基于单片机数字电压表的硬件设计.docx

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基于单片机数字电压表的硬件设计

论文题目：

基于单片机数字电压表的硬件设计

专业：

微电子学

本科生：

韦晓艳（签名）＿＿＿＿

指导教师：

王媛彬（签名）＿＿＿＿

摘要

本系统主要采用AT89C52芯片和ADC0809芯片来完成一个数字电压表设计，能够对输入的0～5V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的8段LED数码管进行轮流显示或单路选择显示，测量误差约为0.02V。

还可以与PC进行串行通信。

该电压表的测量电路主要由三个模块组成：

A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。

A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。

数据处理则由芯片AT89C52来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还通过P2端口控制着ADC0809芯片的模拟通道地址、A/D转换控制信号和时钟信号。

显示模块主要由8段数码管组成，显示测量到的电压值。

最终，该系统达到设计的目的，高精度的显示了所测量的电压值，并可以通过按键开关准确无误的轮流或单路显示8（IN0～IN7）个通道。

关键词：

数字电压表,单片机，A/D转换,LED数码管,数据处理

Subject:

Basedonsingle-chipdigitalvoltagemeterofthehardwaredesign

Specialty:

Microelectronics

Name:

WeiXiaoYan（Signature）＿＿＿＿

Instructor:

WangYuanBin（Signature）＿＿＿＿

ABSTRACT

InthesystemAT89C52chipandADC0809chiparemainlyusedtocompletethedesignofadigitalvoltagemeter,Themeasurementfromthedigitalvoltagemetercanbecarriedoutatthearrangeoftheinput0~5VanalogDCvoltage,and4throughaoneparagraph8digitaltubeLEDtaketurnstodisplaytaketurnsorone-waychoosetodisplay,themeasurementerrorisabout0.02V.ThesystemcanalsocommunicatewithPCserially.Itmainlyconsistsofthreemodules:

A/Dconvertermodule,dataprocessingmoduleandthedisplaycontrolmodule.ADC0809chipisemployedforA/Dconversion,anditisresponsibleforcollectinganalogsignalandconvertingtheanalogsignaltodigitalsignalandsendsdigitaldata-processingmodule.AT89C52isthecontrollerandinchargeofdataprocessing,theADC0809isresponsiblefortransmissiontodigitalbyacertaindegreeofdataprocessing;AnalogchanneladdressofADC0809chip,A/DconversioncontrolsignalandclocksignalareallcontrolledbytheP2port.Displaymodulemainlycomposesof8digits,indicatingthevoltagevaluethatismeasured.

Infinal,thedesigngoalisachieved,Thevoltagemeasuredisdisplayedaccurately.the8（IN0~IN7）channelsalternativedisplayorone-waychoicedisplaycanbecarriedoutbybuttoncorrectly.

Keywords:

Digitalvoltagemeter,Single-chipMicrocomputer,A/Dconverter,LEDdigitaltube,Dataprocessing

前言

1．研究意义

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。

电学参量测量技术涉及范围广，适用于学校、工业、科研、国防等各种领域，供实验室和工业现场测试用。

而且随着电子技术的发展，在数字化、智能化、科技化为主的今天。

数字电压表已成为电压表设计的主要方向，在当前电压测量系统中占有非常重要的位置。

更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。

在电气测量中，电压是一个很重要的参数。

如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。

数字电压表是通用仪器中使用较广泛的一种测试仪器，很多电量或非电量经变化后都用可数字电压表完成测试。

因此，数字电压表被广泛地应用于科研和生产测试中。

2．研究现状

最近十几年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的日新月异，并不断出现新的类型。

数字电压表自1952年问世以来,大致经历了五代产品。

第一代是电子管数字电压表,第二代属于晶体管数字电压表,第三代是中小规模集成电路的DVM。

由大规模集成电路或超大规模集成电路构成的数字电压表、智能数字电压表,分别属于第四代、第五代产品。

经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管的型式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化〕，另一方面，精度也从0.1%提高到了现在的0.01%—0.005%，而且从实验空用的高价的所谓的样品开始已发展到了现在厂矿企业广为利用的所谓的廉价型，进而出现了能够用于安装板上作指示仪表的安装型。

近年来,国内许多厂家通过积极引进,吸收国外先进技术,努力赶超先进水平,现以能够大批量生产多种高、精、尖的数字电压表以及相应的标准源、校验仪。

新型单片数字电压表以其高准确度、高可靠度、高分辨力、高性价比等优良特性倍受人们的青睐。

本设计在分析研究和总结了单片机技术的发展历史及趋势的基础上，以实用、可靠、经济、精度高等设计原则为目标，设计出基于单片机的数字测量电压表。

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是

单片机最大的特征。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可用软件控制来实现，并能够实现智能化。

由于单片机具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便等特点，因此，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

正因为单片机技术的广泛应用，使得高精度的电子测量成为可能。

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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。

以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：

温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。

而且数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点。

因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

3．研究内容

在数字电压表的设计中，控制系统采用AT89C52单片机,A／D转换器采用ADC0809高精度、8位逐次逼近式转换电路，测量范围直流0～5伏，并在四位8段LED数码管上轮流显示或单路选择显示，可以与PC机进行串行通信。

本文中该系统的数字电压表电路简单,所用的元件较少,成本低,调节工作可实现自动化。

系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路A／D转换量的测量,远程测量结果传送等扩展功能。

第1章数字电压表1

1.1电压表的发展概况1

1.2数字电压表的设计背景1

1.3数字电压表的特点1

1.4数字仪表的发展趋势3

第2章系统硬件设计5

2.1功能要求5

2.2方案论证5

2.2.1核心芯片的选择5

2.2.2模数转换芯片的选择5

2.2.3设计方案5

2.3系统硬件电路的设计6

第3章系统主要硬件模块介绍8

3.1AT89C52控制模块8

3.1.1AT89C52的主要性能8

3.1.2AT89C52的引脚结构及功能9

3.2A/D转换模块11

3.2.1ADC0809的主要性能12

3.2.2ADC08089的内部逻辑结构12

3.2.3ADC0809的引脚12

3.3LED显示模块13

3.4电源电路15

3.5晶振电路15

3.6复位电路16

第4章单片机与PC之间的串行通信17

4.1串行通信原理17

4.2RS232的介绍17

4.2.1主要信号线定义18

4.2.2电气特性18

4.2.3接口的典型应用19

4.3串行通信硬件电路的实现19

4.4单片机端的串行通信19

20

24

第5章系统调试及性能分析24

5.1硬件的调试24

5.1.1排除逻辑故障24

5.1.2排除元器件失效24

5.1.3排除电源故障 26

5.2单片机汇编语言的调试24

5.3硬件、软件仿真调试和测试25

5.4性能分析26

总结27

致谢28

参考文献29

附录30

第1章数字电压表

1.1电压表的发展概况

电压测量是电子测量的一个重要内容。

随着电子技术的发展，对电压测量提出了一系列的要求，主要可概括为：

第一应有足够宽的电压测量范围；第二应有足够高的测量准确度；第三应有足够高的输入阻抗；第四应具有高的抗干扰能力。

电压测量仪器总的可分为两大类：

即模拟式和数字式的。

模拟式电压表是指针式的。

用磁电式电流表作为指示器，并在电流表表盘上以电压（或db）刻度。

数字式电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）变换器变成数字量，然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。

模拟式电压表由于电路简单、价廉，特别是在测量高频电压时，其测量准确度不亚于数字电压表，因此，在电压测量中仍将占有重要地位。

数字式电压表在近年来已成为极其精确，灵活多用的电子仪器，并且价格正在逐渐下降。

数字式电压表能很好地与其它数字仪器相交接，因此在电压测量系统的发展中是非常重要的。

讨论数字式电压表的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。

模拟量的数字化测量，其关键是如何把随时间作连续变化的模拟量变换成数字量，完成这种变换的电路叫模/数变换器。

所以，数字式电压表可以简单理解为模/数变换。

1.2数字电压表的设计背景

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。

传统的模拟电压表，已有百年的发展历史，虽然经过改进，但是仍然远远不能满足测量的需要。

近几十年来随着电子技术的发展，经常需要测量高精度的电压，因此数字电压表应运而生，发展的数度很快。

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。

以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：

温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。

而且数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点。

因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

1.3数字电压表的特点

数字电压表简称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。

数字电压表的特点：

1．显示清晰直观，读数准确

　传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

　新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种“数字/模拟条图”仪表业已问世。

“模拟图条”（AnalofBargraph）有双重含义：

第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。

这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。

智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。

2．显示位数

　显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。

判定数字仪表的位数有两条原则：

①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。

例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。

3．准确度高

　准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

4．分辨率高

　数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。

分辨力随显示位数的增加而提高。

分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。

例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。

需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。

从测量角度看，分辨力是“虚”指标（与测量误差无关），准确度才是“实”指标（代表测量误差的大小）。

5．测量范围宽

　多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。

6．扩展能力强

　在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。

7．测量速度快

　数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。

它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。

8．输入阻抗高

　数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。

9．集成度高，微功耗

新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。

10．抗干扰能力强

51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。

1.4数字仪表的发展趋势

采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。

新型数字仪表的发展主要有五个方向：

1.广泛采用新技术，不断开发新产品

2.向模块化发展

新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。

预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。

表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。

这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。

所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。

3.多重显示仪表

为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。

模拟条图大致分成三类：

①液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。

②等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。

③LED光柱，它是又多只发光二极管排列而成。

这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。

4.安全性

仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。

一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。

仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。

以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。

5.操作简单化

第2章系统硬件设计

2.1功能要求

数字电压表可以测量0～5V的输入电压值，并在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。

测量最小分辨率为0.019V，测量误差约为0.02V。

2.2方案论证

2.2.1核心芯片的选择

AT89C52单片机价格低廉，输入输出口丰富，无需再另外扩展，简化了外围电路。

256B内部RAM，8kB内部ROM，程序存储空间大，防止由于字模过多而造成存储空间不够。

另外由于前期开发需要多次的写入、擦除，而89C52可以完成1000次写／擦，故满足要求。

2.2.2模数转换芯片的选择

ADC0809是8位的A／D转换芯片，为逐次逼近型。

由单一的+5V电源供电，片内带有所存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100μs；片内的地址译码和锁存电路，将单片机的三条地址信号译码生成选择八路模拟通道。

输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接接到单片机的数据线上。

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路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送的扩展功能。

实验证明，采用AT89C52开发的系统性能可靠、成本较低、软件设计灵活简单、硬件接口功能丰富，具有扩展性好、通用性强等优点。

数字电压表系统设计方案框图如图2-1所示：

图2-1数字电压表系统设计方案

2.3系统硬件电路的设计

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2-2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2S宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。

7脚为转换结束标志，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。

单片机P1、P3.2～P3.5的端口作为四位数码管显示控制；P3.0端口用作串行口输入端，P3.1端口用作串行口输出端；P2.6端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P2.7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2-2数字电压表电路原理图

第3章系统主要硬件模块介绍

本系统主要包括三大模块:

AT89C52控制模块、A/D转换模块、LED显示模块。

这三大模块的共同作用最后完成数字电压表的设计。

3.1AT89C52控制模块

控制模块是由AT89C52单片机来实现数据的处理和控制的。

AT89C52是一个低功耗，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80C51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，功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

此外，AT89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下,CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，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。

3.1.1AT89C52的主要性能

AT89C52具有如下特点：

（1）与MCS_51产品兼容；

（2）具有8K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可擦/写100次；

（3）4.0V～5.5V的工作电压范围；

（4）全静态操作：

0HZ～24MHZ；

（5）三级程序存储器加密；

（6）256×8bit内部RAM；

（7）32根可编程I/O线；

（8）三个16位定时器/计数器；

（9）8个中断源；

（10）全双工异步串行通信通道；

（11）低功耗空闲和掉电保护；

（12）通过中断中止掉电方式；

（13）看门狗定时器；

（14）两个数据指针；

（15）时钟频率0～33MHZ；

（16）全双工UART串行中断口线；

（17）灵活的ISP字节和分页编程。

3.1.2AT89C52的引脚结构及功能

（1）AT89C52引脚结构图如下图3-1所示：

图3-1AT89C52引脚结构图

（2）此设计用到的主要管脚及功能

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

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机复位。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0～P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

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3-1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。

表3-1P3口第2功能表

引脚

第2功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

（外部中断0输入端）

P3.3

（外部中断1输入端）

P3.4

T0（定时计数器0输入