基于单片机的数字电压表设计

电子信息工程课程设计报告 电子信息工程课程设计报告电子信息工程课程设计报告 题题 目 目 基于基于单片机单片机的数字电压表设计的数字电压表设计 系部名称系部名称 信息工程学院 专业名称专业名称 电子信息工程 班班 级级 2011 级电子信息工程 1 班 学号学号 20110441031047 学生姓名学生姓名 姚远 指导教师指导教师 陈肇基 电子信息工程课程设计报告 目 录 1 引言 1 2 设计原理及要求 2 2 1 数字电压表的实现原理 2 3 系统硬件设计方案 3 3 1 设计思路 3 3 2 仿真电路图 3 3 3 设计过程 4 3 4 AT89C51 的功能介绍 4 3 4 1 简单概述 4 3 4 2 主要功能特性 5 3 4 3 AT89C51 的引脚介绍 5 3 5 ADC0808 的引脚及功能介绍 7 3 5 1 芯片概述 7 3 5 2 ADC0809 的工作时序 8 3 5 3 3 档位控制电路 8 3 6 LED 数码管的控制显示 9 3 6 1 LED 数码管的模型及结构分析 9 4 系统软件程序的设计 10 4 1 程序代码分析 11 5 电压表的调试及性能分析 12 5 1 调试与测试 12 电子信息工程课程设计报告 5 2 性能分析 12 电子信息工程课程设计报告 6 总结 12 参考文献 13 电子信息工程课程设计报告 0 1 引言 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础 电压表的数字化是将连续的 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 这有别于传统 的以指针加刻度盘进行读数的方法 避免了读数的视差和视觉疲劳 目前数字 万用表的内部核心部件是 A D 转换器 转换器的精度很大程度上影响着数字万 用表的准确度 本文 AID 转换器采用 ADC0809 对输入模拟信号进行转换 控 制核心 AT89c51N 对转换的结果进行运算和处理 最后驱动输出装置显示数字 电压信号 2 系统设计要求 基本要求 实现 8 路直流电压检测 测量电压范围 0 5V 显示指定电压通 道和电压值 用按键切换显示通道 发挥要求 测量电压范围为 0 25V 循环 显示 8 路电压 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 3 系统硬件设计方案 3 1 设计思路 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 滑动变阻器电路组成 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 VREF VCC 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 temp1 255 VREF ADC0808 采用逐 次逼近法转换 把模拟电压转换成 16 进制的 temp1 由于是对直流电压 0 5V 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 倍后的结果再次放入 temo1 中 通过查表使之显示在 LED 显示器 同理再动态显示小数点后的数 电子信息工程课程设计报告 1 3 2 仿真电路图 用 Protues 软件仿真设计的电路如图 3 1 所示 电子信息工程课程设计报告 2 图 3 1 仿真电路 3 3 设计过程 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 3 4 AT89C51 的功能介绍 3 4 1 简单概述 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储 器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 AT89C51 是一种带 2K 字节闪存可编程 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 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标 准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 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 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 外形及引脚排列如图3 2 所示 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 电子信息工程课程设计报告 3 图 3 2 AT89C51 芯片模型 3 4 2 主要功能特性 1 4K 字节可编程闪烁存储器 2 32 个双向 I O 口 128 8 位内部 RAM 3 2 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 4 可编程串行通道 5 5 个中断源 6 2 个读写中断口线 7 低功耗的闲置和掉电模式 8 片内振荡器和时钟电路 3 4 3 AT89C51 的引脚介绍 89C51 单片机多采用 40 只引脚的双列直插封装 DIP 方式 下面分别 简单介绍 1 电源引脚 电源引脚接入单片机的工作电源 Vcc 40 引脚 5V 电源 GND 20 引脚 接地 2 时钟引脚 XTAL1 19 引脚 片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端 XTAL2 20 引脚 片内振荡器反相放大器的输出端 电子信息工程课程设计报告 4 图 3 3 电源接入方式 3 复位 RST 9 引脚 在振荡器运行时 有两个机器周期 24 个振荡周期 以上的高电平出 现在此引脚时 将使单片机复位 只要这个脚保持高电平 51 芯片便循环 复位 4 Vpp 31 引脚 EA 为外部程序存储器访问允许控制端 当它为高电平时 单片机读片内程EA 序存储器 在 PC 值超过 0FFFH 后将自动转向外部程序存储器 当它为低电平 时 只限定在外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH Vpp 为该引脚的第二功 能 为编程电压输入端 5 ALE 30 引脚 PROG ALE 为低八位地址锁存允许信号 在系统扩展时 ALE 的负跳沿江 P0 口 发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器 然后再作为数据端口 为PROG 该引脚的第二功能 在对片外存储器编程时 此引脚为编程脉冲输入端 6 29 引脚 PSEN 片外程序存储器的读选通信号 在单片机读片外程序存储器时 此引脚输 出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号 7 pin39 pin32 为 P0 0 P0 7 输入输出脚 称为 P0 口 P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I O 口 内部不带上拉电阻 当外接上拉电 阻时 P0 口能以吸收电流的方式驱动八个 LSTTL 负载电路 通常在使用时外 接上拉电阻 用来驱动多个数码管 在访问外部程序和外部数据存储器时 P0 口是分时转换的地址 低 8 位 数据总线 不需要外接上拉电阻 8 Pin1 Pin8 为 P1 0 P1 7 输入输出脚 称为 P1 口 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I 0 口 P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载 电子信息工程课程设计报告 5 9 Pin21 Pin28 为 P2 0 P2 7 输入输出脚 称为 P2 口 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载 端口置 1 时 内部上拉电阻将端口拉到高电平 作输入用 对内部 Flash 程序存储器编程时 接收高 8 位地址和控制信息 在访问外部程序和 16 位外部 数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址 而在访问 8 位地址的外部数据存储器时 其引脚上的内容在此期间不会改变 10 Pin10 Pin17 为 P3 0 P3 7 输入输出脚 称为 P3 口 P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载 这 8 个引脚还用于专门的第二功能 端口置 1 时 内部上拉电阻将端口 拉到高电平 作输入用 对内部 Flash 程序存储器编程时 接控制信息 3 5 ADC0808 的引脚及功能介绍 3 5 1 芯片概述 ADC 0809 是一种 8 位 ADC 采用 CMOS 工艺制成的 8 位八通道 A D 转换 器 片内有 8 路模拟采样开关 可控制 8 个模拟量中的一个进入转换器中 其 内部结构图和引脚图分别如图 3 1 1 1 和 3 1 1 2 所示 图 3 1 1 1 ADC0809 内部结构 电子信息工程课程设计报告 6 片内有 8 路开关 模拟开关的地址锁存与译码电路 比较器 256R 电阻 T 型网络 树 状电子开关 逐次逼近寄存器 SAR 三态输出锁存缓冲储存器 定时和控制电路等 ADC0809 通过引脚 IN0 IN1 IN7 可输入 8 路单边模拟输入电压 ALE 将 3 位地址线 ADDA ADDB ADDC 进行锁存 在 ADC0809 片内的 256R 电阻 T 型网络和电子开关树它相当一个 D A 转换器 它 把预测的 8 位二进制数转换为模拟的电压幅值 送入比较器中与实际电压相比较 ADC0809 主要引脚功能如下 IN0 IN7 通道 0 7 的模拟量输入 D0 7 数字量输出 ADDC ADDB ADDA 通道 0 7 选择 ALE 通道地址锁存 正脉冲有效 START 启动信号 正脉冲有效 上升沿所有寄存器清 0 下降沿开始转换 EOC 转换结束 高电平有效 OE 允许输出 高民平有效 3 3 5 5 2 2 ADC0809ADC0809 的工作时序的工作时序 ADC0809 的工作时序如图 2 1 2 1 所示 主要控制信号说明 START 是转换启 动信号 高电平有效 ALE 是 3 位通道选择地址 ADDC ADDB ADDA 信号的锁存 信号 当模拟量送至某一输入端 由 3 位地址信号选择 而地址信号由 ALE 锁存 EOC 是转换情况状态信号 当转换结束后 EOC 输出高电平 以示转换结束 在 EOC 的上升沿后 若使能输出信号 OE 为高电平 则控制打开三态缓冲器 把转换好的 8 位 数据结果输至数据总线 至此 ADC0809 的一次转换结束 图 3 1 2 1 ADC0809 的工作时序图 3 3 5 5 3 3 档位控制电路档位控制电路 电子信息工程课程设计报告 7 为了增加 DVM 的测量范围 设计了档位选择电路 其主要原理是采用电阻分压 原理 上 ADC0809 有八路数据输入端口 也就是说可以分为八档 为了简化设计 只分了两 档 1 档 10 档 当输入电压范围为 0 5V 时 IN0 导通 此时 UI U26 而当输入电压范围为 5 50V 时 FPGA 判断选择档位 IN1 导通 此时 UI U27 即 UI 272625 2725 RRR RR 26 10 1 U 由于 ADC0809 数字量输出为 8 位 数字量化范围为 0 255 当输入电压为满量 程 5V 时 转换电路对输入电压的分辨能力为 mV V 6 19 255 5 电子信息工程课程设计报告 8 3 6 LED 数码管的控制显示 3 6 1 LED 数码管的模型及结构分析 LED 的段码端口 A G 分别接至 AT89C51 的 P1 0 P1 7 口 位选端 1 4 分别接至 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 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 6 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 引脚排列如下图所示 LED 引脚排列 3 4 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 显示器 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 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 电子信息工程课程设计报告 9 并联后 引出到器件的外部 4 位 LED 引脚 对于这种结构的 LED 显示器 它的体积和结构都符合设计要求 由于 4 位 LED 阴极的各段已经在内部连接在一起 所以必须使用动态扫描方式 将所 有数码管的段选线并联在一起 用一个 I O 接口控制 显示 3 4 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 3 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 3 所示 4 系统软件程序的设计 多路数字电压表系统软件程序主要有主程序 A D 转换子程序和中断显示 程序组成 4 1 程序代码分析 include define uint unsigned int define uchar unsigned char 电子信息工程课程设计报告 10 uchar code table 0 x3f 0X06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 7 0 x7f 0 x6f 0 x77 sbit START P3 0 sbit EOC P3 1 sbit OE P3 2 sbit dot P1 7 void delay uint m while m void main uint temp1 START 0 OE 0 START 1 START 0 while 1 if EOC 1 OE 1 temp1 P0 temp1 temp1 1 0 255 500 OE 0 P2 0 xfe P1 table temp1 10 delay 500 P2 0 xfd P1 table temp1 10 10 delay 500 P2 0 xfb P1 table temp1 100 10 电子信息工程课程设计报告 11 dot 1 delay 500 START 1 START 0 5 电压表的调试及性能分析 5 1 调试与测试 本设计应用 Proteus6 及 KEIL51 软件 首先根据自己设计的电路图用 Proteus6 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 Proteus 软件中的模拟电压表测得 5 2 性能分析 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