数字电压表课程设计报告剖析

湖南科技大学

信息与电气工程学院课程设计报告课程 单片机原理及应用题 目：数字电压表专业： 班级： 姓名： 学号：

任务书题 目时间安排目的：要求：总体方案实现：指导教师评语：评分等级：【 】指导教师签名： 1数字电压表的概述数字电压表(DigitalV01tmeter)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。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。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，示出强大的生命力。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。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理。数字电压表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电压表是把连续的模拟量(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。数字电压表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电压表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。本设计采用了以单片机为开发平台，控制系采用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，还可以方便进行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理、显示控制等组成。模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。数字电压表(DigitalVoItMe-ter，DVM)，以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以A/D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表(DigitalMultiMeter，DMM)。DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A/D转换器，最后用电子计数器计数显示，因此DVM的基本组成是A/D转换器和电子计数器。DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。2、工作原理系统采用12M晶振产生脉冲做8031的内部时钟信号，通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。利用中断设置单片机的P2.4口取反产生脉冲做8031的时钟信号。通过键盘选择八路通道中的一路，将该路电压送入ADC0809相应通道，单片机软件设置ADC0809开始A/D转换，转换结束ADC0809的EOC端口产生高电平，同时将ADC0809的EO端口置为高电平，单片机将转换后结果存到片内RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为0.00-5.00V分别保存在片内RAM;系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到LED显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。4、8031的结构及其功能在本次课题设计中我们选择了8031芯片。8031和8051是最常见的mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业下面介绍一下它的引脚图等资料。.2,S.44方斤、L1!EP3"P3P3SIP3TALMVK匹弋T1砒厢：z3*4n5TBgloMl2l3l4悔IfiITlalflto.2,S.44方斤、L1!EP3"P3P3SIP3TALMVK匹弋T1砒厢：z3*4n5TBgloMl2l3l4悔IfiITlalfltoU匚匚UU匚匚一JlfauCJu匚匚Uli匚匚一!□V«□WflADfl□Pfl4*01□PQ.JADf□re.1AMnW.4AEM□F0.SAD5□P0«AM□P0.7KU?□^A/Vpp'3*i■电而M，口nPJ,TAISJPZtAU口P2sAt3;1因金#191□F2^AU□Pl.SAIDUFK蜗□叫。MCHDCXCOAHERhiniM.THST(RXD)崎QW(TXPjM.tQH钟，PU处F"PUH.4(AM)的后惧西PMgDftjPQ,7(«>7JE"WF3EHP17隰峋PZ*(A14)小⑶射Ezdfrirus-Ls声亶3uznvixru篁》PM&IP） 以<8031管脚图> Pad（LCC,PLCCJ*EPROMonly4J—8031内部结构及其功能概述高嬴藐8031引脚功能（1）主电源引脚Vss和Vcc①Vss接地②Vcc正常操作时为+5伏电源（2）外接晶振弓|脚XTAL1和XTAL2①XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。②XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD,ALE/,和/Vpp①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。②ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。④/Vpp、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。8031引脚功能：Vcc:+5V电源电压。Vss:电路接地端。P0.0〜P0.7:通道0,它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。P1.0〜P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。通道1吸收/发出一个TTL负载。P2.0〜P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。P3.0〜P3.7:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有☆另一种功能：P3.0:RXD,串行输入口。P3.1:TXD,串行输出口。P3.2:INT0,外部中断0输入口。P3.3:INT1,外部中断1输入口。P3.4:T0,定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。P3.5:T1,定时器/计数器1外部事件脉冲输入端P3.6:WR,外部数据存贮器写脉冲。P3.7:RD,外部数据存贮器读脉冲。RST/VpD:引脚9,复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限度以下），后备电源加到此引脚，将只给片内RAM供电。ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次，只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时，8751内的EPROM编程时，此端输编程脉冲信号。PSEN:引脚29,程序选通有效信号，当从外部程序存贮器读取指令时产生，低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。EA/VPP:引脚31,当保持TTL高电平时，如果指令计数器小于4096,8051执行内部ROM

的指令，8751执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平时，从外部程序存贮器取出所有指令，在8751内的EPROM编程时，此端为21V编程电源输入端。XTAL1:^W18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡源时，此端必须接地。XTAL2:^W19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡器时，此端用于输入外部振荡信号。5、显示器本次设计中有显示模块，常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示0——9的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。经过性能的比较和根据本设计的要求以及价格的考虑，选择数码管显示器。+5V

Da口 H+5V

Da口 H b° i=i H C 匚二I 归 dc tzzi H ec fw 1=1 1^ Mq 1-^ dpo 共阳极TOC\o"1-5"\h\za6 匚二i 胡b° i=i 声c——n 制d° i=i e° i=! fc ：=! [Xgo——=——图劭O [=1 闭共防极6、模数（A/D）芯片ADC0809A/D转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。此次设计的是利用逐次逼近式ADC0809进行模数转换。ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、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。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行□，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。综合上述，逐次逼近型A/D转换既兼顾了转换速度，又具有一定的精度，这里选用的是逐次逼近型的A/D转换芯片ADC0809。nrannQI2QBQT4IN6QT7AECALE图4.6 ADC0809内部结构1LN3 LN2m4 £NflTNT5 INOIN心 AEST7 BST CEQC AKE03OECLKVCC L54VPLEF+DOCtNT>VREF'Dl D22S2273264255246237228219201O191118121713161415图4.7 ADC0809引脚图7、8279接口芯片8279的功能及工作原理8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器I/O接口部件。利用8279,可实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号，不仅可以大大节省CPU对键盘/显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作，由于这些优点，8279芯片日益被设计者所采用。8279的引脚及内部结构(1)I/O控制和数据缓冲器双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线DB-DB，用于传送CPU和8279之间的命令，数据和状态。 o7CS为片选信号。当CS为低电平时，CPU才选中8279读写。A。用以区分信息的特性。当A。为1时，CPU写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态。当A。为0时，I/O信息都为数据。R”匚目㈠匚2弼口蛆CiK匚m作旧口匚417JCNTL'STBRl.匚536口£川打"UC535jSLjJ34a333SLiAGSEtC432□SL0乾匚1031□OUT而匚T1W□outeT叫匚篦□outa2叫C132Sn()LlT0]巩匚1427口口UTAfl图18279的引脚图(2)控制逻辑控制与定时寄存器用以寄存键盘及显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码产生相应的控制信号，使8279的各个部件完成一定的控制功能。定时控制含有一些计数器，其中有一个可编程的5位计数器，对外部输入时钟信号进行分频，产生100kHz的内部定时信号。外部时钟输入信号的周期不小于500ns。(3)扫描计数器扫描计数器有两种输出方式。一种为外部译码方式(也称编码方式)，计数器以二进制方式计数，4位计数状态从扫描线SL。〜SL输出，经外部译码器译码出16位扫描线，另一种为内部译码方式(也称译码方式)，即扫描计数器的低二位经片内译码器译码后从SL。一SL输出。(4)键输入控制 3这个部件完成对键盘的自动扫描，锁存RL。〜RL的键输入信息，搜索闭合键，去除键的抖动，并将键输入数据写入内部先进先出(FIFO)的存储器RAM。(5)FIFORAM和显示缓冲器RAM8279具有8个先进先出(FIFO)的键输入缓冲器，并提供16个字节的显示缓冲器RAM。8279将段码写入显示缓冲器RAM,8279自动对显示器扫描，将其内部显示缓冲器RAM中的数据在显示器上显示出来。IRQ为中断请求输出线，高电平有效。当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的编码时，IRQ线升高，向CPU请求中断，当CPU将缓冲器中的输入键的数据全部读取时，中断请求线下降为低电平；SHIFT、CNTL/STB为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平。RL。〜RL为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻(或称为上拉电、 、 、7 . . 、阻)拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。SL。〜SL为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。OUTB。-、OUTA。-为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作为8位段数据输出口，此时OUTB。为最低位，OUTA为最高位。BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显示消隐。RESET为复位输入线，高电平有效。当RESET输入端出现高电平时，8279被初始复位。8、硬件原理图RRI.乐・一二=二二工fc一主网图ml。1:9、c语言程序编写#include<Reg51.h>#include<absacc.h>#include<intrins.h>#defineA_DPORTXBYTE[0x8100]//0809通道0地址#defineDATXBYTE[0xFF80]//8279数据口地址#defineCOMXBYTE[0xFF82]//8279状态/命令口地址#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintbitbdata6%=0;//定义标志longintval;ucharidatadiss[4]={0,0,0,0};//显示缓冲区ucharcodeIedseg[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,