(异改)基于单片机的数字电压表设计.docx

河南工程学院课程设计数字电压表的设计学生姓名： 学 院： 专业班级： 专业课程： 指导教师： 2016年 6月27日课程设计成绩评定标准及成绩序号评审项目指 标满分评分1工作态度遵守纪律，学习认真；作风严谨，踏实肯干。 5分2工作量按期圆满完成规定的任务，难易程度和工作量符合要求。 20分3出勤情况全勤： 得10分10分有迟到、早退、请假现象： 得8分旷课1天： 得5分旷课2天： 得2分旷课超过2天： 得0分4设计、实验方案能灵活运用相关专业知识，有较强的创新意识，有独特见解，设计有一定应用价值。30分5实验技能动手能力强，能独立完成安装、调试等实际操作，能解决设计及实验过程中出现的问题。10分6小组表现注重团队合作，在小组中表现突出，对设计方案的制定及选取起主要作用，在实验操作过程中，承担主要执行者。5分7设计报告质量报告结构严谨合理；文理通顺，技术用语准确，符合规范；图表完备、正确，绘图准确、符合国家标准；。20分合 计评语：等 级： （优秀、良好、中等、及格、不及格）评阅人： 职称： 日 期： 2016年 6 月27 日课程设计任务书一、课程设计的基本要求以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。基于单片机的数字电压表设计采用1路模拟量输入，能够测量0-5V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。二、课程设计的题目及要求题目：数字电压表的设计技术指标要求：（1）三位半LCD显示；（2）测量直流电压范围01V、15V；（3）电压量程自动切换；（4）分辨率100微伏;三、时间安排2016.6.202016.6.24上午9:3012：00;下午2:004:00四、教材及参考书单片机原理及应用电子科技大学出版社，陶春明主编。目 录一、目的5二、主要功能5三、系统设计方案5四、参数设计与器件选型设计5五、课程设计体会15六、参考文献15课程设计报告一、目的在电量的测量中，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，现在学生使用的数字万用表能够测量多种电量，并且具有一定的精度，使用方便。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。本课程设计从软硬件设计、proteus仿真、制作实物、误差分析几个方面着手，阐述数字电压表的工作原理、数据的程序处理方法、数字信号软件滤波原理。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。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 。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。二、主要功能本次实验是以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。三、系统设计方案以MCS-51 系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。基于单片机的数字电压表设计采用1路模拟量输入，能够测量0-5V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。四、参数设计与器件选型设计 1.设计要求选择AT89C51 单片机为核心控制器件。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。2.硬件电路设计硬件电路设计由6个部分组成：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。硬件电路设计图如图1所示。 图1、硬件电路设计图3.转换模块（1）模拟量转化数字量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 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。（2）ADC0809的外部引脚特征ADC0809芯片有28 条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图2所示。图2：ADC0809的引脚图下面说明各个引脚功能:IN0-IN7（8）路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于 选择IN0-IN7 上那一条模拟电压送给比较器进行A/D 转换。 A,B,C:3 位地址输入线，用于选择8 路模拟输入中的一路，其对应关系如表1： 表1：ADC0808通道选择表地址码对应的输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7START：START 为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU 送来，宽度应大于100ns， 上升沿清零SAR,下降沿启动ADC 工作。 EOC: EOC 为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D 转换已结束，数字量已锁入三 态输出锁存器。 D1-D8：数字量输出端，D1为高位。 OE：OE 为输出允许端，高电平能使D1-D8 引脚上输出转换后的数字量。 REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。 Vcc、GND: Vcc 为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc 连接在一起，REF-与GND连接在一起。 CLK:时钟输入端。4.AT89C51 （1）AT89C51性能 与MCS-51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：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B 内部RAM；32个可编程I/O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。（2）AT89C51 各引脚功能 AT89C51 采用PDIP封装形式，引脚配置如图3所示AT89C51的引脚图：图3：AT89C51的引脚图AT89C51芯片的各引脚功能为：P0口：这组引脚共有8条，P0.0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，P0.0-P0.7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片外存储器，P0.0-P0.7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：它的8个引脚和P0的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7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2：P3口的第二功能P3口第二功能P3.0RXT（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2/INT0（外部中断0 输入）P3.3/INT1(外部中断1 输入)P3.4T0（定时器/计数器0 的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1 的外部输入）P3.6/WR（片外数据存储器写允许）P3.7/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，AT89C51的P0.0-P0.7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，AT89C51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/EA=1，则允许使用片内ROM, 若/EA=0，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。 5.复位电路和时钟电路 （1）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。MCS-51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 。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51 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两种，图4是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路。图4：复位电路（2）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。MCS-51 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。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，外部电路简单，只需要一个晶振和二个电容即可，如图5所示：图5：时钟电路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30pF左右，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。6.LED 显示系统设计 (1) LED 基本结构 LED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基于单片机的数字电压表设计10 。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6所示: 图6：LED引脚排列（2）LED 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 示器，简称“4-LED”。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。4-LED 显示器引脚如图9 所示，是一个共阴极接法的4 位LED数码显示管，其中a，b,c,d,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，如图7所示：图7：4位一体LED引脚（3）LED 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。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3所示： 表3 共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH（4）LED 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。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A-G 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口作为输出口的驱动能力，使得LED 能按照正常的亮度显示出数字，如图8所示:图8：LED与单片机相连7 总体电路设计 图9：总体电路经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的数字直流电压表硬件电路原理图如图9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ADC08009 的IN7通道进入（若使用的IN0通道，所以A,B,C 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D0-D7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P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0809的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4 输出方波，接到ADC0809的LOCK,P2.6 发正脉冲启动A/D 转换，P2.5检测A/D转换是否完成，转换完成后，P2.7口读取转换结果送给LED显示出来。5、 课程设计体会回顾此次设计，感慨颇多,学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论.从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在完成设计任务的同时，注重下面几点能力的培养和提高：（1） 团队工作分工明细，提高效率，同时也培养独立工作能力和创造力；（2） 综合运用专业以及基础知识，解决实际设计技术问题的能力；（3） 查阅图书资料，产品手册的能力；（4） 写电子技术设计报告的能力。六、参考文献单片机原理及应用电子科技大学出版社，陶春明主编。附录程序代码LED_0 EQU 30H /个位LED_1 EQU 31H /十位LED_2 EQU 32H /百位LED_3 EQU 33H /千位ADC EQU 35HCLOCK BIT P1.4 /定义0808时钟位ST BIT P1.5EOC BIT P1.6OE BIT P1.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 ORG 30HSTART: MOV LED_0,#00H MOV LED_1,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE /段码表首地址 MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST / 启动AD转换 JNB EOC,$ / 等待转换结果 SETB OE MOV ADC,P2 CLR OE MOV A,ADC / AD转换结果成BCD码 MOV R7,A MO