基于AT89S52的3位数字电压表的设计

摘 要单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)。随着单片机技术的飞速发展，各种单片机蜂拥而至，单片机技术已成为一个国家现代化科技水平的重要标志。单片机可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化。现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。本毕业设计的课题是“3位数字电压表的设计”。主要考核我们对单片机技术，编程能力等方面的情况。观察独立分析、设计单片机的能力，以及实际编程技能。本课题主要解决A/D转换、数据处理及显示控制等三个模块。控制系统采用AT89S52单片机，A/D转换采用ADC0809。关键词：单片机，AT89S52，A/D转换，ADC0809，数据处理AbstractChip Processor is a kind of chip of integrated circuit, adopt to exceed large-scale technology have data handling ability ( such as arithmetic manipulation, logic is operational , data deliver and suspend handling) tiny processor ( CPU ). Along with Chip Processor technology develop fast, various Chip Processor come in great numbers, Chip Processor technology has become a important sign of the national modern level of science and technology .Chip Processor can complete modern industrial control alone the intelligent control function that will beg, this is the feature of biggest Chip Processor. When Chip Processor control system can replace, using the control system that complex electronic line or digital circuit forms can software control come to realize, and can realize intelligence to melt.Now,Chip Processor control category is omnipresent , for instance communicate product, electric home appliances, intelligent instrument pearance ,course control and the control equipment for special purpose and so on, the application field of Chip Processor is more and more extensive. Graduate the program of design is the design of 3 digital volmeter . Check on our condition for the aspects such as Chip Processor technology and programming ability mainly. Observe actual programming ability as well as the ability of independent analysis and design Chip Processor .This program solves the data handling and conversion of A/D mainly and shows the 3 modulars such as control. Control system adopts AT89S52 only flat machine, the conversion of A/D adopts ADC0809.Keyword : Chip Processor, AT89S52, A/D changes, ADC0809，Data handle.目 录绪 论11.数字电压表11.1数字电压表发展情况11.2数字电压表的特点21.3数字电压表的发展趋势32.3位数字电压表的总体设计42.1系统的功能:42.2系统主要技术指标42.3系统初步方案43.3位数字电压表硬件设计53.1 AT89S52系统控制模块的设计53.2 3位LED显示系统的设计63.3 A/D转换系统的设计63.4系统硬件电路的设计94.3位数字电压表软件设计94.1软件算法设计94.2软件数据结构设计104.3 C语言源程序10结 论13致 谢14参考文献14 绪 论数字电压表（Digital Volmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。1、数字电压表1.1数字电压表发展情况科学技术的发展为测量仪器、仪表提供了新原理和新技术以及新型的元、器体，同时又对测量仪表提出了更新、更高的要求。数字电压表(简写为DVM)就是在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上产生和发展起来的。数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。1952年，美国NLS公司首创四位数字电压表，到现在的五十多年中经过了不断的改进和提高。电压表是从电位差计的自动化考虑中研制成功的，开始是四位然后是五位、六位，而现在发展到七位、八位数码显示;从最初的一、二种工作原理发展到几十种原理，从最早采用继电器、电子管发展到全晶体管化、集成电路化、微处理器化;从一台DVM只能测一、二种参数到能测十几种参数的多用型;显示器件也从辉光数码显示发展到等离子休、发光二极管、液晶显示等。电压表的体积和功耗越来越小，重量不断减轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐渐扩大。回顾一下DVM的发展过程，大致可以分为以下三个阶段。1.1.1数字化阶段20世纪50年代到50年代中期，DVM的特点是运用各种原理实现模/数(AID)转换，即将模拟量转化成数字量，从而实现测量仪表的数字化。1952年，第一台问世的数字电压表是采用电子管的伺服比较式;1956年出现谐波式VIT(电压/时间变换型);1961年出现全晶体管化的逐次逼近比较式;1963年出现电压/频率VIF)变换型(单积分式);1966年出现双积分式(双斜式)等。这一时期的显示位数是3.5-5.5位。1.1.2高精度阶段由于精密电测量的需要，DVM开始向高准确、高位数方向发展，出现了所谓复合型原理的仪表。如1971年日木研制的TR-6567(三次采样积分式);1973年英国研制的SM-215(两次采样电感分压比较型);1972年日本研制的TR-G501型DVM己达到了8位数。与此同时对积分方案进行了改进和提高，出现了如Dana公司的6900型(C7位)、Solartron公司生产的7075型(C8位)，其准确度可达到百万分之几。1.1.3.智能化阶段由于电子技术、大规模集成电路( LSI )及计算机技术的发展，是人们不久就研制出微处理器(P)数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序，因为带有存储器并便用软件支持，所以可以进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统CATS)例如，Fluke公司的8506型、Solarrron公司的7065型和7081型、Datron公司的1071和1281型，以及Fluke公司的最新产品8508A型等。它们除了完成原有DVM的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高准确度，实现了仪器、仪表的智能。当前，智能式仪表发展十分迅速，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大。智能化的DVM为实现各种物理量的动态测量提供了可能。1.2数字电压表的特点1.2.1显示清晰直观，读数准确传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种“数字/模拟条图”仪表业已问世。“模拟图条”有双重含义：第一，被测量为模拟量：第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM一与模拟电压表之优点。 智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和扫一印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。1.2.2分辨率高，测量范围宽数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的白分比。多量程DVM一般可测量0-1000V直流电压，配上上高压探头还可测上万伏的高压。1.2.3扩展能力强在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表(DMM)和智能仪表，以满足不同的需要。1.2.4测量速度快数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S。它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。1.2.5输入阻抗高，集成度高，微功耗数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MS2-10000MS2,，最高可达1T欧，并且新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。1.2.6抗干扰能力强其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB, sOm2odBa高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。1.3数字电压表的发展趋势采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大晕问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。新型数字仪表的发展主要有四个方向:(1)广泛采用新技术，不断开发新产品(2)向模块化发展，新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。(3)多重显示仪表，为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，“数字/模拟条图”双显示仪表己成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。模拟条图大致分成二类：晶(LCD)条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。离子体(PDP )光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。LED光柱，它是又多只发光二极管排列而成。这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸逻大，功耗高，驱动电路复杂。(4)制作简单化2、3位数字电压表的总体设计2.1系统的功能:该题目涉及单片机接口技术和电压测量技术，包括数码管显示电路、A/D转换电路、信息处理。通过A/D电路实现对直流电压的测量，单片机将采集到的信息进行处理后通过数码管进行显示，测量的最小分辨率为0.019V,测量误差约为0.02。2.2系统主要技术指标范围：DC0V-5V量程：0V-5V显示位数：3位分辨力：0.02 V测量速率：1次/秒测量方式：自动连续测量 果显示方式：正常显示 2.3系统初步方案系统采用模块化设计方法，以单片机控制器为主要核心，与LED显示电路、A/D转换电路等组成数字电压表控制系统。其中，单片机主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能；LED显示模块主要完成数显功能；A/D转换模块由A/D芯片和可调电位器电路组成，通过可调电位器电路实现模拟电压的输入，范围在05V之间。数字电压表系统硬件组成方框图下图所示。单片机系统复位电路LED显示电路时钟电路A/D转换电路图2.3.1 数字电压表系统硬件示意图应用软件采用模块化设计方法。系统主要由主程序、定时器中断服务子程序、A/D转换子程序、计算A/D转换值子程序、LED显示子程序等模块组成，系统软件框架如图所示。 初始化程序系 统 主 程 序A/D采集并处理EOC是否等于0LED显示NOYES图2.3.2 系统软件框架图3、3位数字电压表硬件设计3.1 AT89S52系统控制模块的设计AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，8kBytesISP可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3.2 3位LED显示系统的设计图3.2.1数码管示意图静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的 余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。3.3 A/D转换系统的设计A/D模块主要由A/D芯片和可调电位器电路组成，可调电位器电路实现05V之间的模拟电压输入。ADC0809概述：ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片 3.3.1主要特性8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 单个+5V电源供电 模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-40+85摄氏度 低功耗，约15mW。 3.3.2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 3.3.3 外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 D0D7：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。3.3.4 ADC0809的工作过程：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。 转换数据的传送 ：A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片有表示转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表示转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。然后经过单片机将信号进行处理。A/DC08090的示意图如下所示： 图3.3.1 A/DC0809示意图3.4系统硬件电路的设计图3.4.1系统硬件图4、3位数字电压表软件设计4.1 软件算法设计通过可调电位器改变电压输出值在05V范围内连续变化，从而实现模拟量的输入电压。根据A/D转换器的工作时序进行循环采样 ，将采集到的数值做相应的处理，最后通过LED数码管显示子程序输出计算结果，显示范围在0.05.0V。4.2 软件数据结构设计A/D转换器的启动脉冲输入端定义为P3口的P30;A/D转换器的数据输出允许信号端定义为P3口的P31;A/D转换器的转换结束信号输出端定义为P3口的P32;A/D转换器的时钟脉冲输入端定义为P3口的P33;A/D转换器的ADDA、ADDB、ADDC 三位地址输入线分别定义为P3口的P34、P35、P36;A/D转换器的8位数字量输出端定义为P2口；3位LED的位选端分别定义为P2口的P20、P21、P22；3位LED的段选端定义为P1口；4.3 C语言源程序如下：#includeunsigned char code dispbitcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char dispbuf3; unsigned char getdata;unsigned int temp; sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit CLK=P33;sbit P34=P34;sbit P35=P35;sbit P36=P36;sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P17=P17;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() P1=dispbitcodedispbuf2; P20=0; P21=1; P22=1;Delay(10); P1=0x00; P1=dispbitcodedispbuf1; P17=1; P20=1; P21=0; P22=1; Delay(10); P1=0x00; P1=dispbitcodedispbuf0; P20=1; P21=1; P22=0; Delay(10); P1=0x00;void main()TimeInitial();while(1)ST=0;OE=0;ST=1;ST=0;P34=0;P35=0;P36=0;while(EOC=0);OE=1;getdata=P0;OE=0;temp