精品毕业论文简易数字电压表设计原理分析及功能实现

摘 要本文是基于单片机的数字电压表设计，将模拟电压量直接转换成数字量，用数码管来显示。首先，介绍了数字电压表的特点。其次，介绍了数字电压表的两种设计方案以及在该设计中设计方案和各元器件的选择，并对各元器件做了简单的介绍；然后对设计方案做了整体介绍，其基本原理是，模拟电压量经过A/D转换芯片转换成数字量，送入单片机进行处理。最后输出的数据在经过线路驱动器送入数码管显示电压大小。最后介绍了程序流程，并用KEIL和PROTUES联机调试进行仿真。调试完成之后进行硬件焊接，测试并进行行改进。关键字：单片机；A/D转换；数码显示；数据处理；硬件焊接 Abstract This paper is the digital voltmeter design based on the single chip microcomputer , the simulation of voltage directly converted into digital quantity which is displayed by digital pipe .Firstly，It introduced the characteristics of the digital voltmeter , secondly , it recommended two design schemes and how to choice the design scheme and components in the design ,and also it introduced several components ; Fourthly, it is doing a complete design scheme introduction , its basic principle is that simulation voltage quantity converted into digital quantity after A/D conversion chip, and imported into single chip for processing. The last of the output data is displayed by digital tube after decode direct drive. Finally ,It introduced program designing with the assembly language , and did the online adjustment simulation using PROTUES and KEIL . After the commissioning , i welded ,tested and improved the hardware . Keywords: microcomputer; A/D conversion; displayed in number; data processing; hardware weld目 录1 数字电压表 11.1 数字电压表简介11.2 数字电压表的优点11.3 数字电压表发展趋势11.4 设计平台21.4.1 KEIL C51开发平台21.4.2 PROTEL DXP 2004设计软件32 简易数字电压表设计简介42.1 设计背景42.2 设计意义53 数字电压设计的两种方案63.1 由数字电路及芯片构建63.2 由单片机系统及 A/D 转换芯片构建64 总体方案设计74.1 设计要求74.2 设计思路74.3 设计方案85 硬件简介85.1 本设计单片机的选择85.1.1常用单片机的特点比较本85.1.2 单片机的选择85.1.3 STC89C52单片机介绍95.2 本设计显示器件选择135.2.1 常用显示器件简介135.2.2 显示器件的选择155.2.3 LED 介绍155.3 本设计A/D芯片介绍175.3.1 常用的A/D芯片介绍175.3.2 ADC0809芯片介绍176 接口电路196.1 显示电路196.2 ADC0809与单片机接口电路207 具体设计思路217.1 技术要求217.2 设计方案218 硬件电路系统模块设计228.1 总电路模块228.2 硬件系统电路简介229 系统软件设计259.1 主程序259.2 A/D转换子程序259.3 显示子程序2510 调试及性能分析2610.1 调试与测试2610.2 性能分析27总结28参考文献29程序清单英文资料中文翻译致 谢1 数字电压表1.1 数字电压表简介 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（Digital Voltmeter）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。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。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，示出强大的生命力理。1.2 数字电压表的优点 传统的指针式刻度电压表功能单一，精度低，容易引起视觉疲劳，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。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。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0.01%到0.005%。1.3 数字电压表发展趋势 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。A/D转换器分成四种：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。 目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器，其中双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。但是其转换速度慢，因此这种转换器这种转换器主要用于速度要求不高的场合。而逐次逼近式A/D转换器转换速度快，但精度相对较差。因此未来的A/D转换器将兼顾精度和速度，成本也会随着集成电路的发展而降低。1.4 设计平台1.4.1 KEIL C51开发平台KEIL软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行KEIL软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么KEIL几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 C51工具包的整体结构较为丰富，其中UVISION与ISHELL分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。使用独立的KEIL仿真器时，注意事项 ，仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。1.4.2 PROTEL DXP 2004设计软件 ALTIUM公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来PROTEL 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件PROTEL DXP。 PROTEL DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。PROTEL DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。PROTEL DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，PROTEL DXP提供了全面的设计解决方案。 PROTEL DXP2004是ALTIUM公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。当前比较流行的 PROTEL 98、 PROTEL 99 SE，就是它的前期版本。 PROTEL DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比， PROTEL DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。2 简易数字电压表设计简介数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM，作为智能仪表的一种，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转化成不连续，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，精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成方便。目前，由各种单片A/D转换器构成的说字电压表，已经被广泛用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。2.1 设计背景数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造，它刚开始是4位，50多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成 功的。开始是4位数码显示，然后是5位、6位显示，而现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器、电子 管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测1-2 种参数到能测几十种参数的多用型；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小，重量不断变轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐步扩大。数字电压表出现在50年代初，60 年代末发起来的电压测量仪表。简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数 字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展。如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。 数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大，继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一二种已发展到多种,在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数 (A/D)转换的方法，而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法，而常用的分类方法有如下几种:(1) 按用途来分：有直流数字电压表，交直流数字电压表，交直流万用表等。(2) 按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。 (3) 按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。(4) 按测量速度来分：有低速,中速，高速，超高速等。 但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。在电量的测量中，压电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压所以数字电压表就成 为一种必不可少的测量仪器。另外，由于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，测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的，是一种必不可少的电子测量仪表。2.2 设计意义这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解，自己动手设计数字电压表与仿真，它可以广泛的应用于电压测量外，通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量，测量是一种认识过程，就是用实验的方法将被测量和被选用的相同参量进行比较， 从而确定它的大小。 DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。所示我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。3 数字电压设计的两种方案设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。3.1 由数字电路及芯片构建这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器。A/D 转换器和基准电压源；数字部分包括计数器，译码器，逻辑控制器，振荡器和显示器。其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展。3.2 由单片机系统及 A/D 转换芯片构建这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片，显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出来。此方案的原理是模数(A/D)转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数(A/D)转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种设计方案设计不灵活，难于在原基础上进行功能扩展等不足。4 总体方案设计4.1 设计要求 以单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。 能够测量0-5V之间的直流电压值。 要求能在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。测量的最小分辨率为 1.019v，测量误差为0.02v。 尽量使用较少的元器件。 4.2 设计思路 由上述可知，由单片机和A/D转换芯片构建的的方案优势明显，本次设计也是选择了该方案。 根据单片机的内部结构特点本次设计以单片机为核心的电压测量系统。该系统以单片机和A/D转换器核心内件，能够在单片机的控制下监测八路的输入电压值，用8位串行A/D转换器进行0-5V量程自动转换，并且测量的电压值可通过三位数码管显示，同时用一位数码管显示选择通道。时钟电路 复位电路A/D转换测量电压输入显示单片机 P1 P3 P0 P2 P0 图4-1 数字电压表总体设计方框图4.3 设计方案 硬件电路设计由6个部分组成: A/D转换电路、单片机、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4-1所示。5 硬件简介5.1 本设计单片机的选择5.1.1常用单片机的特点比较本在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类8的单片机呢？在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的8位单片机。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机51 系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。应用最广的8位单片机还是INTEL的51系列单片机。51系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。 AVR 单片机是ATMEL公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。有专门的I/O方向寄存器。虽然有转强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在性格方面比51单片机要高，也有专门的,I/O方向寄存器，I/O 口使用不比 51单片机方便。 5.1.2 单片机的选择本设计中选用是51系列的AT89C52，它是低电压，低功耗，高性能的CMOS8 位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，2个 I/O 口线, 3 个 16 位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路，并与 MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将 A/D 转换器。显示器和语音芯片等通过I/O口地址线和数据线连接起来；另一方面， 它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现册电压的功能。图5-1单片机总控制电路5.1.3 STC89C52单片机介绍STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如图5-1所示。(1) 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图5-2 (a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图5-2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。 （a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图5-2 时钟电路RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。(2) 复位及复位电路 a、复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表5-1所示。 b、复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图5-3所示。 表5-1一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H 图5-3复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图 5-4（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图5-4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图5-4（c）所示。（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图5-4复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图5-4（b）上电复位方式。 STC89C52具体介绍如下： 主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源 GND(Pin20)：接地线 外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 控制引脚（4根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复 位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指 令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 可编程输入/输出引脚（32根）表5-2 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每 个口有8位（8根引脚），共32根。 PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7 P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7 STC89C52主要功能如表5-2所示。(3) 单片机最小系统单片机最小系统由一个单片机、一个晶振和2 个磁片电容组成，是单片机外围核心电路，如图5-5所示。5.2 本设计显示器件选择5.2.1 常用显示器件简介本次设计中有显示模块，而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，用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动发光，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09的数据。不能够显示字符，这也是数码管的不足之处。图5-5 单片机最小系统图LED阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦32个字符。1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有:阿拉伯数字，英文字母的大小写，常用的符号，和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。5.2.2 显示器件的选择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，用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动发光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。因此本次设计选用了数码管作为显示器件。 5.2.3 LED 介绍LED显示是用发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管，其外形结构如图所示，由图5-6可见它由8个发光二极管构成，通过不同的组合可用来显示09、AF及小数点。 （a）管脚配置 (b) 共阴极 (c) 共阳极图 5-6 数码管LED显示器分为共阴极和共阳极，共阴极是将8个发光二极管阴极连接在一起作为公共端，而共阳极是将8个发光二极管的阳极连接在一起作为公共端。LED显示器有静态和动态显示两种方式，静态显示是将共阴极联到一起接地，每位的显示段（a-dp）分别与一个8位的锁存器输出相连。由于显示的各位可以相互独立，各位可以互相显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。并且由于各位由一个8位锁存器控制段选线，故在同一时间内每一位显示的字符可以不同。这种方式占用锁存器较多。动态显示是将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位的I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的阴极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。要LED能够显示相应的字符，就必须采用动态扫描方式，只要每位显示的时间足够短，则可造成多位同时显示的假象，达成显示的目的。在数字电路中常常要把数据或运算结果通过半导体数码管、液晶数码和荧光数码管，用十进制数显示出来。 发光二极管的工作电压为1.5V-3.0V，工作电流为己毫安到几十毫安，寿命很长。半导体数码管将十位数分成七个字段，每段为一个发光二极管，其字形结构，选择不同的字段发光，可显示出不同的字型。共阳极：把发光二极管的阳极连在一起构成共阳极。使用时公共端接Vcc，当某阳极为低电平时，该发光二极管就导通发光。输出一个段码就可以控制LED显示器的字型，表5-3给出了段码与字型的关系，假定a、b、c、d、e、f、g、DP分别对应D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。 表5-3 段码与字型的关系段码D7DPD6gD5FD4eD3dD2cD2bD0a字形3FH00111111006H0000001015BH0101101124FH01001111366H0110011046DH0110110157DH01111101607H0000011177FH0111111186FH0110111195.3 本设计A/D芯片介绍5.3.1 常用的A/D芯片介绍常用的A/D芯片有AD0809，AD0832，LC2543C等几种。下面简单介绍一下这三种芯片。AD0809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，属于并行口，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。AD0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输 入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输 入通道。TLC2543C是12位开关电容逐次逼近 A/D 转换，每个器件有三个控制输入端，片选， 输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。 综合上述几种A/D转换芯片的特点，为了满足本次设计需求，本次设计选用ADC0809芯片5.3.2 ADC0809芯片介绍随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有3种类型，即双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。本次设计采用8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。 1）主要特性 a、8路8位AD转换器，即分辨率8位。 b、具有转换起停控制端。 c、转换时间为100s d、单个5V电源供电 e、模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 f、工作温度范围为-4085摄氏度。 g、低功耗，约15mW。 2）引脚功能 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图5-6 所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用与选通8路模拟输入中的一路。如表5-4所示。 表5-4 ADDA、ADDB、ADDC真值表ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 图5-6 ADC0809引脚图6 接口电路6.1 显示电路 设计中采用的是7段LED数码管来显示电压值。LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由4个发光二极管组成。把4个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法。 若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为高电平就可以了。 根据设计要求，显示电路需要4位LED数码管来显示电压值 。利用单片机的I/O口驱动LED数码管的亮灭，设计中由P1口驱动LED的段码显示，即显示字符，由P3口选择LED位码，即选择点亮哪位LED来显示。 电路如图6-1所示（本次设计中在数码管和单片机之间加了74HC244芯片）。 图6-1 LED数码管显示电路6.2 ADC0809与单片机接口电路ADC0809具有8路模拟输入端口，由于ADC0809内部含有输出三态缓冲锁存器，所以可以直接将8位数字量输出端与单片机P0口相连。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。地址线（2325脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚ALE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START为测试控制，当输入一个2us宽高电平时，就开始A/D转换。7脚EOC为A/D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，A/D转换数据从该端口输出。10脚为ADC0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过分频器二分频得到1MHz时钟。 图6-2 ADC0809与AT89C52连接图7 具体设计思路7.1 技术要求简易数字电压表应用系统主要利用A/D转换器，处理过程如下：先用A/D转换器对各路电压值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值，然后把模拟值通过显示器显示出来。设计时假设待测的输入电压为8路，电压值的范畴为05V，要求能在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。测量的最小分辨率为0.019V，绝对测量误差为+0.02V和-0.02V。7.2 设计方案 根据系统的功能要求，控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换器采用ADC0809。ADC0809是8位的A/D转换器。当输入电压为5.00V时，输出的数据值为255（0FFH），因此最大分辨率为0.0196V（5/255）。ADC0809具有8路模拟量输入端口，通过3位地址输入端能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮流改变3位地址输入端的地址，就能依次对8路输入电压进行测量。LED数码管显示采用软件译码动态显示。通过按键选择可8路循环显示，也可单路显示，单路显示可通过按键选择显示的通道数。上电复位AT89C52 P0 P2 P1 P3 ADC0809LED显示串口通信电源电路 图7-1 数字电压表系统设计方案框图 简易数字电压表应用系统主要利用A/D转换器，处理过程如下：先用A/D转换器对各路电压值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值，然后把模拟值通过显示器显示出来。设计时假设待测的输入电压为8路，电压值的范畴为05V，要求能在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。测量的最小分辨率为0.019V，绝对测量误差为+0.02V和-0.02V。8 硬件电路系统模块设计8.1 总电路模块简易数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和按键处理电路组成，它的硬件电路如图8-1。8.2 硬件系统电路简介 (1) ADC0809具有8路模拟量输入通道IN0IN7，通过3位地址输入端C、B、A（2325引脚）进行选择。22引脚为地址锁存控制端ALE，当输入为高电平时，C、B、A引脚输入的地址锁存于ADC0809内部的锁存器中，经内部译码选中相应的模拟通道。6引脚为启动转换控制端START，当输入一个2us宽的高电平脉冲时，就启动ADC0809开始对输入通道的模拟量进行转换。7引脚为A/D转换结束信号EOC，ADC0809为逐次比较型A/D转换器，当开始转换时，EOC信号为低电平，经过一定时间，转换结束，转换结束信号EOC输出高电平，转换的结果存放在ADC0809内部的输出数据锁存器中。9引脚为A/D转换数据输出允许控制端OE，当OE为高电平时，存放在输出数据锁存器中的数据通