LED数码的段码输入,由并行端口P0产生：
位码输入，用并行端口P2低四位产生。
二、设计方案
运用单片机构成的数字电压表中包含三个模块：
数据采集模块、数据处理模块和输入/输出模块。
在数据采集保持模块中，基本结构大部分都一样，主要是对电压信号采样前，用放大器进行预处理，然后通过保持器保持采样。
目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。
本次以简易数字直流电压表的设计为研究内容，系统主要包括三大模块：
转换模块、数据处理模块及显示模块。
其中，A/D转换采用ADC0809对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C52再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。
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、复位电路及测量电压输入电路。
硬件电路设计框图2-1所示。
2-1数字电压表系统硬件设计框图
三、程序设计
3.1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3-1所示。
图3-1数字式直流电压表主程序框图
3.2系统子程序设计
3.2.1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。
3.2.2A/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
3.2.3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。
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。
图3-3显示子程序
四、单元硬件设计
4.1AT89C52单片机简介
AT89C52是此次课程设计的核心部分。
其管脚图4-1如下：
图4-1AT89C52管脚图
AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位单片机。
片内带有8KB的Flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。
另外，AT89C52的指令系统和引脚与80C52完全兼容。
AT89C52各管脚功能如下：
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。
；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；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；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；P3口管脚功能：
P3.0是RXD（串行输入口）；P3.1是TXD（串行输出口）；P3.2是/INT0（外部中断0）；P3.3是/INT1（外部中断1）；P3.4是T0（记时器0外部输入）；P3.5是T1（记时器1外部输入）；P3.6是/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7是/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，地址锁存允许输出电平用于锁存地址的地位字节。
/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。
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。
4.2A/D转换器选择
A/D转换器是核心器件，它关系到最后数字电压表的精确度。
所以A/D芯片的选择是设计过程中的一个很重要的环节。
常用的A/D芯片ADC0808，ADC0809，ADC0832，TLC2543等几种。
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制。
ADC0808主要特性：
8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有锁存控制的8路模拟开关;易与各种微控制器接口；可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换时间：
128μs；转换精度：
0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0-+5V,无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW。
逐次逼近式A/D转换器的工作原理：
图4-2逐次逼近法原理
4.3ADC0809的外部引脚特征
图4-3ADC0809的管脚图
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、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（见图7）。
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。
三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）.
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
4.4复位电路和时钟电路
4.4.1复位电路设计
单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。
当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。
复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。
单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图4-4是52系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能工作。
图4-4复位电路
4.4.2时钟电路设计
单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。
CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。
MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。
本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简单，只需要一个晶振和两个电容即可，如图4-5所示。
图4-5时钟电路
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。
4.5LED显示系统设计
4.5.1LED基本结构
LED是发光二极管显示器的缩写。
LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。
LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件[6]。
在单片机中使用最多的是七段数码显示器。
LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。
LED引脚排列如下图4-6所示:
图4-6LED引脚排列
4.5.2LED显示器的选择
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，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。
本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。
4-LED显示器引脚如图3-8所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
图4-5-24位LED引脚
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。
4.6总体电路设计
经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图4-6所示。
图4-6简易数字电压表电路图
五.设计总结
通过本次实验，了解了AD0809的作用以及其的接口作用，用Proteus进行仿真，了解了Proteus软件的基本使用方法，用keil转换伟福识别语言，使该软件能够识别C语言，也加深了对单片机模拟仿真软件的认识和理解；也在实际操作连接外电路的过程中，遇到了许多问题，意识到自己知识的匮乏，自己的动手能力也亟待提高，无疑这对以后的学习是种无形的激励。
同时在寻求解决问题，查找资料，向老师请教的同时，提高了自己做设计实验的能力，也学会了如何利用图书资源和自身知识去转换为实际应用，为以后的学习提高奠定了基础，总之这次实验我受益匪浅。
附录
程序代码
全部软件程序如下：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definekey_state00//键盘扫描的各个状态
#definekey_state11
#definekey_state22
#definekey_state33
sbitrs=P1^2;//1602液晶写命令/数据标志,0时写命令
sbitrw=P1^1;//1602液晶写入/读出标志,0时写入数据
sbitep=P1^0;
sbitinput=P1^4;
sbitoutput=P1^3;
sbitcs=P1^5;
sbitclk=P1^6;
sbitkey=P2^0;
sbitflag_1=P2^1;//定义电压表档位相关标志
sbitflag_2=P2^2;
sbitflag_3=P2^3;
sbitflag_4=P2^4;
ucharcodetab0[]="V";//显示的单位及有关的字符
ucharcodetab1[]="MV";
ucharcodetab2[]="Power:
";
ucharcodetab3[]="Aver_V:
";//平均电压值标志符
uchart;
voiddelay（intz）//延时函数
{
intx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=10;y>0;y--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//往1602液晶写命令函数
{
rs=0;
P0=com;
delay（5）;
ep=1;
delay（5）;
ep=0;
}
voidwrite_dat（uchardat）//往1602液晶写数据函数
{
rs=1;
P0=dat;
delay（5）;
ep=1;
delay（5）;
ep=0;
}
voidinit_1602（）//对1602液晶的初始化函数
{
rs=0;
rw=0;
write_com（0x38）;
delay
（1）;
write_com（0x0c）;
delay
（1）;
write_com（0x06）;
delay
（1）;
write_com（0x01）;
delay
（1）;
}
voidinit_timer0（）//定时计数器0初值化函数，
{
TMOD=0x01;//方式一
TH0=（65536-50000）/256;//每50ms中断一次
TL0=（65536-50000）%256;
IE=0x82;//打开中断
TR0=0;//定时器首先不可工作
}
voiddisplay（ucharx,uchary,uintdat）//显示电压值的函数,x行y列开始显示
{
uintadd;
uchari,a[5];
switch（x）
{
case0:
add=0x80;break;
case1:
add=0x80+0x40;break;
}
add=add+y;
write_com（add）;
for（i=0;i<5;i++）
{
a[i]=dat%10;
dat=dat/10;
}
write_dat（a[4]+0x30）;
write_dat（a[3]+0x30）;
write_dat（a[2]+0x30）;
write_dat（'.'）;
write_dat（a[1]+0x30）;
write_dat（a[0]+0x30）;
}
voiddisplay_zifu（ucharx,uchary,uchar*str）//显示字符函数,x行y列开始显示
{
uintadd;
switch（x）
{
case0:
add=0x80;break;
case1:
add=0x80+0x40;break;
}
add=add+y;
write_com（add）;
while（*str!
='\0'）
{
write_dat（*str）;
str++;
}
}
uintread_AD（ucharcon_way）//读取AD转换值操作函数
{
uintdat=0;
uchari;
cs=0;
clk=0;
con_way<<=4;
for（i=0;i<12;i++）
{
con_way<<=1;/*选择0通道，在输入该控制数据的同时输出前一次AD转结果*/
input=CY;
dat<<=1;
if（output）/*输出AD转换结果*/
dat=dat|0x01;
delay
（2）;
clk=1;
delay（5）;
clk=0;
}
cs=1;
returndat;
}
uintread_value（）
{
longfloatdq;
longfloatdat_v;
dq=read_AD（0）;//把读取得的AD转换值给变量dq
if（!
flag_3）
dat_v=（200*dq）/4096*100;//三档,量程为200V
elseif（!
flag_2）
dat_v=（20*dq）/4096*100;//二档，量程为20V
elseif（!
flag_1）
dat_v=（2*dq）/4096*100;//一档,量程2V
returndat_v;
}
voidread_key（）//键盘扫描函数
{
staticucharkey_state=0;
switch（key_state）
{
casekey_state0:
if（key==0）
key_state=key_state1;
break;
casekey_state1:
if（key==0）
{
TR0=1;
display_zifu（1,0,tab3）;
key_state=key_state2;
}
else
key_state=key_state0;
break;
casekey_state2:
if（key）
key_state=key_state0;
break;
}
}
voidmain（）
{
longfloatdat;
longfloatdat_aver,dat1,dat2,dat3,dat4,dat5;//定义5个随机电压值变量
ucharflag;//后五秒取随机电压的标志
init_timer0（）;
init_1602（）;
delay（10）;
while
（1）
{
dat=read_value（）;
if（dat>=100）//当电压值大于1V时,用V显示,否则用mV显示
{
display_zifu（0,1,tab2）;
display（0,7,dat）;
display_zifu（0,13,tab0）;
}
else
{
display_zifu（0,1,tab2）;
display（0,7,dat*1000）;
display_zifu（0,13,tab1）;
}
read_key（）;//当键盘按下时，计算后五秒的平均电压值
if（t==20）
{
t=0;
flag++;
}
if（flag==1）
dat1=dat;
if（flag==2）
dat2=dat;
if（flag==3）
dat3=dat;
if（flag==4）
dat4=dat;
if（flag==5）
{
dat5=dat;
dat_aver=（dat1+dat2+dat3+dat4+dat5）/5;
display（1,7,dat_aver）;
display_zifu（1,13,tab0）;
dat_aver=0;
}
if（flag==8）
{
flag=0;
write_com（0x01）;
TR0=0;
}
}
}
voidtimer0（）interrupt1//定时器中断函数
{
TH0=（65536-50000）/256;//重新放入初始值
TL0=（65536-50000）%256;
t++;
}
5.参考文献
[1]蔡美琴等编著，MCS-51系列单片机系统及其应用，高等教育出版社，2004年4月
[2]谭浩强编《C语言程序设计（第二版）》清华大学出版社
[3]朱定华编著《微机原理、汇编与接口技术》清华大学出版社
[4]陈堂敏.刘焕平主编.单片机原理与应用.北京:
北京理工大学出版社,2007.
[5]李广弟等单片机基础北京航空航天出版社，2001.7
[6]楼然苗等51系列单片机设计实例北京航空航天出版社，2003.3
[7]刘瑞新等单片机原理及应用教程机械工业出版社，2003.7[6]
[8]李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术高等教育出版社，2004.1
[9]霍孟友等，单片机原理与应用，机械工业出版社，2004.
[10]许泳龙等，单片机原理及应用，机械工业出版社，2005.1
[11]马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003修订版
谢辞
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
另外，感谢学院给予我们这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在这学期快要结课的时候，能够将学到的只是应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。
感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。
正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。
最后再一次感谢老师在学习中给予我的照顾和帮助，祝愿老师身体健康、工作顺利！
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