毕业设计（论文）-基于单片机简易数字电压表设计.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书全套设计加扣3012250582设计题目: 简易数字电压表 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电08-3班 学 号: 姓 名: 指导教师: 2010年7月20日四川信息职业技术学院毕业设计任务书学 生姓 名班级应电08-3专业应用电子技术设计题目基于单片机简易数字电压表设计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注设计内容：采用AT89C51芯片和ADC0809转换芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的05V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.02V。设计任务：1系统方案论证与比较；2单元电路的设计；3软件设计；4软件设计；系统调试中遇到的问题及解决方案进度安排：第2-3周：查找资料，选择参考方案；第4周： 进行电路理论设计，草绘电路原理图，初步形成论文框架；第5周： 准确计算或估算电路参数，列出元件、设备明细表；第6-7周：进行电路仿真验证，并完成论文初稿； 第8周： 进行实物电路的安装与简单测试；第9周： 毕业设计半期检查（要求完成论文初稿，完成电子制作）；第10-11周：实物电路的性能测试及电路改善； 第12-13周：绘制电路原理图（A4），撰写、完善毕业论文；第14-15周：按指导教师要求修改论文，按学院要求调整好论文格式，打印答辩论文；第16周： 完成答辩PPT，并准备答辩； 第17-18周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1、魏立峰、王宝兴单片机原理及应用技术2006年8月第一版，北京大学出版社2、胡乾斌单片机原理与应用2006年2月第二版，华中科技大学出版社3、李广弟、朱月秀单片机基础2007年6月第一版，北京航空航天大学出版社审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。四川信息职业技术学院毕业设计评语学生姓名廖伟学号0818118班级应电08-3专业应用电子技术设计题目简易数字电压表指导教师罗凌指 导 老 师 考 核 意 见 等级： 指导教师： 答辩评语等级： 答辩老师： 总评成绩等级： 考核小组组长：备注以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录 摘要1第1章 绪 论2第2章 系统方案论证与比较3第3章 单元电路的设计53.1 模数转换芯片ADC080953.1.1 ADC0809内部逻辑结构53.1.2 ADC0809的引脚63.1.3 ADC0809的工作原理：73.2 数据处理及控制芯片AT89S5173.2.1 主要性能参数83.2.2 AT89S51的引脚93.2.3 AT89S51的复位电路123.2.4 AT89S51与ADC0809的连接123.4 四位一体7段LED数码管133.5 总体电路框图14第4章 软件设计164.1 主程序设计164.2 各子程序设计16第5章 仿真与调试205.1 硬件实物图205.2 测量结果205.3 问题及解决方案21总 结22参考文献23附录一 整机电路图24附录二 程序清单25附录三 元器件明细表31II摘要本课题实验主要采用AT89S51芯片和ADC0809芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的05 V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.02 V。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AT89S51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；另外它还控制着ADC0809芯片的工作。显示模块主要由7段数码管及相应的驱动芯片(74HC245)组成，显示测量到的电压值。关键词；简易数字电压表、ADC0809、AT89S51第2页第1章 绪 论数字电压表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。传统的指针电压表功能单一精度不高，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高抗干扰力强，可扩展性强集成方便，还可以与PC进行实时通信。目前，由各种单片转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电子及电工测量，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。本次设计是以单片机AT89S51芯片为核心，设计了一个简易的电压测试电路，它由5V直流电源供电。在硬件方面，通过一个可变电阻调节输入电压的变化来反映所检测的电压变化。此变化电压通过AT89S51的一个通道送入并行AD转换，将转换后的数字量在单片机AT89S51中进行处理，在转换成相应的实际电压值，最后通过数码管显示，精确到十分位，LED采用动态显示，使用74HC02P芯片进行驱动。软件方面采用汇编语言编程。使得整个系统完成一个简易数字电压表。第2章 系统方案论证与比较本设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表，原理框图如图2-1所示。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的05 V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89S51芯片的P0口。AT89S51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，并通过其P1口经驱动芯片74HC245驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE管脚为ADC0809提供了1MHz工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换结束信号(EOC)。图2-1 系统原理框图本设计在系统上没有其它方法实现主要区别在于元器件上例如:AT89C51与AT89C51.AT89S51在AT89C51的基础上，又增加了许多功能，性能有了较大提升。(1)ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 (2)工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 (3)具有双工UART串行通道。 (4)内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。 (5)双数据指示器。 (6)电源关闭标识。 (7)全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 (8)兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。在89C51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。第32页第3章 单元电路的设计3.1 模数转换芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，其实物如图3-2所示。它可以和微型计算机直接接口。ADC0809转换器的系列芯片是ADC0808，可以相互替换。图3-1 ADC0809实物图3.1.1 ADC0809内部逻辑结构图3-2 ADC0809的内部逻辑结构及引脚图ADC0809的内部逻辑结构如图3-2所示。图中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3-1所示。C(ADDC)B(ADDB)A(ADDA)选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表3-1 ADC0809通道选择表 3.1.2 ADC0809的引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列如图1-4所示。(1) IN0IN7：8路模拟量输入通道。(2) A、B、C：模拟通道地址线。这3根地址线用于对8路模拟通道的选择，其译码关系如表1-1所示。其中，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。(3)ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。(4)START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。(5)D7D0：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。D0为最低位，D7为最高。 (6)OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。(7)CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。(8)EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。(9)Vcc： +5V电源，GND：地。 (10)Vref：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+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。3.1.3 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 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。（注意：ALE信号常与START信号连在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动A/D转换，图3-3为ADC0809信号的时序配合图）。图3-3 ADC0809信号的时序配合3.2 数据处理及控制芯片AT89S51AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机。图3-4和3-5分别为其实物图和内部总体结构图。AT89S51片内含有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部 RAM，32个I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16 位定时/计数器,一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时,S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。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AT89S51是一种高效微控制器，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。3-4 AT89S51实物图3.2.1 主要性能参数与MCS-51产品指令系列完全兼容；4K字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.05.5 V工作电压范围；全静态工作模式：0Hz33MHz；三级程序加密锁；128字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位的定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；振荡器4KBROM128KRAM定时器0定时器1CPU并行串口可编程串行口中断系统P0P1P2P3INT0非 INTI非频率基准源T0 T1图3-5 AT89S51芯片内部总体结构图3.2.2 AT89S51的引脚AT89S51芯片为40引脚双列直插式封装，其引脚排列如图3-6所示。图3-6 AT89S51的引脚图1.P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P2口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。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。在访问8位地址外部数据存储器时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。2.P3口：P3口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P3口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。P3口除了一般I/O线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表3-2所示。P3口同时为FLASH编程和编程校验接收一些控制信号。 (1)VCC：电源电压；(2)GND：接地；(3)P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，每位引脚可驱动8个TTL逻辑门路。对P0口的管脚写“1”时，被定义为高阻抗输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时，它可以被定义为数据总线和地址总线的低八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口；当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 (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口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P1口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P1口还具有第二功能，如表3-2所示。表3-2 P1口的第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI(用于ISP编程)P1.6MISO(用于ISP编程)P1.7SCK(用于ISP编程)P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INTO（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）(5)RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。(6) ALE/RPOG：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地位字节。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脉冲或用于定时目的。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指令是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状态ALE禁止，置位无效。(7)/PSEN：外部程序存储器的选通信号。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，这两次有效的信号将不出现。(8)/EA/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。(9)XTAL1：片内高增益反向放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 (10)XTAL2：片内高增益反向放大器的输出端。3.2.3 AT89S51的复位电路AT89S51的复位电路如图3-7所示。当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”，就可以通过按键使其复位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。 图3-7 复位电路电容C和电阻R1实现上电自动复位。增加按键开关S和电阻R2又可实现按键复位功能。R2的作用是在S按下的时候，防止电容C放电电流过大烧坏开关S的触点。因保证R1/R2 10。一般取C=10uF,R2=100，R1=8.2K。3.2.4 AT89S51与ADC0809的连接AT89S51与ADC0809的连接电路如图3-8所示。AT89S51与ADC0809的连接必须注意处理好3个问题：1.在START端送一个100ns宽的启动正脉冲；2.获取EOC端上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；3.给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE端送一个地址译码器的输出信号。图3-8 AT89S51与ADC0809的连接电路3.4 四位一体7段LED数码管本设计的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管(SM410564)构成，用于显示测量到的电压值。它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图1-13所示。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89S51的P1口产生的显示段码。1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收AT89S51的P3口产生的位选码。图3-10和图3-9分别为其实物图和引脚图。图3-9 一位数码管的原理图图3-10 SM410564数码管实物图3.5 总体电路框图本设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表，原理电路如图3-11所示。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的05 V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89S51芯片的P0口。AT89S51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，并通过其P1口经驱动芯片74HC245驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE管脚为ADC0809提供了1MHz工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换结束信号(EOC)。图3-11电路原理图第4章 软件设计4.1 主程序设计初始化中主要对AT89S51，ADC0809的管脚和数码管的位选及所用到的内存单元70H,78H,79H,7AH 进行初始化设置。准备工作做好后便启动ADC0809对IN0脚输入进的05V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。在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将0255十进制数字量转换成0.005.00V的数据，输出到显示子程序进行显示。整个主程序就是在A/D转换，数据处理及显示程序循环执行。整个程序流程框图如图4-1所示。开始初始化调用AD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4.2 各子程序设计1.A/D转换子程序启动ADC0809对模拟量输入信号进行转换，通过判断EOC（P3.1引脚）来确定转换是否完成，若EOC为0，则继续等待；若EOC为1，则把OE置位，将转换完成的数据存储到70H中。程序流程图如图42所示。图42 A/D转换程序流程图2.数据处理子程序数据处理子程序主要根据标度变换公式11，把0255十进制数转换为0.005.00V。0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)Ax:模拟测量值; A0:模拟量输入最小值; Am:模拟量输入最大值;Nx:摸/数转换后的数值; N0:摸数转换后的最小值; Nm摸/数转换的最大值。在本设计中，根据要求知：A0=0V，Am=5V，N0=0，Nm=255则公式1-1可化简为：Ax=A0+（Ax-A0）*（Nx-N0）/(Nm-N0)=5Nx/255=Nx/51程序流程图如图43所示。图4-3 数据处理子程序流程图3.显示子程序显示子程序采用动态扫描法实现三位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H内存单元中，测量数据在显示时需转换成10进制BCD码放在78H7AH单元中。寄存器R1用作显示数据地址指针。程序流程图如图4-4所示。 开始初始化R1=78HP1置高P2置低R1A 查表取得相应代码输出显示位置P1.7点亮小数点R1=R1+1R1A 查表取得相应代码输出显示R1=R1+1R1A 查表取得相应代码输出显示结 束图4-4 显示子程序流程图第5章 仿真与调试 5.1 硬件实物图 图5-1实验硬件实物图5.2 测量结果本设计经过对所设计的对象的程序以及对原理图进行了修改完善成功的取得了一组测量数据，通过对LED显示管所显示的数字与通过用模拟电压表所测得的数值进行比较以便更加说明本设计的可靠性。所测数据如表51所示。表51测量结果显示LED显示数值(V)0.451.072.213.154.004.605.00模拟值测量数值(V)0.4581.0752.23.1584.0604.6204.995.3 问题及解决方案(1)实验初期，我们选用的是三极管作为数码管的驱动元件，但是在测试过程中发现数码管显示不稳定，发生频闪现象，而且亮度不够。我们就换用了74HC245芯片作为驱动元件，解决了上述问题。 (2)在应用滤波电容的过程中，一开始是把电容串联在电路中，导致电路无法导通，而后我们短路电容，解决了问题。 (3)电源指示灯上，一开始发现接上电源，指示灯不亮，经过仪器测量发现正负极接反，问题解决。 (4)由于源程序的多处错误，使得仿真无法通过，后经过单步调试，把存在的错误一一排除，通过了软件仿真。 总 结通过本次课题设计，我们对单片机这门课程有了更进一步的了解。无论是在其硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。本次实验采用了AT89S51单片机芯片，与以往我们我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过本次实验及查阅相关资料，我们对其之间的区别有了一定的认识，在本课题设计报告的硬件介绍部分也对其作了详细的论述。S51在C51的基础上增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。另外，在对单片机编程方面，我们又掌握了一些新的编程思想，使得程序更为简练、易懂，而且更为严谨，程序执行的稳定性得到了提高。实验中我们还用到了模/数转换芯片ADC0809，以前在学单片机这门课程时只是对其理论知识有了初步的了解。通过本次实验，我们对它的工作原理彻底理解了，对其启动设置、转换结束判断以及输出控制等都基本掌握。电路连接方面，我们对其与单片机的连接也有了更为直观的认识，通过实验的摸索以及必要的理论知识，我们准确的实现了它于单片机的互连。 参考文献1 康华光.电子技术基础.数字部分 北京:高等教育出版社,20002 顾永杰.电工电子技术实训教程.上海:上海交通大学出版社,1999 3 陈小虎.电工实习（I）.北京:中国电力出版社，19964 焦辎厚.电子工艺实习教程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19935 陈 坚.电力电子学M.北京:高等教育出版社,20026 宋春荣.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社,19957 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社,20028 吕思忠.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社,20019 谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社,2000附录一 整机电路图附录二 程序清单#include unsigned char code dispbitcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char dispbuf4;/位选unsigned char getdata;unsigned int temp;sbit ST=P30; /位申明sbit OE=P31;sb