51单片机简易数字电压表的设计.docx
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51单片机简易数字电压表的设计
基于51单片机的数字电压表设计
二级学院铜陵学院
专业自动化
班级
组号
组员
指导教师
设计周期：
20012年6月5日～2008年6月28日
目录
一课程设计任务书2
1.1设计题目、目的2
1.2题目的基本要求和拓展功能2
1.3设计时间及进度安排2
二设计内容3
2.1元器件选型3
2.2系统方案确定3
2.351单片机相关知识4
2.4AD转换器相关知识6
三数字电压表系统设计7
3.1系统设计框图8
3.2单片机电路9
3.3ADC采样电路10
3.4显示电路11
3.5供电电路和参考电压
3.6数字电压表系统电路原理图
四软件部分
4.1主程序
4.2显示子程序
五数字电压表电路仿真
5.1仿真总图
5.2仿真结果显示
六系统性能分析
七心得体会
一课程设计任务书
智能仪表课程设计是自动化专业的专业实践课程。
本课程的任务是通过设计完成功能的单片机系统，使学生掌握目前典型的自动化易表的一般设计要求和设计方法，掌握开发及设计工具的使用方法，通过这一实践过程，锻炼学生的动手能力和分析、解决问题的能力，培养对所学知识的综合应用能力。
1、设计的题目
简易数字电压表的设计
对简易数字电压表的设计，掌握目前自动仪表的一般设计要求，工程设计方法，开发及设计工具的使用方法。
数字电压表简称DVM，数字电压表基本原理是将输入的模拟电压信号转化为数字信号，再进行输出显示。
而A/D转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，器基本结构是由采样保持，量化，编码等几部分组成。
因此AD转换是此次设计的核心元件。
输入的模拟量经过AD转换器转换，再由驱动器驱动显示器输出，便得到测量的数字电压。
2、基本功能要求：
1.可以选择测量测量8路0-5V的8路输入电压值；
2.可轮流显示或单路选择显示（可选）；
3.测量显示最小分辨率为0.01V;测量误差约为0.02V；
4.具有电压过低、过高声光报警功能，报警限可独立设置；
拓展功能：
（1）：
测量电压范围扩大，可测量小电压和大电压；可测量显示0-2mA电流；
（2）：
带通讯功能，电压测量值可在PC机上显示；
（3）：
带实时存储记忆和复现功能；
3、设计时间及进度安排：
1、学分：
3分
2、时间安排：
3周
计划安排：
第17周任务布置，确定分组。
任务分析，方案，绘制原理图：
第18周进行设计方案的确认，提交原理图，元器件清单何预定价格，进行购买；
第18周硬件焊接，调试；软件编程，联合硬件的调试；
第19周撰写课程实际报告，分组验收答辩；
二设计内容：
2.1元器件选型：
A/D转换器芯片ADC0809，AT89C52单片机，1602液晶显示器；
2.2系统方案确定：
按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52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8路其他A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。
数字电压表系统设计方案框图如图。
P0：
地址数据低8位口P1：
普通I/O口P2：
地址高8位口P3：
特殊功能口
晶振电路保证信号传输同步，串口通信是与外界进行信息交换的一种方式，按键电路中一个按键是单路和轮流显示的选择，一个按键是单路时的通道选择。
实现过程：
当外部0～5V的模拟信号输入时，首先通过ADC8090转换模块进行转换，转换成数字信号并进入通道进行选择后，将信号传入AT89C52单片机时，单片机通过按键电路中的一个按键来选择单路还是8路，另一个按键作单路显示时选择通道，当选择完毕后将数据送入到显示器，通过P3特殊功能口经三极管驱动输出控制位。
2.351单片机相关知识
51单片机是对目前所有兼容intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的８为单片机之一。
单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器／计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。
51系列单片机内包含以下几个部件：
一个８位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；
4KB的ROM程序存储器；
一个128B的RAM数据存储器；
寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；
32条可编程的I/O口线；
两个16位定时／计数器；
一个可编程全双工串行口；
５个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
51系列单片机如下图：
图151单片机引脚图
引脚功能：
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入.flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX＠DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX＠RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上位电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次RSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2.外部时钟：
输入端接在XTAL1
输出端接在XTAL2
晶体可以在1.2mhz-12mhz之间任选，电容可以在20-60uf之间选择。
3.74ls244：
是一个缓冲输入口，同时也是一个单向驱动器一减轻总线负担。
4.mc14024：
用与二进制计数。
5.ADC0809：
A/D转换器：
2.4AD转换器相关知识
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式ＡＤ转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
1．主要特性
1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs
4）单个＋5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
2内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
3．外部特性（引脚功能）
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。
下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A／D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
ADC0809的工作过程是：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
图2ADC0909引脚
三数字电压表系统设计
3.1系统设计框图
此次设计的是数字电压表，要求的电压范围是0~5v，而设计扩展的量程为0~25v。
系统设计主要包括四个部分：
分别是电源模块、AD模数转换部分、51单片机最小系统部分、1602液晶显示部分。
首先由单片机初始化ADC0809模数转换芯片和1602液晶显示，当外接被测电压后，ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号输入到单片机的I/O口，通过单片机处理后将电压的大小显示在1602液晶上面。
如下是本次设计作品的框图：
图3系统框图
3.2单片机电路
单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出，而且四个I/O口都已经用排阵引出，方便外接I/O扩展用。
图4单片机最小系统
3.3ADC采样电路
由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000~111分别选中IN0~IN7。
ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。
CLK为输入时钟，为AD转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。
START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。
OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，是转换后的数字量从D0~D7输出。
EOC为转换结束信号，启动转换后EOC变为低电平，转换完成后EOC编程高电平。
图5ADC模数转换
3.4显示电路
以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。
1602字符型通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样：
图61602引脚图
3.5供电电路和参考电压
由于此次系统的芯片工作电压为+5v，所以用常用的三端稳压器LM317和LM337构成的电源系统供电，其中ADC0809要提供一个准确的参考电源才能正常的工作，而LM317正好能够达到要求。
图7系统供电部分
3.6数字电压表系统电路原理图
简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成，电路原理图如图所示。
A/D转换由集成电路0809完成。
0809具有8路模拟输入端口，地址线（23~25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。
22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。
6脚为测试控制，当输入一个2uS宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。
7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。
9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。
10脚为0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。
单片机的P1、P3.0~P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。
P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。
P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。
图8数字电压表总原理图
MC14024：
二进制计数器
74LS244：
是一个缓冲输入口,同时也是一个单向驱动器以减轻总线负担
四软件部分：
主程序：
在刚上电时，系统默认为循环显示8个通道的电压值状态。
当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间为1S左右。
主程序在调用显示子程序和测试之程序之间循环，主程序流程图见图。
显示子程序：
显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。
测量所得的A/D转换数据放在70H~77H内存单元中，测量数据在显示时需转换成10进制BCD码放在78H~7BH单元中，其中7BH存放通道标志数。
寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。
以下是简易数字电压表的单片机控制源程序：
#include
#include//延时函数用
#defineaddataP0//模拟电压数据采集入口
#defineDisdataP1//显示数据段码输出口
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitSTART=P2^4;//启动一次转换位
sbitALE=P2^3;//地址锁存位
sbitOE=P2^5;//0809输出控制位
sbitEOC=P3^7;//A/D转换结束标志位
sbitDISX=Disdata^0;//LED小数点控制位
sbitk1=P3^5;//循环/单路选择控制位
sbitk2=P3^6;//显示通道控制位
sbitA=P2^0;
sbitD=P2^1;
sbitC=P2^2;
ucharcodedis_7[11]={0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,0x41,0x1F,0x01,0x09,0xFF};
/*共阳8段LED数码管段码表0.1.2.3.4.5.6.7.8.9.不亮*/
ucharcodescan_con[4]={0xf1,0xf2,0xF4,0xF8};
//四位数码管数值动态扫描显示控制
uchardataad_data[8]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
//定义8个数据内存单元
uintdatadis[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
//定义4个显示数据单元和1个数据存储单元
/**********1ms延时子函数***********/
delaylms（uintt）//t=1
{
uinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<100;j++）
;
}
/************显示扫描子函数***************/
scan（）
{
uchark,n;
inth;
dis[3]=1;//通道初值为1
for（n=0;n<8;n++）//每次显示8个数据
{
if（k2==0）break;
dis[2]=ad_data[n]/51;
dis[4]=ad_data[n]%51;//余数暂存
dis[4]=dis[4]*10;//计算十位
dis[1]=dis[4]/51;
dis[4]=dis[4]%51;
dis[4]=dis[4]*10;//计算百分位
dis[0]=dis[4]/51;
for（h=0;h<100;h++）
//每个通道显示时间控制约为一秒
{
if（k2==0）break;
for（k=0;k<4;k++）//4位LED扫描控制
{
if（k2==0）break;
Disdata=dis_7[dis[k]];
if（k==2）
{
DISX=0;
}
P3=scan_con[k];//P3.0-P3.3控制四个数码管的输出
delaylms（3）;
P3=0xff;
}
}
if（k2==1）dis[3]++;
if（dis[3]>=8）dis[3]=0;
}
}
/*************通道选择函数*********************/
tongdao（）
{
uintm,i,n;
dis[2]=ad_data[n]/51;
dis[4]=ad_data[n]%51;//余数暂存
dis[4]=dis[4]*10;//计算十分位
dis[1]=dis[4]/51;
dis[4]=dis[4]%51;
dis[4]=dis[4]*10;//计算百分位
dis[0]=dis[4]/51;
for（m=0;m<100;m++）//每个通道显示时间控制约为一秒
{
if（k2==0）break;
for（i=0;i<4;i++）//4位LED扫描控制
{
Disdata=dis_7[dis[i]];
if（i==2）
{
DISX=0;
}
P3=scan_con[i];//P3.0-P3.3控制四个数码管的输出
delaylms（3）;
P3=0xff;
}
}
}
/*************0809A/D转换子函数*******************/
test（）
{
ucharm;
for（m=0;m<8;m++）
{switch（m）
{
case0:
{A=0;D=0;C=0;break;}
case1:
{A=1;D=0;C=0;break;}
case2:
{A=0;D=1;C=0;break;}
case3:
{A=1;D=1;C=0;break;}
case4:
{A=0;D=0;C=1;break;}
case5:
{A=1;D=0;C=1;break;}
case6:
{A=0;D=1;C=1;break;}
case7:
{A=1;D=1;C=1;break;}
}
START=1;
ALE=START;//转换通道地址锁存
_nop_（）;
_nop_（）;
START=0;
ALE=0;//开始转换命令
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;//延时8US
while（EOC==0）
{
_nop_（）;
}//等待转换结束
OE=1;
ad_data[m]=addata;
delaylms
（1）;
OE=0;
}
}
/************************主函数***************************/
main（）
{
uintn,m;
P0=0xff;//初始化窗口
P1=0x00;
P3=0xff;
while
（1）
{
if（k2==0）
{
while
（1）
{
test（）;
for（m=0;m<250;m++）
{
n=k2;
tongdao（）;
if（k1==0）break;
if（k2==0）break;
}
if（n==1）
{
if（k2==0）dis[3]++;
}
if（dis[3]>=8）dis[3]=0;
if（k1==0）break;
}
}
else
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