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简易数字电压表

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。

本次做的数字式温度控制器是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、BCD-锁存/7段译码/ADC0809A/D转换器等），再配以相应的软件，达到制作简易数字式温度控制器的目的，其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。

【关键词】单片机AT89C51，LED数码管，BCD锁存/7段译码，A/D转换器

摘要1

第一章设计方案3

1.1设计方案比较3

1.2设计思路4

第二章硬件设计5

2.1ADC0809与89C51的接口电路5

2.2主控芯片7

2.3系统主控电路8

2.4A／D采样电路9

2.532路接口电路12

2.6显示电路13

2.7信号调理电路14

第三章软件设计15

3.1各部分任务分配15

3.2程序流程图16

3.3参考程序17

3.4调试提示20

3.5原理图及PCB板图22

第四章设计主要芯片介绍25

4.1AT89C5125

4.2ADC080927

结束语31

谢辞32

参考文献2

第一章设计方案

1.1设计方案比较

1.1.1方案一

采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

1.1.2方案二

采用集成的单片机主控，通过温度传感器、 A/D转换采集数据信息，经过含有单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。

原理框图如图一所示：

图1.1方案二框图

1.1.3方案三

此方案是在方案二的基础上改进的，温度信号的输入处理过程与方案二是相同的，框图如图二所示：

图1.2方案三框图

综上所述，方案三电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标多，在操作运行上更胜一筹，简单明了，所以我们选择第三种方案。

1.2设计思路

本设计采用AT89C51单片机。

AT89C51单片机是Atmel公司的产品，与Intel公司的MCS51系列兼容。

在AT89C51单片机内部有作为程序存储器的Flash存储器，其兼容为4KB，可以承受不低于1000次的反复擦写，调试比较方便。

在温度测量时，需要将温度的变化转换为对应电压信号的变化，这就需要借助温度传感器。

在设计中选用负温度系数热敏电阻作为温度传感器。

当温度升高时，负温度系数热敏电阻的阻值变小；相反，温度下降时阻值变大。

将热敏电阻的阻值变化转换为相应的电压变化，需要一个转换电路。

则采用电桥式转换电路，将热敏电阻与3个普通电阻组成桥式电路，当温度变化时，电桥的输出电压信号随之变化。

由于电桥输出的电压信号幅值较低，要经过放大电路之后才能满足A/D转换器对输入电压的要求。

桥式电路与放大电路共同构成测温电路。

测温电路输出的电压信号为模拟信号，需要经过A/D转换器转换成数字量后才能被单片机识别。

则本设计采用8位A/D转换器ADC0809集成电路芯片。

AT89C51单片机控制ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号，并根据这个数字信号查表取得相应的温度值，送到数码管显示。

根据设计要求，采用3位LED数码管显示当前温度值,采用动态方式显示,直接从I/O口送出七段码

据设计要求是32路的温度采集,采用芯片的借口不够用则使用多路模拟开关AD7506两片扩展接口电路

第二章硬件设计

2.1ADC0809与89C51的接口电路

2.1.1接口连接电路

图2.1ADC0809与89C51的接口电路

2.1.2接口连接电路介绍

ADC0809有IN0～IN7共8条模拟信号输入线，可以分时处理8路模拟输入信号。

为了区分是哪一路输入信号进行A/D转换，由3个通道地址信号ADD-A、ADD-B和ADD-C来决定是哪一上模拟信号被选中并送到内部的A/D转换器去转换。

ADD-A、ADD-B和ADD-C一般与DB0、DB1、DB2相连，如图所示，也可以与AB0、AB1、AB2相连接。

当地址锁存信号ALE为高电平时，ADD-C、ADD-B、ADD-A三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码后选取中某一通道。

当ALE=0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。

选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换，START的上升沿复位ADC0809。

地址锁存信号ALE和围拢启动信号端START由WR信号和地址信号相或非后产生。

ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的。

ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640kHz，在这个最高频率下，ADC0809的A/D转换时间为100μs左右。

当ADC0809用于89C51单片机系统时，若89C51采用6MHz的振晶，则ADC0809的时钟信号可以由89C51的ALE经过一个二分频电路获取。

这时ADC0809的时钟频率为500kHz，A/D转换时间为130μs。

A/D转换结束后，A/D转换期间，EOC维持低电平，当A/D转换结束时，EOC变成高电平。

需要主意的是，ADC0809的START端收到下降沿后，并没有立即进行A/D转换，EOC=1，而是延迟10μs后，才开始A/D转换结果的方法有三种：

A/D转换结束后，A/D转换期间，EOC维持低电平，当A/D转换结束时，EOC变成高电平。

需要主意的是，ADC0809的START端收到下降沿后，并没有立即进行A/D转换，EOC=1，而是延迟10μs后，才开始A/D转换结果的方法有三种：

延迟法：

单片机启动ADC0809后，延时130μs以上，可以读到正确的A/D转换结果，此时EOC悬空。

查询法：

EOC必须接到89C51的一条I/O线上。

单片机启动ADC0809后，延迟10μs，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC，直到EOC=1。

当EOC=1时，A/D转换已经结束，单片机读取A/D转换结果。

中断法：

EOC必须经过非门接到89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，89C51的中断触发方式为下降沿触发。

单片机启动A/D转换后可以做其他工作，当A/D转换结束时，EOC由0变1经过非门传到INT端，89C51收到中断请求信号，若89C51开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换结果。

2.2主控芯片

2.2.1芯片内部结构

图2.2芯片内部结构

2.2.2芯片说明

AT89C51是一种带有4KB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，可为很多嵌入式控制系统提供灵活且价廉的方案。

AT89C51数据总线是由P0口提供的，P0口本身能以多种方式提供数据总线和地址总线。

当ALE输出信号为高电平时，P0将输出的数据锁入总线驱动器中作为地址的低8位，然后和P2送出来的高8位地址一起组成一个完整的16位地址,采用AD7506两片分别为高16位和低16位构成32地址,以寻址到外部的64KB的地址空间。

AT89C51的地址总线比较简单（只有3个：

RD、WR、PSEN），其中RD是用来读取外部数据内存的控制线，WR是用来写数据到外部数据内存的控制线，PSEN是用来存取外部程序内存的读取控制线。

由于P0口是数据和地址分时复用口，故要进行地址锁存，本设计使用74HC373作为锁存器。

2.3系统主控电路

2.3.1主控电路图

图2.3主控电路图

2.3.2主控基本原理

本系统的硬件电路原理如图1所示。

因为ADC0809的地址选择端A、B、C都接地，所以ADC0809的数据采集通道只有IN0被选通。

16路模拟信号连接到多路选择模拟开关AD7506后，即可通过地址选择端A、B、C、D进行选择，每一次选通一路，选通的通道经OUT和ADC0809的IN0相连，以进行A／D转换。

P2．7（地址总线最高位A15）可作为A／D转换的启动开关，P2．7为低电平有效。

在启动A／D转换时，可由写信号WR和P2．7控制ADC0809的地址锁存和转换启动。

而在读取转换结果时，则由读信号RD和P2．7控制ADC0809的OE信号。

若令P2．7为0，74HC373的A、B、C、D即可给出被选择的模拟通道的地址，此时若ABCD=0000，则16路信号的100被选通，并将其数据送到ADC0809的IN0中，地址是7FF0H；若ABCD：

1111，地址为7FFFH，则指向IO15。

所以，16路信号依次对应的地址为7FFOH～7FFFH，同理连接两片AD7506组成32路信号进行转换，转换完成后，数据将保存到一数组中，直到当上位PC机通过串行口发信号时，AT89C51通过检测地址是否和本机地址相符来作出动作。

如果地址相符，则发送A／D转换结果，如不相符，则继续等待。

2.4A／D采样电路

2.4.1A/D转换的原理

ADC0809是美国NS公司生产的CMOS组件，是一种8路输入单片模数转换器件，采用逐位逼近式A／D转换原理，它的输出输人接口全部为TTL电平，数据输出口线为三态，可以直接接到微机系统总线上，而无需另加I／O接口芯片。

由于本设计中使用16选1模拟开关来组成32路模拟开关进行信号的选择，因此，ADC0809的信号选择功能就不使用了，设计时把ADC0809的地址选择端A、B、C都接地，即ABC=000，这样，选通通道始终是IN0。

将EOC通过非门连接到AT89C51的INT0脚，可通过查询方式来检测转换是否完成。

由于ADC0809的典型工作频率640kHz不太容易得到，所以通常使用相近频率且容易获得的信号进行替代。

本设计中，单片机的晶振频率6MHz，ALE信号输出为晶振频率的六分之一（即2MHz、），可将该2MHz经过74HC90二分频后得到500kHz信号来给ADC0809使用。

2.4.2A/D转换的硬件电路

图2.4基于单片机的A/D转换图

2.4.3硬件说明

由于本设计中使用16选1模拟开关来进行信号的选择，因此，ADC0809的信号选择功能就不使用了，设计时把ADC0809的地址选择端A、B、C都接地，即ABC=000，这样，选通通道始终是IN0。

将EOC通过非门连接到AT89C51的INT0脚，可通过查询方式来检测转换是否完成。

由于ADC0809的典型工作频率640kHz不太容易得到，所以通常使用相近频率且容易获得的信号进行替代。

本设计中，单片机的晶振频率12MHz，ALE信号输出为晶振频率的六分之一（即2MHz、），可将该2MHz经过74HC74四分频后得到500kHz信号来给ADC0809使用。

2.4.4A/D转换的技术指标

分辨率

以输出二进制数的位数表示分辨率。

位数越多，误差越小，转换精度越高。

转换速度

完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。

相对精度

实际转换值和理想特性之间的最大偏差。

其它

功率、电源电压、电压范围等。

2.4.5A/D转换的分类

A/D转换器种类很多，按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。

所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。

其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。

其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。

有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能，使用十分方便。

按工作原理分主要有以下五种：

计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、三次积分式A/D变换器、逐次逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。

计数式A/D转换器结构简单，但转换速度慢，所以很少采用。

双积分式A/D转换器抗干扰能力强，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。

逐次逼近式A/D转换器的结构不太复杂，转换速度也高，所以在单片机控制系统中被广泛采用。

并行A/D转换器的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合。

根据输出数字量的位数，ADC芯片又分为八位，（如ADC0809，ADC0816），10位（如ADS820U，ADS901E等），12位（如AD574A，ADC1210等）和16位（如ADS8401IPFBT，ADS8342IBPFBT等）。

2.4.6A/D转换的原则

根据前向通道总误差选精度及分辨率

根据信号变化率选转换速度

环境参数

微机接口要求

2.532路接口电路

2.5.1接口硬件电路

图2.532路接口电路

2.5.2功能介绍

AD7506的扩展当模拟量输入通道较多，一片多路开关不够用时，可以把多片多路开关连在一起，构成更多通道的多路开关。

在图中，P1.0～P1.4中是由并行I/O口输出的通道选择信号，其中的P1.0～P1.3分别接到两片AD7506的A0～A3，当P1.3～P1.0在0000～1111之间变化时，可以选择16个通道。

P1.4用来控制两片多路开关的允许端EN，当P1.4等于零时，允许上面的一片禁止下面的一片，可以选择IN1～IN16中的某个通道，当P1.4等于一时，允许下面的一片禁止上面的一片，可以选择IN17～IN32中的某个通道。

2.6显示电路

2.6.1显示电路结构图

图2.6显示电路图

2.6.2显示基本原理

显示电路由P2.0P2.1和P2.2担任.位控电流较大,每一位用一只小型PNP三极管连接在数码管的俩个公共端,当P2.0P2.1和P2.2中的一个引脚为低电平时,相应的数码管就会显示P1口送来的内容

2.7信号调理电路

2.7.1LM324

LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。

，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。

电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。

它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。

每一组运算放大器可用如图九（a）所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324引脚排列见图九（b）lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。

lm124是军品；lm224为工业品；而lm324为民品。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中。

图（a）图（b）

图2.7LM324

2.7.2调理电路基本原理

本系统要求有32路模拟信号输入，而且必须将这些信号互相隔离，然后才能对这些信号逐一选通后进入A／D转换。

为此，本系统选用了16选1多路模拟开关AD7506进行连接组成32路选1多路模拟开关。

一般传感器的输出信号都比较微弱，要将该微弱信号转换成有用的信号以便于后期使用，就要加入信号调理电路，其作用是进行信号放大和去除干扰等。

本设计中的信号输入每路都大约为0～10mV．但ADC0809的输入要求是0.5～4.4V，因此选用运算放大器LM324来进行信号放大。

LM324是一种精密运算放大器，它使用双极性电源供电，精度较高，放大倍数约为500，可把0～10mV信号放大到0.5～4.4V。

使用LM324的信号调理电路如图十所示。

图2.8调理电路

第三章软件设计

3.1各部分任务分配

1.1主程序负责对系统初始化,包括中断设置,定时器设置和启动第一次A/D转换.

1.2定时器T0中断服务程序负责动态显示,定时器依次将个,十,百位显示缓冲单元的数据送相应的数码管.程序中这3个缓冲单元为30H（个位）31H（十位）32H（百位）.

1.3外中断INT0中断服务程序负责控制A/D转换,启动下一次转换,取得转换结果变换成3位BCD码并将其存放在个十百位三个显示缓冲单元.

3.2程序流程图

图3.1程序流程图

3.3参考程序

1.13位显示12ms循环一次，每位显示4ms。

计算定时器初值：

晶振频率6MHz，每机器周期2，定时器采用方式1即16位方式。

初值X=65535-4000/2=63536=F830H。

1.230H、31H、32H作为显示缓冲单元分别存放个、十、百位的BCD码。

1.3程序中第二组表格电压-温度表TAB2是假设数据，制作时应标定。

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG000BH

AJMPDISP

ORG0013H

AJMPAD

MAIN：

SETBIT0；设置INT0为边沿触发方式

MOVIE，#83H；INT0、T0中断开放

MOVIP，#02H；T0高级优先

MOVTMOD，#01H；设置T0为方式2

MOVTL0，#30H；T0设初值

MOVTH0，#0F8H

SETBTR0；启动T0

MOV30H，#0；3个显示缓冲单元清0

MOV31H，#0

MOV32H，#0

MOVA，#0；启动第一次A/D转换

MOVR0，#0

MOVX@R0，A

SJMP$；原地踏步

T0中断显示

显示缓冲百32H十31H个30H

DISP：

MOVTL0，#30H；T0重设初值

MOVTH0，#0F8H

MOVP2，#0FFH；显示全关

CJNER2，#00H，DISP1；显示个位

MOVP1，30H

CLKP2.0

INCR2

AJMPDISP3

DISP1：

CJNER2，#01H，DISP2；显示十位

MOVP1，31H

CLKP2.1

INCR2

AJMPDISP3

DISP2：

MOVP1，32H；显示百位

CLRP2.2

MOVR2，300H

DISP3：

RETI

；INT0中断，A/D转换完成

AD：

MOVR0，#00H；读取A/D转换结果

MOVXA，@R0

MOVB，A

MOVA，#0；启动下一次A/D转换

MOVX@R0，A

MOVA，B

MOVDPTR，#TAB2；指向电压-温度表

MOVCA，@A+DPTR；查出温度值

MOVB，#64；取得百位BCD码

DIVAB

MOVDPTR，#TAB1

MOVCA，@A+DPTR；查对应的七段码

MOV32H，A；七段码存入百位显示缓冲

MOVA，B；取得十、个位BCD码

MOVB，#0AH

DIVAB

MOVCA，@A+DPTR；取得十位七段码

MOV31H，A

MOVA，B；取得个位七段码

MOVCA，@A+DPTR

MOV30H，A

RETI

两组表格，TAB1：

七段码表

TAB2：

电压-温度表

TAB1：

DB0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H

DB92H，82H，0F8H，80H，98H

TAB2：

DB00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H

3.4调试提示

温度采集显示系统制作完成后，需进行调试。

调试过程主要完成如下：

3.4.1测温电路标定

测温电路电压输出范围调整。

将传感器置于0度的环境中，调整RP1和RP2，使运放LM324的输出在0.5V。

再将传感器置于100度的环境中，调整RP2，使LM324的输出在4.4V。

反复以上调试过程，直到传感器置于0～100度的环境中不调整电位器，LM324的输出分别为0.5V和4.4V左右。

制作温度-电压表。

将传感器分别置于0、10、20、30、40、等不同的温度环境中测量相应温度下LM324的输出电压。

其他90个温度值对应的电压用插值计算得到。

3.4.2程序中电压-温度表的设计

A/D转换器ADC0809将运放LM324的输出电压转换成十六进制数值，这个数值在程序中作为以TAB2表头为基址的相对地址。

TAB2填写的内容是对应电压（相对地址）度值，其数值为0～100（或00H～64H），即0～100度的101个值。

例如：

20度时LM324的输出电压为0.8V，则

（0.8÷5）×2=40.96≈41

式中，0.8——0.8v电压；

5——ADC0809的参考电压为5v

——ADC0809是8位的A/D转换器，最大值为2

；

在TAB2中的第41个位置上填写相应位上填写相应温度值20或14H。

3.5原理图及PCB板图

3.5.1总原理图如下图十二

图3.2总原理图

第四章设计主要芯片介绍

4.1AT89C51

4.1.1引脚图

图4.1AT89C51引脚图

4.1.2引脚功能介绍

AT89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。

它由一个8位CPU，一个内振荡器和时钟电路，4KB的ROM程序存储器，128B的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器，两个16位的定时器/计数器，可寻址的64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路，32条可编程的I/O口线（4个8位并行I/O端口P0、P1、P2、P3），一个可编程的全双工串行口，具有5个中断源、2个优先级的终端结构组成。

引脚功能如下：

I/O线：

4.2ADC0809

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。

4.2.1ADC0809的内部逻辑结构

图4.2ADC0809的内部逻辑结构

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

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。

数字量输出及控制线：

11条

ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

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