毕业设计（论文）-数字电压表设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 34 页1 绪论11 数字电压表的特点在电量测量中，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，所以数字电压表是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，读数不方便不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，其精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与pc进行实时通信等优点。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，显示出强大的生命力1。数字电压表之所以倍受青睐是有如下几个特点：（1）显示清晰直观，读数准确数字电压表能避免人为测量误差（例如视差），保证读数的客观性与准确性；同时它符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间，具备标志符显示功能，包括测量项目符号、单位符号和特殊符号。（2）准确度高数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。例如，3位、4位dvm的准确度分别可达0.1、0.02。（3）分辨率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。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反映仪表灵敏度的高低，且随显示位数的增加而提高2。（4）扩展能力强在数字电压表的基础上可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（dmm）和智能仪器，以满足不同的需要。如通过转换电路测量交直流电压、电流，通过特性运算可测量峰值、有效值、功率等，通过变化适配可测量频率、周期、相位等。（5）测量速率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”。主要取决于a/d转换器的转换速率，其倒数是测量周期。3位、5位dvm的测量速率分别为几次每秒、几十次每秒。8位dvm采用降位的方法，测量速率可达10万次/s。（6）输入阻抗高数字电压表的输入阻抗通常为10m10000m，最高可达1t。在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。（7）抗干扰能力强5位以下的dvm大多采用积分式a/d转换器，其串模抑制比（smr）、共模抑制比（cmr）分别可达100db、80db120db。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，cmr可达180db。（8）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。12 数字电压表的发展数字电压表自从1952年问世以来，得到非常迅速的发展。无论是在提高技术方面(如高精度、高位数、高灵敏度等)，还是在改善综合性能方面（例如降低成本、减少耗电、小型轻量、提高可靠性、实现多功能等），都取得了极为可喜的成就。特别是最近几年的发展尤为迅速，不断出现了许多新颖的产品，性能日臻完善。它不仅在测量的精度、速度和自动化程度上远远优于模拟式电压表，而且在价格、体积、耗电、可靠性等诸方面，也与模拟电压表不相上下了。数字电压表取代模拟电压表的趋势已经是十分明朗的了。13 基于单片机的数字电压表单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机结构简单，功能却十分齐全。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，可以软件控制来实现，并能够实现智能化。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。随着单片机使用的日益广泛，基于单片机的数字电压表的设计与制作也得到了前所未有的发展3。2 系统总体方案设计21 数字电压表的两种设计方案设计数字电压表有多种的设计方法，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不一致，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，电压表的测量量程范围是比较大的，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。方案一：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转换器中个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。此方案设计的优点是设计成本低，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。方案二：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，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模/数（a/d）转换芯片的基准电压源，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方案一的各种优点，还能改进方案一设计的不灵活，可以在原有的基础上进行扩展4。综合比较以上两种设计方案的各方面的优点及现在所设计的电压表的实用性，选择第二种电压表的设计方案，及由单片机及数字芯片构建的方法来实现数字电压表的设计。22 系统主要模块的选择根据设计要求，系统可以分为a/d转换模块、接口模块、显示模块。2.2.1 a/d转换模块的选择方案一：a/d转换器采用icl7107型三位半显示的芯片，输入信号，流经取样电路取样后送到icl7107型三位半a/d转换器，只需要很少的简单外围元件，就可以组成数字电流表模块，直接驱动三位半led显示器显示，最后输入电流在显示部件显示。由于icl7107做的led数字电压表最大的缺点是数字乱跳不稳定，特别是最后一位，所以不采用此方案。方案二：采用adc0809转换芯片，其中a/d转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电。它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的a/d转换器，转换时间为100us,模拟输入电压范围为0v+5v,不需要零点和满刻度校准，功耗低，约15mw。由于模拟转换电路的种类很多，通过对转换速度、精度和价钱方面的考虑，选择方案二采用adc0809为本次设计的转换芯片。2.2.2 接口模块的选择方案一：使用数字电路实现，采用译码芯片cd4543作为接口芯片，这种方案能实现功能，但稳定性不高，结构复杂。方案二：采用at89c51单片机作为系统的控制单元，通过a/d转换将被测量转换为数字量送入单片机中，再由单片机产生显示码送入显示模块显示。此方案各种功能易于实现，成本低、功耗低，显示稳定。通过比较，选择方案二。23 方案设计的基本思路设计主要采用at89c51单片机芯片和adc0809模/数转换芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0v5v的模拟直流电压进行测量，并通过三个7段led数码管进行显示，测量误差约为0.02 v。设计电路主要通过adc0809芯片的8路采样输入口in0in7其中的一路输入的0v5v的模拟量电压，产生相应的数字量经过其输出通道d0d7传送给at89c51芯片的p0口，模拟通道的选择由3个拨码开关来手动控制。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at89c51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。显示模块主要由7段数码管及相应的驱动电路组成，显示测量到的电压值5。系统总体框图设计如图2.1所示：数码显示电路 数据信号8路模拟信号采集at89c51adc0809图2.1 系统总体框图3 硬件电路结构本系统采用at89c51单片机作为核心控制，对8路8位模数转换芯片adc0809采集到的模拟电压信号进行分析处理，实现a/d转换，通过数码管显示其电压值。电压表的测量电路主要由三个模块组成：a/d转换模块、数据处理模块以及显示控制模块。31 at89c51单片机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4k字节的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。而at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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，at89c2051是它的一种精简版本。功能强大的at89c51单片机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，所以广泛应用于各种控制领域6。3.1.1 单片机的引脚及其功能at89c51的引脚如图3.1所示。图3.1 at89c51的引脚图各引脚的功能介绍如下所示：（1）vcc：运行和程序校验时接电源正端。（2）gnd：接地。（3）p0口：p0口是一个8位、漏极开路的双向i/o口，每脚可吸收8个ttl门电流。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 （4）p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4个ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 （5）p2口：p2口是一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流。当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （6）p3口：p3口是一个8位带内部上拉电阻的准双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。p3口既可以读引脚，也可以读锁存器，实现“读修改输出”操作。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，p3口可同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，提供各种替代功能。如表3.1所示：表3.1 p3口的替代输入输出功能p3.i 替代功能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）p3.3 /int1（外部中断1输入）p3.4 t0（定时器/计数器0的外部输入）p3.5 t1（定时器/计数器1的外部输入）p3.6 /wr（片外数据存储器或i/o端口写选通）p3.7 /rd（片外数据存储器或i/o端口读选通）（7）rst：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在rst上作用两个机器周期以上的高电平，将单片微机复位。（8）ale/prog：地址锁存允许信号，输出。ale可以驱动8个lsttl负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节，以实现低8位地址与数据的隔离。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，因此它可用作对外部输出的时钟或用作外部定时脉冲。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令时ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行ale禁止，置位无效。（9）/psen：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/psen可以驱动8个lsttl负载。（10）/ea/vpp：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。当/ea=1时，选择片内程序存储器（80c51为4kb，80c52为8kb）；当/ea=0时，则程序存储器全部在片外，而不管片内是否有程序存储器。使用80c31时，/ea必须接地，使用8751编程时，/ea施加21v的编程电压。（11）xtal1：输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。当采用外部振荡器时，对hmos单片微机，此引脚应该接地；对chmos单片微机，此引脚作驱动端。（12）xtal2：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。当采用外部振荡器时，xtal2接受振荡器信号，对chmos单片微机，此引脚应悬浮。3.1.2 单片机的时钟电路时钟电路是单片机最小系统的一部分，它用于产生单片微机工作所需要的时钟信号，单片微机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。at89c51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容c1和c2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22pf。振荡器的工作频率一般在1.2mhz12mhz之间，由于制造工艺的改进，有些单片微机的频率范围正向两端延伸，高端可达40mhz，低端可达0hz，一般用11.0592mhz晶振。时钟电路图如图3.2所示7。图3.2 时钟电路3.1.3 单片机的复位电路复位电路的主要功能是把pc初始化为0000h，使单片微机从0000h单元开始执行程序。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，可以按复位键以重新启动。除pc之外，复位操作还对其他一些特殊功能的寄存器有影响，对单片机的个别引脚信号也有影响，如在复位期间，ale信号变为无效状态。复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式。复位电路是上电自动复位加按键复位。由于电容两端的电压不能突变，在上电的瞬间电容负端的电位和正端的电位相同都为高电平5v，紧接着电源给电容充电，经过很快的时间充电过程结束，电容对于直流电来说是断路，此时rst引脚通过r12接地。整个过程会在rst引脚上产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲足以使单片机有效复位。手动按键复位同样是在按键按下的瞬间使电容完成先放电再充电的过程，也能产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲使单片机有效复位。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2个机器周期) 以上。若使用频率为12mhz的晶振，则复位信号应持续2s以上，复位电路如图3.3所示8。图3.3 复位电路32 a/d转换模块设计a/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转换成数字量再处理，本设计用adc0809转换器。测量电压范围为0v5v,adc0809的精度可达到0.02v。3.2.1 adc0809的介绍adc0809是采样分辨率为8位的、采用cmos工艺制成的8通道以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。adc0809的内部结构包括8路模拟选通开关、通道地址锁存器与译码器、8位a/d转换器和三态输出锁存器9。其内部逻辑电路图如图3.4所示：图3.4 adc0809内部逻辑电路图其中多路开关接8路模拟量输入，可对8路0v5v的输入模拟电压信号分时进行转换，输出具有ttl三态锁存器，可直接连到单片机数据总线上。多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个a/d转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对a、b、c三个地址位进行锁存与译码，如表3.2所示。表3.2 adc0809通道选择表c(addc)b(addb)a(adda)选择的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7（1）adc0809的引脚功能,其引脚如图3.5所示。图3.5 adc0809的引脚图in0in7:模拟量输入通道。adc0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围0v5v，若信号过小，还需进行放大。另外，模拟量输入在a/d转换的过程中，其值应保持不变，因此，对变换速度快的模拟输入量，在输入前应增加采样保持电路。a、b、c：地址线。a为低位地址，c为高位地址，用于对8路模拟通道进行选择。ale：地址锁存允许信号。由低至高电平正跳变将通道地址锁存至地址锁存器中。start：启动转换信号。start上跳沿时所有内部寄存器清0；start下跳沿时，开始进行a/d转换。在a/d转换期间，start应保持低电平。d0d7：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。oe：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机上输出转换得到的数据。oe=0，输出数据线呈高电阻态；oe=1，输出转换得到的数据。clock：时钟信号。adc0809内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，要求频率范围10khz1.2mhz。设计使用频率为1mhz的时钟信号。eoc：转换结束状态信号。eoc=0，正在进行转换；eoc=1，转换结束。该状态信号既可以作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。vcc：接+5v电源。ref(+)、ref(-)：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为ref(+)=+5v，ref(-)=0v。（2）adc0809的工作原理首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址译码器选通8路模拟量输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已经存入锁存器，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。它的工作时序图如下图3.6所示。 twsstarttweale a.b.cin 比较器内部输入tdoeeocteoctcd0d7date 图3.6 adc0809的时序图图中的说明如下：tws：最小启动脉宽，典型值为100ns，最大值为200ns。twe：最小ale脉冲，典型值为100ns，最大值为200ns。td：模拟开关延时，典型值为1us，最大值为2.5us。tc：转换时间，当fclk=640khz时，典型值为100us，最大值为116us。teoc：转换结束延时，最大值为8个时钟周期+2us。（3）adc0809的应用说明第一，adc0809内部带有输出锁存器，可以与at89c51单片机直接相连。第二，初始化时，使start和oe信号全为低电平。第三，送要转换的哪一通道的地址到a，b，c端口上。第四，在start端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。第五，是否转换完毕，我们根据eoc信号来判断。第六，当eoc变为高电平时，这时给oe为高电平，转换的数据就输出给单片机了10。3.2.2 模拟信号采集电路adc0809是由单一电源，+5v供电，模拟电压的输入范围为0v5v，故本设计允许输入的模拟电压最大值为5v。模拟量输入通道in0in7分别接一个滑动变阻器，从而控制电压范围，当滑片滑到中间时，输入模拟电压2.5v, 当滑片滑到最左边时,输入模拟电压0v, 当滑片滑到最右边时，输入模拟电压5v。模拟通道的选择由三根地址线a、b、c控制。该电路模块的工作过程：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；start为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始a/d转换；eoc为a/d转换结束标志，当a/d转换结束时，输出高电平；oe为a/d转换数据输出允许控制，当oe脚为高电平时，a/d转换数据从端口输出；则可读出数据。adc0809的转换速度取决于芯片的时钟频率，要求时钟频率范围为：10khz1.2mhz，在设计中采用了晶振为12mhz的单片机，经过ale脚的六分频得2mhz,再通过74ls74二分频得到1mhz，故adc0809的工作频率为1mhz，转换时间为1us11。74ls74是一种上升沿触发的边沿双d触发器，包括有两个独立的d触发器，每个触发器具有各自独立的清零、置位、时钟输入端。其引脚图如图3.7所示：图3.7 74ls74的引脚图其中1d、2d是触发信号端，1cp、2cp是时钟信号端，q1、q2是同相位输出端，q2、/q2是反相位输出端，1/sd、2/sd是控制端，1/rd、2/rd是复位信号端。它的功能表如表3.3所示。表3.3 74ls74功能表输 入输 出 /sd/rdcpdq/qlhxxhl hlxxlhllxxh*h* h h hhl hh llh hhlxq0/q0则模拟信号的采集电路如图3.8所示：图3.8 模拟信号采集电路图中adc0809模拟通道的选择由拨码开关sw dip-3手动控制。这个拨码开关有六个引脚，可以分别接六个不同的线，内部有三个单独的开关。其中三个引脚接地，另外三个引脚接adc0809的三根地址线a、b、c，并分别通过一个10k的限流电阻接高电平。拨动开关使三个开关同时闭合时，高电平通过开关接地，这时c、b、a都接入低电平，即为0、0、0，故此时选择模拟通道in0。如果最上面两个开关闭合，其余一个开关断开，这时c、b、a对应的是0、0、1，故此时选择模拟通道in1。如果中间的开关断开，其余两个开关闭合，这时c、b、a对应的是0、1、0，故此时选择模拟通道in2。如果最上面的开关闭合，其余两个开关断开，这时c、b、a对应的是0、1、1，故此时选择模拟通道in3。如果最上面的开关断开，其余两个开关闭合，这时c、b、a对应的是1、0、0，故此时选择模拟通道in4。如果中间的开关闭合，其余两个开关都断开，这时c、b、a对应的是1、0、1，故此时选择模拟通道in5。如果上面的两个开关断开，下面的开关闭合，这时c、b、a对应的是1、1、0，故此时选择模拟通道in6。如果使三个开关同时断开时，这时c、b、a都接入高电平，即为1、1、1，故此时选择模拟通道in7。所以通过手调动拨码开关就可以控制adc0809模拟通道的选择。33 数据处理模块设计数据处理模块主要完成将接受到的adc0809转换输出的二进制数值进行bcd码的转换，故需借助单片机编程完成功能。在设计中，采用了at89c51单片机，at89c51是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器。它带有4k字节闪烁可编程可擦除的只读存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。3.3.1 单片机的外围电路设计单片机at89c51作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路和晶振电路。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，可以按复位键以重新启动。复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。该设计在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，可以使系统可靠的复位。关于单片机的复位电路和时钟电路在3.1节单片机的介绍中有详细说明，下面直接给出单片机的外围电路图，如图3.9所示。图3.9 单片机外围电路3.3.2 单片机与adc0809的接口设计设计单片机中的i/o口都用做普通的输入输出口。由p0端口接受adc0809送来的二进制数值，由于p0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，因此在p0口加上拉电阻。接上拉电阻是起到提供电流的作用，如果接p1、p2、p3端口就不用外接电源和电阻了。p1口是数码管数值输出口，p3.2、p3.3、p3.5口分别作为数码管的位驱动口。转换结束状态信号eoc接p3.7口，输出允许信号oe接p2.2口，启动转换信号start接p2.3口，地址锁存允许信号ale接p2.5口，由低至高电平正跳变时将通道地址锁存至地址锁存器中。为了得到adc0809的时钟信号，在设计中，利用了单片机的ale端口。ale/prog：地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。设计中单片机的振荡脉冲频率为12mhz，而ale以晶振六分之一的固定频率输出脉冲， 为了得到1mhz的时钟频率，在电路中采用了74ls74带预置和清除端的双d触发器74ls74，通过总原理图的接法，可以得到二分频器，连接至adc0809的ale端，即可得到1mhz的脉冲频率，满足adc0809转换的时钟脉冲12。图3.10 单片机与adc0809的接口电路总的来说，单片机的p2口输出控制信号，以此来控制adc0809的转换。具体的数据处理过程,将在软件设计中进行详细介绍。所以单片机与adc0809的接口电路图如图3.10所示。34 显示电路3.4.1 数码管介绍设计中采用的是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8个发光二极管组成，其中7个按“8”字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。数码管的引脚图如图3.11所示13。图3.11 数码管引脚图把8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,如图3.12所示。使用led显示器时，要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。七段数码管加上一个小数点，共计8段。因此led显示器提供的编码正好是一个字节。在设计中，采用的是共阳极接法。当发光二极管导通时，相应的一段笔画就被点亮，从而形成不同的发光字符。其8段分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dp。例如，要显示“0”，则a、b、c、d、e、f、g、dp分别为0000 0011b；要显示“a”，则a、b、c、d、e、f、g、dp分别为0001 0001b（共阳极）。若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为低电平就可以了14。图3.12 led共阳极、共阴极接法led有两种显示方式，分别为静态显示和动态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。led显示器工作在静态显示方式下，共阴极点或共阳极点连接在一起接地，每位的段选线（adp）与一个8位并行口相连。这种方法的优点是占用cpu时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。所谓动态显示就是逐位地点亮显示器的各个位，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。在多位led显示时，为了简化电路、降低成本，将所有位的段选码并联在一起，由一个8位l口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的l口线控制。动态显示利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时阻值应略小于静态显示电路中的限流电阻15。根据设计要求，要求自动显示8路模拟电压值，结合实际的布局布线复杂程度，为简化电路起见，在设计中采用了动态显示，实现容易。3.4.2 数码管显示模块电路由于根据数码管的参数要求，要求其驱动电流在10ma20ma之间，在电路中采用三个9012三极管进行扩流分别来驱动三个数码管；由于此三极管是pnp型的，所以必须外接高电平。在设计中段码显示是由p1口进行输出，为防止数码管灌入单片机的电流超出了允许的电流范围，在数码管与单片机的p1口之间接入了1k的限流电阻。设计用的是排阻，一共8个同阻值的电阻，使电路简单方便，分别对应led的8个接口。由于数码管是共阳极接法，所以公共端必须接高电平+5v。同样为了简化电路，且充分利用单片机的资源，采用了软件译码代替硬件译码的方式，来进行数值显示。由于人眼的视觉暂留时间为0.1s（100ms），所以每位显示的间隔不能超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，使人看上去每个数码管总在亮。在设计中每位数值的显示时间为1ms，每个通道的停留时间为1s16。显示电路采用led数码管通过软件译码动态显示，通过单片机的p1、p3.2、p3.3、p3.5口控制。p1口为led数码管的段码输出端，p3.2、p3.3、p3.5为led数码管的三个位码输出端。段码就是led数码管的8段，p1口来控制这8段，位码控制三个数码管选择其中的哪一个。通过三极管驱动将依次循环点亮数码管，具体显示电路如图3.13所示。图3.13 数码显示模块电路4 软件设计软件设计分为主程序设计和子程序设计，下面分别加以说明。初始化主要是对单片机，adc0809的管脚和数码管位选及所用到的内存单元70h，78h，79h，7ah进行初始化设置，它主要包含显示缓冲区初始化。准备工作做好后便启动adc0809对模拟通道输入的0v5v电压模拟信号进行数据采集并转换成相对应的0255十进制数字量。在数据处理程序中，运用标度变换知识，编写算法将0255十进制数字量转换成0.00v5.00v的数据，输出到显示子程序中进行显示17。41 主程序流程图主程序包括初始化部分，调用a/d转换子程序和调用显示子程序。初始化部分包含存放通道数据缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。当进行一次测量后，将显示出每一通道的a/d转换值，然后依次调用a/d转换程序、数据处理程序和显示程序，每个通道的数据显示时间在1s左右。主程序在调用显示程序和测试程序之间循环，其流程图如图4.1所示。开始初始化调用a/d转换程序调用数据处理程序调用显示程序图4.1 主程序流程图程序的资源分配：内部ram70h77h是8路模拟信号经过模数转换得到的二进制数值存储单元。42 a/d转换子程序流程图a/d转换子程序是用来控制对adc0809的8路模拟输入电压的a/d转换，并将对应的数值移入70h77h8个相应的存储单元中，其程序流程如图4.2所示。a/d转换子程序每隔一定时间调用一次。程序开始执行后首先通过手动控制拨码开关来选择8路模拟通道的一路进行模数转换。接着启动一次a/d转换，通过判断转换结束状态信号eoc是否为1来判断a/d转换是否结束。eoc=1, 则表示a/d转换结束，否则eoc=0，则表示正在进行a/d转换。接着输出允许信号oe=1，输出转换后的数据，就完成了一次a/d转换，程序返回到数据处理模块。只要手动控制模拟通道就可以不停的循环进行模数转换。开始开始判断地址码启动一次a/d转换否eoc=1a/d转换结束是取数据（oe=1）返回图4.2 a/d转换流程图43 显示子程序流程图led数码管为共阳数码管，采用软件译码动态扫描方式，先进行位选数据信号输入，再进行段选数据信号输入。显示程序只对当前选中的一路数据进行显示，测量所得的a/d转换数据放在70h77h内存单元中。测量数据在显示时需经过转换成为十进制bcd码放在78h7bh中。寄存器r3用来作为8路信号循环显示控制，r0用做显示数据地址指针，r1用作显示数据单元。每显示一次，r0就会自动加1，指向下一路，从而开始显示下一路。与此同时输出显示相应的段码，显示单元r1加1，如此循环显示数据。其流程图如图4.3所示。 开始初始化位选数据信号输入段选数据信号输入返回图4.3 显示流程图结 论 数字电压表主要由模/数转换电路、单片机控制电路、显示电路等三部分组成。设计采用at89c51单片机作为核心控制，对8路8位数模转换芯片adc0809采集到的模拟电压信号进行分析处理，实现a/d转换，通过数码管显示其数字电压值。电压表的测量电路主要由三个模块组成：a/d转换模块、数据处理模块以及显示控制模块。现有如下优点说明它的可行性：（1）该电路使用简单的一路接口，为单片机节省大量的接口资源。（2）转换芯片adc0809功能强大，性能优越，能为很多领域，特别是对模拟量转换工作的精确性和可靠性有较高要求的场合，能提供较好的实时转换。（3）显示电路部分用了三极管和电阻作为驱动电路，无需添加锁存器、驱动器、寄存器等,耗电较小，简单易行。数码管采用动态显示，可以自动轮流显示模拟通道数，以及8路模拟电压数值。尽管通过比较和论证各个模块方案的选择具有一定的可取性，但在实际的操作中难免会出现诸多问题。比如，设计中是直流量电压的测量，在实际操作中可能会遇到交流量的测量，所以必须理论结合实际。致 谢毕业设计的整个过程是在我的指导老师姜红的亲切关怀和悉心指导下完成的，姜老师对于指导工作非常地认真负责，对我们每个人的要求也很严格，总是不厌其烦地给我们讲解难点。从课题的选择到项目的最终完成，姜老师都始终和蔼可亲地解答我的问题，并给予我细心的指导和大量的修改意见，她严谨的治学态度，精益求精的工作作风和孜孜不倦的求学精神令我受益匪浅。在此我想说：谢谢您，同时送上我美好的祝福。在论文完成过程中，和我一个毕业设计室的同学们给了我很大的帮助，与他们进行了许多有益的探讨，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个个困难和疑惑，直至论文的顺利完成，在此表示诚挚的感谢！在此，我还要感谢所有教育过我和帮助过我的老师们，你们的悉心教导是我一生中最宝贵的财富。感谢我所有的同学和朋友们，在一起生活和工作学习的美好时光里，你们所给予的真诚鼓励和无私帮助是我终生难忘的！最后，我还要感谢培养我长大,含辛茹苦的父母，谢谢你们!参 考 文 献1 沙占友.数字化测量技术与应用.北京：机械工业出版社，20042 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，20043 肖洪兵，胡辉，郭速学.跟我学用单片机.北京：航空航天大学出版，20024 高峰.单片微型计算机与接口技术.北京：科学出版社，20075 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用.北京：清华大学出版社，20026 柳淳，徐玮.单片机开发应用技能与技巧.北京：中国电力出版社，20087 余永权，汪明慧，黄英.单片机在控制系统中的应用.北京：电子工业出版社，20038 彭树生.单片机实践与系统设计.北京：电子工业出版社，20079 李元.数字电路与逻辑设计.江苏：南京大学出版社，199710 阉石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，200311 何献忠，凌云.单片机的数据采集控