单片机-数字电压表

1、第1章概述 本次设讣是利用单片机的原理和A/D转换来设计一个简易数字电压 表。数字电圧表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转 换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电 压表。较之于一般的模拟电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读 数直观、使用方便等优点。 电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成 数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D）。数字电压表的核心部 件就是A/D转换器，山于各种不同的A/D转换原理构成了各种不同类型 的DVMo 一般说来，A/D转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。 积分式A/D转换器是先用积分

2、器将输入的模拟电压转换成时间或频 率，再将其数字化。根据转化的中间量不同，它乂分为U-T （电压时间） 式和U-F （电压-频率）式两种。 逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原 理，比较式乂分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式乂分为线性斜坡 式和阶梯斜坡式两种。 在高精度数字电压表中，常釆用山积分式和比较式相结合起来的复 合式A/D转换器。本设计以AT89C51单片机为核心，以逐次比较型A/D 转换器ADC0808.液晶显示器LCD为主体，构造了一款简易的数字电压表, 能够测量1路051V直流电圧，最小分辨率。 第2章系统总体方案设计 实现数字电压表的方案较多，LI

3、前广泛采用的是基于74系列逻辑器 件方案，本设计将介绍基于单片机实现的方案。 74系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采 样电路+数据处理实现，被测电压信号山信号输入端加到测量系统，进行 预处理后送到后级电路。 单片机系统方案采用输入处理电路+ADC0808+AT89C51+液晶显示实 现，被测信号由ADC0808模拟输入端输入，电压范围为0-51V进行采集, 并在4位LED上进行显示，测试精度为。数字电压表主要山模数转换电路, 单片机控制电路，时钟、复位电路和LED显示电路组成。其中数模转换电 路由ADC0809芯片构成，将输入的模拟信号进行取样、转换，然后再将 转换的

4、数字信号送进单片机；单片机控制电路主要实现对数据进行程序处 理；显示电路主要用于将单片机的信号数据转换后显示测量结果。 第3章系统方框图与工作原理 系统方框图 基于单片机系统的电压表的基本结构如下图所示 单片机部分作为控制系统，显示部分显示测量结果，模数转换采集电 压以及电阻值发送到单片机，通过改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压 表的值。 工作原理 A/D转换山集成电路0808完成，0808具有8路模拟输入端口，地址线 （2325脚）可决定对哪一路模拟输入作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2nS 宽高电平脉冲时，就开始A/D转

5、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转换数据输岀允许控制，当OE脚 为高电平时，A/D转换数据从端口输出10脚为0808的时钟输入端，利用单 片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机 的P1、端口作为四位LED数码管显示控制。端口用作单路显示/循环显示 转换按钮，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。 第4章 各单元硬件设计说明 单片机功能及选用 系统设计使用MCS-51单片机8051芯片。8051芯片由以下部分组成: 中央处理器、256单元的内部数据存储器

6、、4KB的程序存储器、定时器/ 讣数器、四个八位的I/O 口，中断控制系统及时钟电路。图所示为采用双 列直插式封装的8051AH芯片管脚图。 接ADC0808的OUT1-OUT8,作为数字量的输入端口，接数码显示管, 接ADC0808的时钟信号。 U1 19 18 29 31 2 T S- XTAL1PO.O/ADO P0.1/AD1 P0.2/AD2 XTAL2P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 RSTP0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2-A10 PSERP2.3/A11 ALEP2.4/A12 &P2.SA13 P2.&A14 P2

7、.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2.1WTg P3.3.WIT P3.4/T0 P3.5E P3.6.WTT P3.7.*nU .OJ2345.6.7 PPPPPPPP AT8905- 图AT80C51单片机的引脚图 时钟电路与复位电路的设计 时钟电路是讣算机最核心的部分，它控制着计算机的丄作MCS-51单 片机允许的时钟频率典型值为12MHZo80C51单片机内部有一个高增益反 相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为 XTAL2,分别是80C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英 晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器

8、。石英晶振起振后要能在 XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英 晶振相同频率自激震荡。通常，OCS的输出时钟频率fosc为16MHZ,典 型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。 调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。 单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号 是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。单片机的 复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图4-2所示是51系列单片机 常用的上电复位电路，只要Vcc上升时间不超过Ims,它们都能很好地工 作。复位以后，单片机内各部件恢复到

9、初始状态。 电阻电容器件的参考值:Rl=200Q/R2=lKQ/C3=22nFo RET按键可以选择 专门的复位按键，也可以选择轻触开关。 电路图如图4-2所示。 JCTAL1 XTAL2 RST PSEN ALE EA U1 POO/ADO PO.1/AD1 P0 2/AD2 P0 3/AD3 P0 4/A34 P0 5/AD5 PO 6 仏D6 PO7/AD7 P2.0/A8 P2.VA9 P2.2tt10 P2 3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 Pl 0 P1.1 Pl 2 PI 3 PI 4 Pl 5 PI 6 PI 7 P3.0/RXD P3.1HXD P3.2/1NT

10、D P3.3NT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3G/WR P37.TO 10 11： 亠 P2.7/A15 图4-2时钟电路与复位电路 显示电路设计与器件选择 单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统 的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果。 显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。 LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，此设计不釆用段驱动芯片 和位驱动芯片，直接由单片机的Pl，P2 口驱动，实验证明可行。 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 此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。

11、在我们的 设计中，选择4位一体的共阳极时钟型LED显示器，釆用动态显示方式。 图4-2为本系统LED显示电路，采用P1 口作为LED的段码输出信号，P2 口的低四位作为LED位码的输出控制信号。 f 111 1 eq 0 g Mnvw匚p -r-4 r b n n n n n n n 口匚 UV1U 1:矣 rm ri rng 、g b S：匚匚 5：&X&5： 图43 LED显示原理图 A/D转换电路和测量电路设计 引脚功能 INO ADDA IN1 ADDB IN2 ADDC IN3 ALE IN4 IN5 2-1 MSB IN6 2-2 IN7 2-3 2-4 START 2-5 EOC

12、 2-6 OUTPUT ENABLE 2-7 CLOCK 2-8LSB VCC GND VREF(+) VREF(-) 药24232221201918815141713 26272812345 图ADC0808引脚图 INOIN7： 8路模拟量输入。A、B、C： 3位地址输入，2个地址输入 端的不同组合选择八路模拟量输入。 ALE：地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地 址锁存到内部的地址锁存器。 DOD7：八位数据输出线，A/D转换结果山这8根线传送给单片机。 OE：允许输出信号。当OE时，即为高电平，允许输出锁存器输出 数据。 START：启动信号输入端，START为正

13、脉冲，其上升沿清ADC0808的内 部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。 EOC：转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已 完成。 ADC0808内部结构图 3位地址Q 地址娜.存允许 宙立模拟输入 地址邈存 与译码 启动时钟 T L 1 ii轟 VCC GWD REP ( ) I 揑制与时序 8位输出 滿出允许 图ADC0808内部结构 逐次逼近型A/D转换器ADC0808由八路模拟开关、地址锁存与译码 器、比较器、D/A转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。 A/D转换电路设计 XT/4.1 XTL2 rst FOJOfADO FO.IfADI TO2MD

14、2 FO3AD3 F0 CM FO5WD5 FO 6fAD6 FO 7WD7 29 38 37 36 35 34 PSEN ALE 6A mo 1 2 $2 3 4 345 気5B 旳6 ? Q P2J0fA8 P2.1FA9 P2.2l0 P2.MM1 P2.4/A12 P2.SXA13 P2.BA14 P27A15 X Plfi P伟 P14 P13 PP P19 PT5 P17 -21 -21 2&-企 芒 io “ d 22- 2- 亠 2ZZ P21 P1 .QH2 _ P1.1/T2EX0 P1.2C P1.3CEK0 P1.4CD(1 P1 5CEX2A11SO Pl.&CEXS

15、fSCK PI .7Z：EX4A1OSI P3.CURXD K?.1fTXD P3.2XUT0. P3.3XWT1 P34/T0 P3OT1 P話用區 P3.7昴 10 24 21 22- IN0 CLOCK IN1 START IN2 IN3 ECC IN4 INS CUT1 IN6 CUT2 IN7 OJT3 OJT4 ADDA CUT5 ADDB CUT6 ADDC CUT7 3LE CUTS VREF(O VRff(-) OE 19 18 8 1$ 14 AT&3CS1RC2 PROGRAM：沖片机曉轻设J十详片机傑程设计吃X 图ADC0808与单片机的连接 叭2 P(3 PM P竹

16、叫 Pig P19 * 第5章软件设计与说明 系统软件设计（流程图） 图为程序软件设计流程图其中为主程序流程图，（b）为A/D转 换子程序流程图。 （a）主程序流程图（b） A/D转换子程序流程图 图中A/D转换子程序是将0808转化后的数字量，需通过转化子程序转 化成工程量并通过查表送到P1 口送给LED显示。 程序设计 （1）初始化程序 I 系统上电时，初始化程序将70H77H内存单元清0, P2 口置0。 （2）主程序 在刚上电时，系统默认为循环显示8个通道的电压值状态。当进行 一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间为 Is左右。主程序在调用显示子程序和测试子程

17、序之间循环，主程序流程 图见图5-1 图5-i i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四位数码管的数值显示。测量所得 的A/D转换数据放在70H-77H内存单元中，测量数据在显示时需转换成 为十进制BCD码放在78H7BH内存单元中，其中7BH存放通道标志数。 寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。 （4）模/数转换测量子程序 模/数转换测量子程序用来控制对0808八路模拟输入电圧的A/D转 换，并将对应的数值移入70H77H内存单元。 第6章系统仿真与调试 简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在以内。 在进行电路的局部调试之后，我乂进行了系

18、统整机调试。首先为 ADC0808接上+51V的电压，为其它芯片接上+5V的工作电压。另外还要 输入待测的模拟电圧，该电圧从0V电压开始输起，依次增大，直到达到 待测电压的上限50V为止，记录测量数据并分析系统性能。 系统仿真 调好程序后将U标程序导入Proteus进行软硬件调试，基于单片机实 现的数字电压表测试值见表6-1所示。 表64测试值与真实值 标准电压值/V 25 30 简易电压表测得值 /V 25 t 绝对误差/V + + + + + + / + + + 从表中可以看出，电压表测得值误差均在以内，这与采用8位A/D 转换器所能达到的理论误差精度相比较接近，因此在一般的应用场合都可

19、以满足要求。 性能分析 （1）由于单片机为8位处理器，当输入电压为51V时，输出数据值 为255 （FFH）,因此单片机最大的数值分辨率为（51 /255）。这就决定了 该电压表的最大分辨率（精度）只能达到。测试时电压数值的变化一般以 的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应釆用12位、13位的A/D 转换器。 （2）简易电压表测得的值基本上均比标准值偏大。这可以通过校 正0809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。 / 调试结论 仿真测试表明，系统性能良好，测量读数稳定易读、更新速度合理， 直流电压测量

20、范围为051V,最小分辨率为，满足任务书指标要求。但 是，该系统也存在一定程度的不足，例如： 1、输入电压易发生干扰不稳定，且驱动能力可能存在不足，需在被 测信号的输入端加上一部分驱动电路，比如将量程转换电路改成带放大能 力的自动量程转换电路，将幅值较小的信号经适当放大后再测量，可显著 提高精度； 2、输出量可用平均值算法来改善，使测量准确度更高。 3、若能将测量的电压值实时保存，使用时将更方便。 4、ADC0808可实现对8个通道的输入信号轮流转换，本设讣仅仅使 用了其中一个通道，造成了较大的资源浪费。若能对电路稍加改进，实现 对多路信号的轮流测量并自动保存相应结果，其应用价值将会更大。 第

21、7章设计总结 两周的单片机课程设讣很快就过去了。在这短短的两周中，我们完成 了课题的选择到查找相关资料、确定设计方案、硬件设讣、编写程序、调 试程序到最后运行成功。虽然期间遇到了很多问题，经历了不少挫折，但 是我们最后尝到了成功的甜。最重要的是，我们充分运用了所学知识，也 学到了很多书本外的知识。 首先，我们从任务书得知本次设讣是做一个简易数字电压表，测量范 圉是0-51V,可以通过A/D转换把模拟量转换成数字量。然后我参照单 片机应用与实践，把程序分为初始化程序，A/D转换子程序和显示子程 序三个大的部分，一个一个的编写，分别调试和仿真。第一次的程序有很 多错误，我利用我所学到的单片机知识认

22、真排查错误，同时也向同学请教, 终于能够运行成功。在连电路图的时候由于自己的不细心，使得出现了很 多本不应该出现的错误，比如刚刚开始发现LED显示管怎么也不亮，我把 程序反复研究也没发现问题，最后终于找到原因，原来是我把显示管的电 源接反了。 在这短短两个星期内，虽然有过郁闷、烦躁、苦恼的时候，但最重要 的是我们都克服了。我们不仅强化了理论知识，也增强了独立思考问题和 团结协作的能力。通过这次课程设计，同时也开阔了我们的视野，加强了 我们合作的意识，为我们以后从事相关工作增强了自信心以及经验。在此, 我要感谢我搭档的帮助和支持，为然还有老师的指导。 第8章参考文献 2、51系列单片机应用与实践

23、教程周向红编北航出版社 2、单片机应用系统设计何立民编北航出版社 3、单片机原理及应用王迎旭主编机械工业出版社 4、51系列单片机设计实例楼然苗 等编 北航出版社 5、51单片机应用系统开发典型实例戴家等编 中国电力出版社 6、单片微型计算机原理及接口技术陈光东等编 华中科技大学出版社 7、单片机实用系统设计技术房小翠编 国防工业出版社 附录A：系统电路原理图 2 iSi 1 _( $ 州 ie an z I Hi jJPEd 磁削d I1SU 3AWKN dWU 曲料d lULd ISZH IKlAEi 昶mid MEU ZLVH smiu iriBZd Efffa 3 zro aw lira oirra wra zflru WWIOi 刃规 町MM 俪M rwx 俪M 腑M D曲M rax 型| * 1 21 11 (血 HSZslMzsrsRol J I Y (01 T id li i|i III $ii ii 2 51 j 31- | f|i fl j 世. Zli IZ l fivooofiwooo J5UIS1IS1IUIUIZ1I山 能 ORG 0000H UMPMAIN ORG 0030H MAIN: MOV SB#60H ANL PlOCOH Wl:MOVX R0,A SET