《单片机原理及应用》课程设计报告-基于单片机的数字电压表设计.doc

单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 基于单片机的数字电压表设计 所属系部： 资源与环境工程学院 专 业： 计算机应用矿井监测 班 级： 101班 姓 名： 学号： 指导教师： 成绩： 完成日期： 2011 年 12 月 21 日 【摘要】随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。 数字电压表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。本章重点介绍单片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。AT89C51单片机的一种电压测量电路,该电路采用ADC0808本文介绍一种基于A/D转换电路，测量范围直流 05V 的4路输入电压值，并在四位LED数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019V，测量误差约为正负0.02V。本次设计就是为了更好地掌握单片机及相关的电子技术，在参阅一些资料的基础上利用ADC0808而设计的数字电压表。关键词：单片机，ADC0808,数字电压，A/D转换目 录一、设计任务和性能指标41.1设计任务41.2性能指标4二、设计方案42.1系统总体设计方案5三、硬件系统设计53.1 AT89C51的功能介绍63.2 ADC0808的引脚及功能介绍73.3 74LS374介绍8 3.4 部分电路的介绍 93.5 LED数码管的控制显示9四、系统软件设计103.1 主程序113.2 A/D转换子程序123.3 中断显示程序13五、数字电压表仿真图14六、课程设计体会15参考文献16附录1系统原理图17附录 2源程序代码18一、设计任务和性能指标本设计是利用单片机AT89C51与ADC0808设计一个数字电压表，测量05V之间的直流电压值，四位数码显示，但要求使用的元器件数目最少。1.1设计任务 ADC0808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0.0196（5/255）。ADC0808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。通过按键选择可对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。可以测量05V范围内的3路直流电压值。在4位LED数码管上轮流显示各路电压值或单路选择显示，其中3位LED数码管显示电压值，显示范围为0.00V5.00V，1位LED数码管显示路数,3路分别为0-2。要求测量的最小分辨率为0.02V。1.2性能指标数字电压表是将被测模拟电压量转换为数字量，核心器件是一个间接型A/D转换器，并进行实时数字显示的测试仪表。正确选择出电路中的A/D转换器、显示译码器、三极管、电阻、等元器件，性能优越强，能为很多领域，工作的敬群性和可靠性较高，能提高较好的实时转换。二、设计方案2.1 系统总体设计方案本系统由以下几个模块组成：AT89C51、ADC0808、LED数码管、部分电路多路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，由于ADC0808在进行A/D转换时需要有CLK信号，本试验中ADC0808的CLK直接由外部电源提供为500kHz的方波。由于ADC0808的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF) ADC0808采用逐次逼近法转换，把模拟电压转换成16进制的D，由于是对直流电压05V进行采集，所以D对应的电压为V0，我们的目的就是要把V0显示在LED显示器上，因为单片机不好进行小数点计算，所以有：V0=2*D扩大了100倍，扩大100倍后的结果高八位放寄存器B，低八位放寄存器A，分寄存器B为0或不为0的情况进行存取数据，得到的结果个位放入R0，十位放入R1，通过查表使之显示在LED显示器。简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。电路原理图见附录2。A/D转换由集成电路0808完成。0808具有8路模拟输入端口，地址(23-25)脚可决定对哪路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，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。7脚为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脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。10脚为0808的时钟输入端，由外部信号源提供。单片机的P1、P3.0-P3.3端口作为四位LED数码管现实控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0808的A/D转换控制。三、硬件系统设计3.1 AT89C51单片机简介AT89C51是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8为单片机。将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：1、 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。2、 兼容MCS51指令系统，8K可反复擦写（1000次）Flash ROM。3、 3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz。4、 32个双向I/O口，256B内部RAM。5、 2个串行中断，可编程UART串行通道。6、 2个外部中断源，共6个中断源。7、 2个读写中断口线，3级加密位。3.2 ADC0808的引脚及功能介绍ADC0808是一种典型的A/D转换器。它是由8位A/D转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成； +5V单电源供电，转化 时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。芯片模型如图3-4所示。图ADC0808芯片模型(1) IN0IN7：8路模拟量输入端。(2) D0D7：8位数字量输出端口。(3) START：A/D转换启动信号输入端。(4) ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。(5) EOC：输出允许控制信号，高电平有效。(6) OE： 输出允许控制信号，高电平有效。(7) CLK：时钟信号输入端。(8)A、B、C：转换通道地址,控制8路模拟通道的切换。A、B、C分别与地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，A、B、C=000111分别对应IN0IN7通道的地址端口。ADC 0808 采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由A、B、C的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100s左右，它具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到AT89C51的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0808可对05V的模拟信号进行转换。3.3 74LS374的介绍74LS374为具有三态输出的八 D 边沿触发器,共有 54/74S374 和 54/74LS374 两种线路结构型式，374 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当时钟端 CP 脉冲上升沿的作用下，O 随数据 D 而变。由于 CP 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）CP 时钟输入端O0O7 输出端3.4 部分电路的介绍1、晶振电路接12MHz晶振，根据芯片手册，适合并联30pf微调电容，从而构成并联谐振，帮助和稳定输出波形。2、复位电路AT89C51单片机要求至少两个高电平，以便单片机做好准备工作。当上电时，由于电容的电压不能突变，会输出高电平，当电容充电到一定程度，就会输出低电平，单片机利用输出高电平的这段时间复位。电阻和电容的值选择要合适。在这要求R1R2，所以选取R1=8.2k，R2=2003、 模拟输入电路通过可变电阻一端接电源+5v，一端接地GND，通过改变电阻的阻值3.5 LED数码管的控制显示介绍LED数码管模型如图所示。LED 的段码端口AG分别接至74LS374的QOQ7口.四、系统软件设计 4.1 主程序主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00H位通过单路、循环按键控制。 开始 显示子程序 A/D转换子程序 初始化4.2 A/D转换子程序A/D转换子程序用于对ADC0808的4路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换的数值存入4个相应的存储单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次。 进行十六进制调整 开始A/D转换调用延时存转换后的十六进制数数据指针加一入栈保护4路转换次数减一显示电压值NY 判断是否为04.3 中断显示程序设计中采用中断的方式来读取转换完成的数据能节省CPU的资源当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中断0，然后在中断中读取转换的数值，处理数据并送数码管显示输出。 LED 数码管采用软件译码动态扫描的方式。在中断程序中包含多路循环显示程序和单路显示程序，多路循环显示程序把4个存储单元的数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制BCD码，放于4个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示通过标志位00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键的判断。数字量送P1口取段码地址P3.1=1？调用循环显示程序调用单路显示程序显示的是第4路重新调用显示程序NYNY五、Proteus软件仿真调试与测试本设计应用Proteus7软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus7软件画出电路模型，关于这个软件的使用通过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试，测试的第一路对比见图4-1中标准电压值采用Proteus7软件中的模拟电压表测得。从图中可以看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02V以内，这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相一致，在一般的应用场合可以完全满足要求。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH）因此单片机最大的数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.0196V。测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的A/D转换器。简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.01-0.02V。这可以通过校正0808的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。ADC0808的直流输入阻抗为1M欧姆，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试ADC0808可直接在2MHz的频率下工作，这样可省去分频率14024。六、课程设计体会经过两周的努力终于设计成功，LED的显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎一致，误差完全在合理的范围之内。由于仪器误差，LED显示最大值只能是4.9V，离标准最大值5.0V已经不远，达到预期目的，设计成功。 本设计参考了AT89C51与ADC0809转换的接口连线，设计出电路图的连线，从并中理解了许多基本的知识和接线方法，在程序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开始时四个数码管根本不显示，后来发现用的是共阳极的数码管，而设计是共阴极的，更换后数码管终于显示，但问题又出现了，单路显示和循环显示的开关不能控制电路的单路显示和循环显示，经过仔细地检查电路和修改程序，采用中断的方法，产生一次外部中断0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换的模拟通道相应的加一，如果按下循环按键就返回循环显示的程序，功夫不负有心人，最后终于调试成功。在此再次向带领我们这次课程设计的老师说声：谢谢！ 参考文献1 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:2005年1月第2次印刷2 8051实验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技有限公司3 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计(第二版)M.北京:北京航空航天大学出版社,20044 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社,20025 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法J.电子技术应用.1993.第一期6 高峰.单片微型计算机与接口技术M.北京科学出版社,2003.7 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予C8051F单片机的SOC型数据采录器的设计与实现附录1： 系统原理图附录2：源程序代码#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC 0x7fff/定义ADC0808端口地址#define DISP 0xfeff/定义显示端口地址sbit D1=P10;sbit D2=P11;sbit D3=P12;sbit D4=P13;sbit DIN=P33;uchar RESULTat4 _at_ 0x30;uchar DISPat4 _at_ 0x34;code char