单片机数字电压表论文.doc

毕业设计（论文）说明书设计题目 数字电压表的设计摘 要本文介绍一种基于89S52单片机的一种电压测量电路,该电路采用ADC0809高精度、8位逐次逼近式转换电路，测量范围直流0-5伏，使用8段LED数码管模块显示，可以与PC机进行串行通信。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了逐次逼近式转换电路的原理，89S52的特点，ADC0809的功能和应用，8段LED数码管的应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键词：电压测量 ADC0809 A/D转换器 LED-8位数码管模块目 录一、绪论. .1二、系统原理及基本框图 .2三、硬件设计 .23.1 输入电路 .23.2 A/D 转换电路 .33.2.1 8位逐次A/D 转换器的工作原理 .33.2.2 ADC0809的应用 .43.3单片机部分 .53.3.1主要性能.63.3.2单片机管脚说明.63.4 数码管显示部分 .73.4.1 数码管显示部分与89S52的接口.83.5 通讯模块.9四、系统的软件设计.94.1系统改进及优化 .104.2主程序设计.104.3 A/D程序设计.104.4通讯模块程序设计.10结束语.10致谢 .10设计总结 .10参考文献 .11附录 . .11一、程序清单.11二、元件清单.13三、PCB图 . .14四、实物图.15IV一、绪 论在电量的测量中，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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。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青睐。本设计从各个角度分析了由单片机组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。二、系统原理及基本框图本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、稳压电路、A/D转换电路、LED数码管显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用C语言编程，利用Keil 软件对其编译和仿真，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。基本框架图如图1所示：单 片 机LED显示A/D转换芯片（ADC0809cCCN）模拟电压输入报警模块系统总框架图图1三、硬件设计3.1 输入电路A/D转 换芯 片ADC0809RC滤波电路模拟量输入A/D转换器的模拟量输入通道IN0-IN7前采用RC滤波电路。如图2所示：图23.2 A/D 转换电路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变成数字量再处理。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。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，比如ICL71XX系列等，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。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ADC0808、ADC0809等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示。3.2.1 8位逐次A/D 转换器的工作原理ADC0809是采用逐次逼近式原理的A/D转换器。 1.主要性能l 分辨率为8位二进制数。l 模拟输入电压范围0V5V，对应A/D转换值为00HFFH。l 每路A/D转换完成时间为100s。l 允许输入8路模拟电压，通过具有锁存功能的8路模拟开关，可以分时进行8路A/D转换。l 工作频率为500kHz,输出与TTL电平兼容。2.ADC0809芯片的组成原理ADC0809芯片的组成框图如图3所示：图3由图可见，它是由地址锁存器、8路模拟开关、8位逐次A/D转换器和三态锁存输出缓冲器构成。由3位地址输入线ADDR0、ADDR1、ADDR2决定8路模拟输入中的1路进8位A/D转换器，A/D转换值进入三态锁存输出缓冲器暂存，在CPU发来输出允许控制信号OE后，三态门打开，经DB7DB0进入CPU总线，完成一次A/D转换全过程。 3ADC0809引脚功能 ADC0809采用28引脚的封装，双列直插式。l IN0IN7-8路0V+5V模拟电压输入端。l DB7DB0-8路数字输出线，输出8位A/D转换值。l START-启动A/D转换输入端。若单片机在此引脚上加一个正脉冲时，脉冲的上升沿将内部寄存器清0；其下降沿启动A/D进行一次新的转换。l EOC-A/D转换结束输出信号，高电平有效。当A/D转换的START有效时，EOC处于低电平，表示正在转换；当EOC处于高电平时，表示A/D转换结束。l OE-允许数字量输出信号，高电平有效。当OE=1时。三态门打开，将A/D转换后的值放到数据总线上供CPU用指令取走。l CLOCK-输入时钟脉冲端。频率为500kHz。l ADDR0、ADDR1、ADDR2-模拟量输入通道的地址选择线。l ALE-地址锁存允许输入信号。锁存ADDR0、ADDR1、ADDR2。3.2.2 ADC0809的应用用单片机的ALE输出的脉冲信号经过74HC74的4分频电路输入到ADC0809的CLOCK。并采用74HC573锁存器对ADC0809的通道选择地址线与数据总线分离，避免对数据总线的干扰（R1为0欧电阻）。原理图如图4所示：图43.3单片机部分单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 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。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其芯片引脚图如图5所示：图53.3.1主要性能l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符3.3.2.单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1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。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4TTL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。 P2口：P2口为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。并因此作为输入时，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。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们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（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表1所示：P3口引脚第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时器0外部脉冲输入）P3.5T1（定时器1外部脉冲输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出）表 1P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。ALE/PROG：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。/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/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.4数码管显示部分本设计采用2个4位共阴LED数码管作为电压的显示。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。一般I/O接口芯片的驱动能力是很有限的，在LED显示器接口电路中，输出口所能提供的驱动电流一般是不够的尤其是设计中需要用到多位LED，此时就需要增加LED驱动电路。驱动电路有多种，常用的是TTL或MOS集成电路驱动器，在本设计中采用了74HC573芯片驱动电路，如图6所示：图63.4.1 数码管显示部分与89S52的接口74HC573单片机P0口字型LED码LED字位码单片机P2口 图73.5 通讯模块本设计附带有串口通信模块，由MAX232和RS232构成，原理图如图8所示：图8四、系统的软件设计系统软件的总框架如图9所示：开 始系统初始化启动AD并采集数值显示电压END是否超过上限END报 警YN图9在系统安装完成之后必须对其进行校验。当系统自测自带电源电压，接地时数码管应显示为0.000；接VCC时数码管应显示5.000。并应对A/D转换器的基准电压进行调试，稳定在5V。如果显示数据与实际数据相差大于1%时，则应在程序中进行多次采集，以便于更贴近实际电压值。4.1系统改进及优化在AD模块处应更加注重电磁干扰、数字地与模拟地的连接、时钟信号的频率；为了能采集到快速变化的模拟量时，应外加采样保持电路；程序也可以改进为带实时控制的电压采集系统，并通过串口通信与PC机相连，实现远程监控。4.2主程序设计4.3 A/D程序设计4.4通讯模块程序设计主程序、A/D程序、通信模块程序均见附录一。结束语由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统，以及灵敏度和精度较高的A/D转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。单片机的应用如今已经在工业、电子等方方面面展示出了它的优越性，利用单片机在设计电路逐渐成了趋势，它与外围的简单电路再加上优化程序就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩。设计总结通过本次的设计，让我在自学、对设计的构思上、对细节的关注上还有自己的动手能力有了很大的提高。单片机的设计：从一个理念到画原理图，然后到PCB的制作，程序的编写，作品的调试和最后的改善。在这个流程里，我更加深刻的理解了书本上的内容。在完成本次设计之后，我的思维方式有了很大的进步，我相信我以后的作品一定更加完善。参考文献1钱晓捷，汇编语言程序设计，北京：电子工业出版社，20002李勋，单片机微型计算机大学读本，北京：北京航空航天大学出版社，20023吴金戌等，8051单片机实践与应用，北京：清华大学出版社，20024王治刚，单片机应用技术与实训，北京：清华大学出版社，20045吴桂初，单片机在真空包装机中的应用，科技通报2004.3 6彭洁著，设计解码-环艺篇，江南美术出版社，2004年5月7肖洪兵， 跟我学用单片机， 北京：北京航空航天大学出版社,2002.88于永，戴佳，常江 著，51单片机C语言常用模块与综合系统设计（实例精讲），电子工业出版社，2007年4月9刘坤，宋戈，赵红波，张宪栋 著，51单片机C语言应用开发技术大全，人民邮电出版社，2008年9月10周兴华 著，单片机C程序设计，北京航空航天大学出版社，2007年10月附 录一、程序清单1.1通信调试模块程序#include unsigned int a,flag;void main()TMOD=0x20;/T1的工作方式2TH1=0xFD;TL1=0xFD;/设置波特率TR1=1;/定时器SM1=1;/SCON模式1。0SM0=0;REN=1;/允许单片机接收EA=1;/总中断开ES=1;/开中断while(1)if(flag=1)ES=0;/close通信 SBUF=a;/返回值while(!TI);/等待传送TI=0;/发完则清0flag=0;ES=1;/开通信void tongxun()interrupt 4/4号中断RI=0;/手动清0a=SBUF;/接收P1=a;flag=1;/给标志位1.2主程序#includeunsignedcharcodedispbitcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char dispbuf4;unsigned int i;unsigned int j;unsigned char getdata;unsigned int temp;unsigned int temp1;unsigned char count;unsigned char d;sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit SPK=P37;sbit G=P34;sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;sbit P07=P07;void TimeInitial();void Delay(unsigned int i);void TimeInitial() TMOD=0x10; TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1; void Delay(unsigned int i) unsigned int j; for(;i0;i-) for(j=0;j125;j+) ; void Display() P0=dispbitcodedispbuf3; P07=1