简易电压表的设计论文.docx

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简易电压表的设计论文

毕业设计（论文）

摘要

单片计算机即单片微型计算机。

（Single-ChipMicrocomputer）,是集CPU,RAM,ROM定时，计数和多种接口于一体的微控制器。

它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。

近年来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。

而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。

简易电压表是利用模拟量转换成数字量经单片机处理并反映在显示器上，它可以分析5V的电压，并能用该电压表可测出该电路的电流和电阻值。

本文介绍了电压表的使用和开发环境，仿真系统和开发使用的MCS-51系列的单片机芯片。

在第二章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性。

关键词:

电压表、单片机技术、A/D转换

Abstract

Withtheinfiltrationinthesocialfieldofthecomputerinrecentyears,theapplicationoftheone-chipcomputerismovingtowardsdeepeningconstantly,drivetraditionisitmeasurecrescentbenefittoupgradedaytocontrolatthesametime.Inmeasuringinrealtimeandautomaticallycontrolledone-chipcomputerapplicationsystem,theone-chipcomputeroftenusesasakeypart,onlyone-chipcomputerrespectknowledgeisnotenough,shouldalsofollowthestructureoftheconcretehardware,anddirectagainstandusethesoftwareoftarget'scharacteristictocombineconcretly,inordertodoperfectly.

Thepressuresystemofmuchpasswaysofsimulationutilizesthepressuresensortogatherthepressureatpresentandreflectbydisplay,itcananalyseexcessiveChengofthepressure,sendsoutandreportstothepolice.Itcanbeaccordingtoinputtingtheamountofmoneyofcalculatingouttheobjectwithaccurateunitpricetoadopttheprincipleoftheelectronicscale.

Thistexthasintroducedtheresearchmeaningofthissystemanddevelopmentenvironmentusedintheintroductionatfirst,artificialsystemofthebiggoodfortuneanddevelopingtheone-chipcomputerchipofMCS-51seriesused.Havedescribedtheoveralldesignprocessinchaptertwo,haveconfirmedchapterthreeofchoiceoftechnicalindicatoranddevicehasdescribedemphaticallythatdesignstheblockdiagramandvariouskindsofchipfunctionsandcharacteristicsusedincircuitdesignofthesystematichardware,hardware,haveanalyzedthedesigncourseofthesoftwareespeciallyinchapterfour.

Keyword:

Electricvoltageform,technologyoftheone-chipcomputer,A/Dchange

目录

引言……………………………………………………………………………………4

1核心芯片简介…………………………………………………………………………5

1.1ADC0804简介………………………………………………………………………5

1.2ADC0804芯片外引脚名称及意义…………………………………………………5

1.3ADC0804在使用时应注意以下几点………………………………………………5

1.4ADC0804的典型应用………………………………………………………………6

2AT89S51简介…………………………………………………………………………8

2.1AT89S51芯片的引脚及特点………………………………………………………8

2.2AT89S51的主要性能参数…………………………………………………………11

2.3AT89S51的新功能…………………………………………………………………11

3方案设计………………………………………………………………………………12

4软硬件设计……………………………………………………………………………13

4.1硬件电路设…………………………………………………………………………13

4.2单片机AT89S51外围电路设计……………………………………………………13

4.3ADC0804LCN与单片机的接口设计………………………………………………14

4.4显示设计……………………………………………………………………………14

4.5电源设计……………………………………………………………………………14

5结论……………………………………………………………………………………15

6致谢……………………………………………………………………………………15

7参考文献………………………………………………………………………………16

附录一设计总电路图…………………………………………………………………17

附录二设计总PCB图…………………………………………………………………18

附录三电压表源程序…………………………………………………………………19

引言

电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。

在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。

考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。

此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调制度等都可视为电压的派生量。

所以电压的测量是其它许多电参量，也包括非电量测量的基础。

电压是基本的电参数，其它许多电参数可看作电压的派生量，由于电压测量方便，因此电压测量是电子测量中最基本的测量。

按测量结果的显示方式可将电子电压表分为模拟式和数字式两大类。

数字式电压表的核心是A/D转换器，A/D转换器最基本的两种类型是积分型和比较型。

前者抗干扰能力强，测量精度高，但测量速率低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。

总的来说，积分型特别是双斜积分式DVM性能较优，应用较广泛。

数字电压表除具有一般的所具有的准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性等优点，因而体积小，可靠性好，操作简便，由于数字电压表具有上述这些优点，使得它获得越来越广泛的应用。

使用数字万用表的注意事项：

（1）要注意该电压表的量程，切误测量比额定值大。

（2）电压表使用或存放应避免高温、寒冷、阳光直射、高湿度及强烈振动环境。

（3）为了延长电池的使用寿命，每次用完时应将电源拨断开。

长期不用，要取出电池，以防止电池漏出电解液而腐蚀电池盒。

1核心芯片简介

1.1.0ADC0804简介

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。

分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。

该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。

所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。

信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。

1.2ADC0804芯片外引脚名称及意义：

ADC0804芯片外引脚图如图1、2所示，引脚名称及意义如下：

图1

1.ADC0804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。

2.A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。

3.AGND：

模拟信号地。

4.DGND：

数字信号地。

5.CLKIN：

外电路提供时钟脉冲输入端。

6.CLKR：

内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。

7.CS：

片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。

WR：

写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。

。

8.RD：

读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。

9.INTR：

转换结束输出信号，低电平有效。

输出低电平表示本次转换已完成。

该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。

10.WR：

用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（/CS=0时），当/WR由HI变，为LO时，转换器被清除：

当/WR回到HI时，转换正式开始。

11.VIN（+）VIN（-）:

差动模拟电压输入.输入单端正电压时,VIN（-）接地:

而差动输入时,直接加入VIN（+）VIN（-）.

12.VREF:

辅助参考电压

13.DB0~DB7:

8位的数字输出.

14.VCC:

电源供应以及作为电路的参考电压.

1.3ADC0804在使用时应注意以下几点：

（1）转换时序：

ADC0804控制信号的时序图如图3所示，由图可见各控制信号时序关系为：

当CS与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100模数完成转换，转换结

图2ADC0804引脚图图3ADC0804控制信号的时序图

果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。

如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。

（2）零点和满刻度调节

ADC0804的零点无需调整。

满刻度调整时，先给输入端加入电压VIN+，使满刻度所对应的电压值是

，其中Vmax是输入电压的最大值，Vmin是输入电压的最小值。

当输入电压VIN+值相当时，调整VREF/2端电压值使输出码为FEH或FFH。

（3）参考电压的调节

在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。

如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压VREF，以保证小信号输入时ADC0804芯片8位的转换精度。

（4）接地

模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。

A/D、D/A及取样－保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）。

在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。

地线的正确连接方法如图4所示。

图4线连接正确的地

1.4ADC0804的典型应用

图5单通道微机化数据采集系统示意图

在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、控制的目的，常用微处理器和A/D转换器组成数据采集系统。

单通道微机化数据采集系统的示意图如图5所示。

系统由微处理器、存储器和A/D转换器组成，它们之间通过数据总线（DBUS）和控制总线（CBUS）连接，系统信号采用总线传送方式。

现以程序查询方式为例，说明ADC0804在数据采集系统中的应用。

采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生CS1、WR1低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100μS后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并在INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。

当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时，立即执行输入指令，以产生CS、RD2低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。

整个数据采集过程中，由微处理器有序地执行若干指令完成。

2AT89S52简介

AT89S52美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP（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AT89C51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。

单片机AT89S51强大的功能可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2.1AT89S52芯片的引脚及特点

AT89S52芯片的引脚结构如图2.2.1所示：

（1）功能特性概括:

AT89S52提供以下标准功能：

40个引脚、8KBytesFlash片内程序存储器、256Bytes的随机存取数据存储器（RAM）、32个外部双向输入/输出（I/O）口、5个中断优先级2层中断嵌套中断、2个数据指针、2个16位可编程定时/计数器、2个全双工串行通信口、看门狗（WDT）电路、片内振荡器及时钟电路。

此外，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时/计数器、串行通信口、外中断系统可继续工作。

掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

（2）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，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”时，被定义为高阻输入。

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口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口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（I

）。

在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。

部分端口还有第二功能,如表1所示:

端口引脚

第二功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MISO（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

表1P1口部分引脚第二功能

P2口:

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口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（I

）。

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位地址的外部数据寄存器（例如执行MOVX@Ri指令）时,P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容）,在整个访问期间不改变。

在Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口:

P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口,P3口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P3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入口使用时,被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I

）。

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,如表2所示:

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。

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表2P3口引脚第二功能

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的高电平时间将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE/

:

当访问外部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。

即使不访问外部寄存器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

值得注意的是:

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（

）。

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,只要一条MOVX和MOVC指令才会激活ALE。

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无效。

：

程序存储允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时,每个机器周期两次

有效,即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器时,没有两次有效的

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）。

需要注意的是:

如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端保持高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程期间，该引脚用于施加+12V编程电压（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。

XTAL2：

反向振荡放大器器的输出端。

（3）晶体振荡器特性：

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。

这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。

如果使用石英晶体,电容应该使用30pF

10pF。

还可以使用外部时钟。

这种情况下,外部时钟脉冲接XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2应悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

2.2AT89S52的主要性能参数：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容。

（2）8K字节在系统可编程（ISP）Flash闪速存储器。

（3）1000次擦写周期。

（4）4.0—5.5V的工作电压范围。

（5）全静态工作模式：

0Hz--33Hz。

（6）三级程序加密。

（7）128x8字节的内部RAM。

（8）32个双向可编程I/O口线。

（9）2个16位可编程定时/计数器。

（10）6个中断源。

（11）全双工UART串行通道。

（12）低功耗空闲和掉电模式。

（13）中断可从空闲模式唤醒系统。

（14）看门狗（WDT）及双数据指针。

（15）掉电标识和快速编程特性。

（16）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）。

2.3AT89S52的新功能：

AT89S52兼容标准MCS-51指令系统及AT89C52引脚结构，它相对于AT89C52增加的新功能包括：

（1）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。

是一个强大易用的功能。

（2）最高工作频率为33MHz，AT89C52的极限工作频率是24M，所以AT89S52具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

（3）具有双工UART串行通道。

（4）内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C52那样外接看门狗计时器单元电路。

（5）双数据指示器。

（6）电源关闭标识。

（7）全新的加密算法，这使得对于AT89S52的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

（8）兼容性方面：

向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、AT89C51等早期MCS-51产品

3方案设计

使用ADC0804模拟/数字转换器芯片设计数字电压表电路。

该设计方案以单片机AT89S51为主控芯片，以ADC0804模拟/数字转换器芯片为核心转换模拟/数字量的芯片，组成数字电压表电路。

该电路能准确地测出所被测有效电压值、附加四位显示功能，可精确到有效电压值为0.01V。

该设计方案的接口电路如图3.1所示:

图3.1

4设计流程图

4.1总体设计流程图

4.2

AD转换关系设计流程图

5软硬件设计

5.1硬件电路设

该设计的硬件电路由主控部分（单片机AT89S51）、采集模拟量部分（A/D转换一路ADC0804）、显示部分（四位八段数码管）、电源部分由电脑USB（5V）供电4个部分组成。

各部分之间相互