单片机简易电压表课程设计.docx
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单片机简易电压表课程设计
成绩
课程设计报告
题目简易数字电压表
课程名称单片机原理及接口技术
院部名称龙蟠学院
专业M电气工程及其自动化
班级M09电气工程及其自动化Ⅱ班
学生姓名XXX
学号09XXXXXXXXXX
课程设计地点C314
课程设计学时16学时
指导教师姜玉东
金陵科技学院教务处制
1绪论
随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
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。
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。
本章重点介绍单片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，展示出强大的生命力。
2.设计目的及要求
2.1设计目的
（1）.熟悉单片机系统综合设计方法。
（2）.掌握数码管的动态显示原理。
（3）.掌握ADC0808的工作原理。
2.2.设计要求
数字电压表的基本原理，是对直流电压进行模数转换，其结果用数字直接显示出来，按其基本工作原理可分为积分式和比较式。
基本要求：
简易数字电压表可以测量0-5V的单通道输入电压值，并在四位LED数码管上显示相应的通道和电压值。
测量最小分辨率为0.019V，测量误差约为±0.02V。
扩展要求：
系统能进行单路/多通道选择，多路转换时要求在LED上轮流显示各路电压值。
3.硬件设计
3.1方法选择
实现数字电压表的方案较多，目前广泛采用的是基于74系列逻辑器件方案。
74系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采样电路+数据处理实现，被测电压信号有信号输入端加到测量系统，进行预处理后送到后级电路。
单片机系统方案此方案采用输入处理电路+ADC0808+AT89C51+液晶显示实现，被测信号由ADC0808模拟输入端输入，单片机采集转换数据，将这转换数据送出显示。
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。
我们做好了现在的电路图，进过仿真，我们达到了预期的结果。
3.2．方案设计
经过以上方法设计，决定采用如图1-1所示方案流程图
图1-1
设计模块说明：
本设计方案主要有四大模块：
（1）LED显示模块
（2）时钟复位电路
（3）ADC0808数模转换模块
（4）AT89C51单片机控制模块
3.3.硬件电路设计
3.3.1.AT89C51单片机简单概述
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3-2所示。
图3-2AT89C51芯片模型
3.3.2.AT89C51主要功能特性
（1）4K字节可编程闪烁存储器。
（2）32个双向I/O口；128×8位内部RAM。
（3）2个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz。
（4）可编程串行通道。
（5）5个中断源。
（6）2个读写中断口线。
（7）低功耗的闲置和掉电模式。
（8）片内振荡器和时钟电路。
3.3.3.AT89C51引脚介绍
89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，下面分别简单介绍。
（1）电源引脚
电源引脚接入单片机的工作电源。
Vcc（40引脚）：
+5V电源。
GND（20引脚）：
接地。
（2）时钟引脚
XTAL1（19引脚）：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。
XTAL2（20引脚）：
片内振荡器反相放大器的输出端。
图3-3电源接入方式
（3）复位RST（9引脚）
在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。
（4）
/Vpp（31引脚）
为外部程序存储器访问允许控制端。
当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在PC值超过0FFFH后将自动转向外部程序存储器。
当它为低电平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000H~FFFFH。
Vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。
（5）ALE/
（30引脚）
ALE为低八位地址锁存允许信号。
在系统扩展时，ALE的负跳沿江P0口发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器，然后再作为数据端口。
为该引脚的第二功能，在对片外存储器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。
（6）
（29引脚）
片外程序存储器的读选通信号。
在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。
（7）pin39-pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口。
P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。
内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。
通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。
在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，不需要外接上拉电阻。
（8）Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口。
P1口能驱动4个LSTTL负载。
（9）Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口。
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
（10）Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口。
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。
3.3.4.时钟电路与复位电路的设计
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向放大器，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己振荡。
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，对振荡频率有微调作用。
调节它们可以达到微调振荡周期fosc的目的。
单片机的RET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电路和手工复位电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。
复位以后，单片机内部各部件恢复到初始状态。
硬件图如图1-3所示
图1-3
时钟电路如图1-3左上角所示，复位电路如图1-3左半部分图所示，本电路采用手动复位
3.3.5模数转换芯片ADC0808及其内部结构
ADC0808是一种典型的A/D转换器。
它是由8位A/D转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成；+5V单电源供电，转化时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。
芯片模型如图3-4所示。
图3-4ADC0808芯片模型
3.3.6.ADC0808引脚简介
（1）IN0~IN7：
8路模拟量输入端。
（2）D0~D7：
8位数字量输出端口。
（3）START：
A/D转换启动信号输入端。
（4）ALE：
地址锁存允许信号，高电平有效。
（5）EOC：
输出允许控制信号，高电平有效。
（6）OE：
输出允许控制信号，高电平有效。
（7）CLK：
时钟信号输入端。
（8）A、B、C：
转换通道地址,控制8路模拟通道的切换。
A、B、C分别与地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，A、B、C=000~111分别对应IN0~IN7通道的地址端口。
3.3.7.A/D转换原理
A/D转换由集成电路0808完成，0808具有8路模拟输入端口，地址线（23~25脚）可决定那一路模拟输入做A/D转换。
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。
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
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转换数据从端口输出10脚为0808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P2.1~P2.3端口作为三位LED数码管显示控制，P1端口作A/D转换数据读入，P0端口用于数码管的显示。
A/D转换电路如图1-4所示。
图1-4A/D转换电路
如图1-4所示，ADC0808的23~25脚接地，控制IN0为输入端。
图上方的电源和滑动变阻器来模拟电压的输入，经过A/D转换后从OUT口输出送入AT89C51的P1口。
3.3.8.数码管动态原理
动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
显示电路如图1-5所示
图1-5显示电路
4.软件电路设计
4.1．主程序流程图
主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。
另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00H位通过单路、循环按键控制。
流程图如图4-1所示。
如图2-1所示
图2-1
4.2.显示子程序流程图
A/D转换子程序用于对ADC0808的4路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换的数值存入4个相应的存储单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图4-2所示。
如图2-2所示
图2-2
4.3.A/D转换测量流程图
如图2-3所示
图2-3A/D转换子程序
5系统仿真与调试
本设计应用Proteus和KEIL51软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus软件画出电路模型，关于这个软件的使用通过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后测试仿真成果图电压如3-1,3-2所示
图3-1
图3-2
6．总结
经过努力终于设计成功，LED的显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎一致，误差完全在合理的范围之内。
由于仪器误差，LED显示最大值只能是4.9V，离标准最大值5.0V已经不远，达到预期目的，设计成功。
本设计参考了89C51与ADC0809转换的接口连线，设计出电路图的连线，从并中理解了许多基本的知识和接线方法，在程序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开始时四个数码管根本不显示，后来发现用的是共阴极的数码管，而设计是共阳极的，更换后数码管终于显示，但问题又出现了，单路显示和循环显示的开关不能控制电路的单路显示和循环显示，经过仔细地检查电路和修改程序，采用中断的方法，产生一次外部中断0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换的模拟通道相应的加一，如果按下循环按键就返回循环显示的程序，功夫不负有心人，最后终于调试成功。
在此再次向带领我们这次课程设计的老师和其他小组组员说声：
谢谢！
7参考文献
[1]蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:
重庆大学出版社.出版时间:
2005
年1月第2次印刷
[2]8051实验指导书电子电气综合实训系统.出版社:
北京精仪达盛科技有限公司
[3]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）[M].北京:
北京航空航天大学出版
社,2004
[4]吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:
清华大学出版社,2002
[5]张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.第一期
[6]高峰.单片微型计算机与接口技术[M].北京科学出版社,2003.
附录1程序清单
LED_0EQU30H
LED_1EQU31H
LED_2EQU32H
ADCEQU35H
STBITP3.2
OEBITP3.0
EOCBITP3.1
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0030H
MAIN:
MOVLED_0,#00H
MOVLED_1,#00H
MOVLED_2,#00H
SETBP3.4
SETBP3.5
CLRP3.6
WAIT:
CLRST
SETBST
CLRST
JNBEOC,$
SETBOE
MOVADC,P1
CLROE
LCALLCONVERT
LCALLDISPLAY
SJMPWAIT
CONVERT:
MOVA,ADC
MOVB,#51
DIVAB
MOVLED_2,A
MOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10
MULAB
MOVB,#51
DIVAB
JBF0,LOOP3
ADDA,#5
LOOP2:
MOVLED_1,A
MOVA,B
CLRF0
SUBBA,#1AH
MOVF0,C
MOVA,#10
MULAB
MOVB,#51
DIVAB
JBF0,LOOP3
ADDA,#5
LOOP3:
MOVLED_0,A
RET
DISPLAY:
MOVA,LED_0
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
SETBP2.3
MOVP0,A
LCALLDELAY
CLRP2.3
MOVA,LED_1
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
SETBP2.2
MOVP0,A
LCALLDELAY
CLRP2.2
MOVA,LED_2
MOVDPTR,#TABLE2
MOVCA,@A+DPTR
SETBP2.1
MOVP0,A
LCALLDELAY
CLRP2.1
RET
DELAY:
MOVR6,#10
MOVR7,#250
DJNZR7,$
DJNZR6,D1
RET
TABLE:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H
DB92H,82H,0F8H,80H,90H
TABLE2:
DB40H,79H,24H,30H,19H,12H
END
附录2系统硬件图
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