单片机原理及接口技术课程设计-数字电压表设计-毕业设计

XX工业大学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目数字电压表设计院（系）电气工程学院专业班级电气093学号090303078学生姓名王健为指导教师（签字）起止时间2012072420120706课程设计（论文）任务及评语院（系）电气工程学院教研室注成绩平时20论文质量60答辩20以百分制计算学号090303078学生姓名王健为专业班级电气093课程设计（论文）题目数字电压表设计课程设计（论文）任务电压测量范围0500V；测量精度05；量程自动切换；采用LED显示；可用现场提供的220V交流电源。设计任务1CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2电压检测电路设计3显示电路及电源电路设计4程序流程图设计及程序编写技术参数1电压测量范围0500V；测量精度052工作电源220V设计要求1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，电压检测电路以及显示电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天查阅收集资料第2天总体设计方案的确定第4天CPU最小系统设计第5天电压检测电路设计第6天显示电路及电源电路设计第7天程序流程图设计第8天软件编写与调试第9天设计说明书完成第10天答辩指导教师评语及成绩平时论文质量答辩总成绩指导教师签字年月日摘要本文介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。该设计主要由三个模块组成A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0808来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0808传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着ADC0808芯片工作。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此数字电压表可以测量05V的1路模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。关键词单片机；数字电压表；A/D转换；AT89C51；ADC0808目录第1章绪论111数字电压表设计概况112本文研究内容2第2章CPU最小系统设计321数字电压表设计总体设计方案322CPU的选择323数据存储器扩展624复位电路设计725时钟电路设计726CPU最小系统图8第3章数字电压表设计输入输出接口电路设计1031数字电压表设计检测接口电路设计10311A/D转换器选择10312LED显示器的选择11313LED译码方式12314LED显示器与单片机接口设计1232人机对话接口电路设计13第4章数字电压表设计软件设计1541软件实现功能综述1542流程图设计15421初始化程序15422显示子程序16第5章系统设计与分析1951硬件仿真图1952软件调试结果19521显示结果19522误差分析21第6章课程设计总结22参考文献23第1章绪论11数字电压表设计概况在电量的测量中，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。而且随着电子技术的发展，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。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用1。传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础2。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。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。最近的几十年来，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快速发展，并不断出现新的类型4。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形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0010005。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面3。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号11。12本文研究内容设计要求以MCS51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量05V之间的直流电压值。电压显示用4位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。尽量使用较少的元器件。设计思路根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。A/D转换采用ADC0808实现，与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。电压显示采用4位一体的LED数码管。LED数码的段码输入,由并行端口P0产生位码输入，用并行端口P2低四位产生。第2章CPU最小系统设计21数字电压表设计总体设计方案硬件电路设计由6个部分组成A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。时钟电路复位电路A/D转换电路测量电压输入显示系统AT89C51P1P2P2P022CPU的选择AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。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MCS51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，它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。AT89C51功能性能与MCS51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储器；寿命1000次写/擦循环；数据保留时间10年；全静态工作024MHZ；三级程序存储器锁定；1288B内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片内震荡器和掉电模式6。AT89C51提供以下标准功能4KB的FLASH闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0HZ静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图21所示7。图21AT89C51芯片的各引脚功能为P0口这组引脚共有8条，P00为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89C51不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P00P07用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是89C51带片外存储器，P00P07在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1口这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P17为最高位，P10为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P10P17的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2口这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器的读/写数据。P3口这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表2所示表2P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P30RXT（串行口输入）P31TXD（串行口输出）P32/INT0（外部中断0输入）P33/INT1外部中断1输入P34T0（定时器/计数器0的外部输入）P35T1（定时器/计数器1的外部输入）P36/WR（片外数据存储器写允许）P37/RD（片外数据存储器读允许）VCC为5V电源线，VSS接地。ALE地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89C51的CPU在P00P07引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89C51自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA片外存储器访问选择线，可以控制89C51使用片内ROM或使用片外ROM,若/EA1，则允许使用片内ROM,若/EA0，则只使用片外ROM。/PSEN片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，89C51自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST复位线，可以使89C51处于复位即初始化工作状态。通常89C51复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1和XTAL2片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C51片内OSC震荡器的定时反馈回路。23数据存储器扩展RAM是用来存放各种数据的，MCS51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。此时，我们可以利用单片机P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732ALE/PSEN30RD17WR16TEXTAT89C5189C51A71A62A53A44A35A26A17A08CEI/O09I/O110I/O211I/O312I/O413I/O514I/O615I/O716A823A922A1019OE20WE216116D01D12D23D34D45D56D67D78Q712Q613Q514Q415Q316Q217Q118Q019STB11828282825V的扩展功能，扩展外部数据存储器。常用的外部数据存储器有静态RAM（STATICRANDOMACCESSMEMORY）和动态RAM（DYNAMICRANDOMACCESSMEMORY）两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。当用8282作为地址锁存器时，它的STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。AT89C51单片机和静态数据存储器RAM6116的接口电路图如下图22所示图22扩展电路24复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位1。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图23是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要VCC上升时间不超过1MS，它们都能很好的工作1。图23复位电路25时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路1。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图24所示。图24时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010PF，在这个系统中选择了33PF；石英晶振选择范围最高可选24MHZ，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHZ，因而时钟信号的震荡频率为12MHZ。26CPU最小系统图经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图25所示。此电路的工作原理是5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P20、P21、P22、P23产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P24输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P26发正脉冲启动A/D转换，P25检测A/D转换是否完成，转换完成后，P27置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来3。简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用PROTEUS软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。图25简易数字电压表电路图第3章数字电压表设计输入输出接口电路设计31数字电压表设计检测接口电路设计311A/D转换器选择现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个N位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较N次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用1。逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量5。其原理框图如图31所示顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入电压输入数字量图31LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件6。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。LED引脚排列如下图32所示图32LED引脚排列312LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。4LED显示器引脚如图33所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中A，B，C，E，F，G为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，DP是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。图334位LED引脚对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。313LED译码方式译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于LED数码管显示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换。软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程序通常为查表程序3。本设计系统中为了简化硬件线路设计，LED译码采用软件编程来实现。由于本设计采用的是共阴极LED，其对应的字符和字段码如下表31所示。表31共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH314LED显示器与单片机接口设计由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作7。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，即将LED的AG段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口德驱动能力，使得LED能按照正常的亮度显示出数字，如图34所示。图34LED与单片机接口间的设计32人机对话接口电路设计经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图35所示。此电路的工作原理是5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P20、P21、P22、P23产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P24输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P26发正脉冲启动A/D转换，P25检测A/D转换是否完成，转换完成后，P27置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来3。简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用PROTEUS软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。图35简易数字电压表电路图第4章数字电压表设计软件设计41软件实现功能综述根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图41所示。开始初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序结束图41数字式直流电压表主程序框图42流程图设计421初始化程序所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等9。A/D转换子程序A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图42所示。图42A/D转换流程图422显示子程序显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10MS对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1MS10。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11S定时，通过软件延时程序来实现5MS的延时。LED_0EQU30HLED_1EQU31HLED_2EQU32HADCEQU35HCLOCKBITP24启动转换A/D转换结束输出转换结果数值转换显示结束开始STBITP25EOCBITP26OEBITP27ORG00HSJMPSTARTORG0BHLJMPINT_T0STARTMOVLED_0,00HMOVP2,0FFHMOVLED_1,00HMOVLED_2,00HMOVDPTR,TABLEMOVTMOD,02HMOVTH0,245HMOVTL0,00HMOVIE,82HSETBTR0WAITCLRSTSETBSTHCLRSTJNBEOC,SETBOEMOVADC,P1CLROEMOVA,ADCMOVB,51DIVABMOVLED_2,AMOVA,BMOVB,5DIVABMOVLED_1,AMOVLED_0,BLCALLDISPSJMPWAITINT_T0CPL,CLOCKRETIDISPMOVA,LED_0MOVCA,ADPTRCLRP23MOVP0,ALCALLDELAYSETBP23MOVA,LED_1MOVCA,ADPTRCLRP22MOVP0,ALCALLDELAYSETBP22MOVA,LED_2MOVCA,ADPTRLCLRP21ORLA,80HMOVP0,ALCALLDELAYSETBP21RETDELAYMOVR6,10D1MOVR7,250DJNZR7,DJNZR6,D1RETTABLEDB3FH,06H,5BH,4FH,66HDB6DH,7DH,07H,7FH,6FHEND第5章系统设计与分析51硬件仿真图软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。PROTEUS软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。PROTEUS支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。PROTEUS可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与UVISIONS3IDE工具软件结合进行编程仿真调试8。本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是PROTEUS软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用KEIL软件将程序写入单片机。52软件调试结果521显示结果1当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图51所示，测量误差为0V。图51输入电压为0V时，LED的显示结果2当IN0输入电压值为150V时，显示结果如图52所示。测量误差为001V。图52输入电压为150V时，LED的显示结果3当IN0口输入电压值为350V时，显示结果如图53。测量误差为001V。图53输入电压为350V时，LED的显示结果522误差分析通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表4所示表51简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表标准电压值/V简易电压表测量值/V绝对误差/V0000000000500510011001000001501510012002000002502500003003000003503500004