数字电压表的设计 课程设计

1、一 . 系统硬件电路图1.1 系统原理框图选择at89c51作为单片机芯片，选用四位8段共阴极led数码管实现电压显示，利用adc0809作为数模转换芯片。将数据采集接口电路输入电压传入adc0809数模转换元件，经转换后通过d0至d7与单片机p0口连接，把转换完的模拟信号以数字信号的信号的形式传给单片机，信号经过单片机处理从led数码显示管显示。p2口接数码管位选，p1接数码管，实现数据的动态显示，如图4.1所示。at89c51p1 p0p3 p2ad0809d0d7in0in7vref+vref- clkoest、ale四位数码管位选段选控制线数据待测电压图4.1 系统原理框图 1.2at

2、89c51的结构 at89c51单片机是一种带4k字节flash存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，at89c2051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和闪速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

3、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所示。 1.3at89c51内部结构概述 1 4k字节可编程flash存储器2 寿命：1000写/擦循环3 数据保留时间：10年4 全静态工作：0hz-24mhz5 三级程序存储器锁定6 1288位内部ram7 32可编程i/o线8 两个16位定时器/计数器9 5个中断源10 可编程串行通道11 低功耗的闲置和掉电模式1.4 cpu结构cpu 是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1.运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件alu为核心。它可以对半字节（4）、单字节等数据进行操作。例如，能完成加、减、乘、除、加

4、1、减1、bcd码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。运算器还包含有一个布尔处理器，用以处理位操作。它以进位标志位c为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。2.程序计数器pcpc是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kb，pc有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。3.指令寄存器 指令寄存器用于存放指令代码。cpu执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送如指令

5、寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。 1.5 存储器和特殊功能寄存器1. 存储器（memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。2.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（sfr）的地址范围为80hffh。在mcs51中，除程序计数器pc和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这sfr块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。其中带号的可位寻址。特殊功能寄存器

6、反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于cpu psw便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是p0p3，它们实际上是4个八位锁存器（每个i/o口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。mcs51共有p0p3四个这样的并行口，可提供32根i/o线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器a、标志寄存器psw、数据指针dptr等的功能前已提及。1.6 p0-p3口结构p0口功能 ：p0口具有两种功能：第一，p0口可以作为通

7、用i/o接口使用，p0.7p0.0用于传送cpu的输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。第二，p0.7p0.0在cpu访问片外存储器时用于传送片外存储器de低8位地址，然后传送cpu对片外存储器的读写p1口 功能 ：p1口的功能和p0口de第一功能相同，仅用于传递i/o输入/输出数据。 p2口的功能 ：p2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用i/o使用。它的第二功能和p0口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。 p3口功能 ：p3口有两个功能：第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每

8、个引脚都不同。 表4.1 p3口第二功能引脚名称功能p3.0rxd串行数据接收口p3.1txd串行数据发送口p3.2int0外中断0输入p3.3int1外中断1输入p3.4t0计数器0计数输入p3.5t1计数器1计数输入p3.6wr外部ram写选通信号p3.7rd外部ram读选通信号1.7时钟电路和复位电路1.时钟电路单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路由振荡器和分频器组成。 mcs-51内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器。两个引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。在片外跨接一晶振和两个匹配电容c1、c2如图2.5所示。就构成一个自激振荡器。振荡频率根据实

9、际要求的工作速度，从几百千赫至24mhz可适当选取某一频率。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 匹配电容c1、c2要根据石英晶体振荡器的要求选取。当晶振频率为12mhz时,c1c2一般选30pf左右。图2.5中pd是电源控制寄存器pcon.1的掉电方式位，正常工作方式pd=0。当pd=1时单片机进入掉电工作方式，是一种节能工作方式。上述电路是靠mcs-51单片机内部电路产生振荡的。也可以由外部振荡器或时钟直接驱动mcs-51。 图4.3 复位电路的内部及外部方式2.复

10、位电路复位是单片机的初始化操作。其功能主要是将程序计数器(pc)初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序，并将特殊功能寄存器赋一些特定值。复位是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态一种操作。复位是上电的第一个操作，然后程序从0000h开始执行。在运行中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”。要使其进入正常状态，唯一办法是将单片机复位，以重新启动。复位后，程序计数器(pc)及各特殊功能寄存器(sfr)的值如表4.2所示。 程序计数器及各特殊功能寄存器的复位值寄存器复位状态寄存器复位状态pc0000hth100hacc00hp0p3ffhpsw00hipx

11、x000000bsp07hie0xx00000bdptr0000htmod00htcon00hscon00htl000hsbuf不定th000hpcon0xxx0000btl100hrst引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。rst引脚内部有一个斯密特st触发器(图2.10)以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与vss引脚之间接一个8.2k的下拉电阻，与vcc引脚之间接一个约10f的电解电容，即可保证上电自动复位。图4.4自动和手动复位电路图上电或手动复位要求电源接通后，单片机自动复位

12、，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容c3的充电和反相门的作用，使rst持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键k后松开，也能使rst为一段时间的高电平，从而实现上电或手动复位的操作。 1.8 分频器adc0809的时钟频率是640k,现在单片机的晶振是11mhz。故需要采用分频，分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发4个周期时，电路输出1个周期信号。比如用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计4个数就清零一次并输出1个脉冲，那么这个电路就实现了四分频功能。下图为四分频电

13、路。1.9 量程转换电路电压表所需的量程是20mv-200v，所以要根据电压的不同采取量程转换电路。-2-如上图通过电阻网络实现电压衰减测量的输入阻抗约为r，r1，r2，r3，r4。s1至s4单独合上时vout的大小分别为s1单独合上vout=vin*1 s2vout=vin*(r2+r3+r4)/(r1+r2+r3+r4) s3vout=vin*(r3+r4)/(r1+r2+r3+r4)选择r1r2r3r4由式中可以看出vout在一定范围时电阻网络衰减程度越大其可输入电压vin范越大只要把r1，r2，r3，r4的参数选好然后由s1，s2，s3，s4选择测量电压输出端即完成量程选择例如表头dv

14、m输入电压为05伏设dvm输入阻抗无穷大，计算出r1,r2,r3,r4,r5,分别为9m,900k,90k,9k,1k. 1.10 显示器本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，led点阵，1602液晶，12864液晶等。1. 数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示09的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。2. led点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视

15、角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，led点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。3. 1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。4. 12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接

16、编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。综合上述，根据本设计的要求和价格的考虑，选择数码管显示器。单位数码管如图4.4所示，四位共阴极数码管如图4.5所示。图4.4 单位数码管图4.5 四位共阴极数码管1.11 模数（a/d）芯片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。a/d转换的常用方法有：计数式a/d转换，逐次逼近型a/d转换，双积分式a/d转换， v/f变换型a/d转换。在这些转换方式中，记数式a/d转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双积分式a/d转换精度高，多用于数据采集及精度要求比较

17、高的场合，如5g14433（31/2位），ad7555（41/2位或51/2位）等，但速度更慢。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。(1)a/d芯片的比较 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

18、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。1. ad0809是8位逐次逼近型a/d转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个a/d 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用a/d 转换器进行转换。些a/d转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。2. ad0832也是8位逐次逼近型a/d转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。

19、3. tlc2543c是12位开关电容逐次逼近a/d转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。综合上述，逐次逼近型a/d转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，这里选用的是逐次逼近型的a/d转换芯片adc0809。图4.6 adc0809内部结构 图4.6 adc0809引脚图（2）adc0809 的工作原理 1.in0in7：8 条模拟量输入通道 adc0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，若信号太小，必须进行放

20、大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条。ale 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ale线为高电平时，地址锁存与译码器将a， b，c 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a，b 和c 为地址输入线，用于选通in0in7 上的一路模拟量输入。通道选择表如表4.3所示。表4.3 adc0809通道选择表2.数字量输出及控制线：11 条 st 为转换启动信号。当st 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行a/d 转换；在转换期间，st 应保持低电平。eoc 为转换结束信号

21、。当eoc 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行a/d 转换。oe为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1，输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状态。d7d0 为数字量输出线。 clk为时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500khz， vref（），vref（）为参考电压输入。 3. adc0809 应用说明 adc0809 内部带有输出锁存器，可以与at89s51 单片机直接相连。 初始化时，使st 和oe信号全为低电平。 送要转换的哪一通道的地址到a，b，c 端口上。 在st 端给出

22、一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。 是否转换完毕，我们根据eoc 信号来判断。 当eoc变为高电平时，这时给oe 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ad0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号start启动后开始转换，eoc 信号在start 的下降沿10us后才变为无效的低电平。这要求查询程序待eoc无效后再开始查询，转换完成后，eoc 输出高电平，再由oe 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用eoc 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动ad0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。at89s51的输出频为晶振频的1/6（2mhz），at

23、89s1 与sun7474连接经与7474的st脚提供ad0809 的工作时钟。ad0809 的工作频范围为10khz-1280khz,当频率范围为500khz 时，其转换速度为128us。 系统原理图 输入电路a/d转换器单片机显示器逻辑控制器时钟脉冲 数字电压表基本组成框图二， 程序流程图与源程序2.1 程序流程图 初始化开始st、oe端口拉低st上升沿清除ad缓存器clk提供ad工作的时钟信号st下降沿，ad开始转换转换结束？p1口读取数据，存储在地址70h数据除以51，商为电压整数部分，储存在地址71h余数乘以10后，再除以51，为电压小数相应位部分，分别储存在地址72h74h电压小数

24、相应位加5调整余数25?四位处理完？nyp2口为位选延时1.5msp0分别赋地址71h74h里的值，p0口为段选查询数码管显示表四位显示完？返回程序开始图 5.1 程序流程图ny开始ad采集函数数据处理函数显示函数图5.2主函数流程图2.2 存储空间定义安排（1）70h用于存放a/d转换结果，71h、72h、73h、74h分别存储显示用的三位数据如表5.1所示。表5.1存储空间定义表70h用于存放a/d转换结果71h电压值整数部分72h74h电压值小数部分（2）地址30h39h存放显示在数码管上09的数。如表5.2所示。 表5.2 数码管表存储数据地址存储值数码显示值30h3fh031h06h132h5bh233h4fh334h66h435h6dh536h7dh637h07h738h7fh839h6fh9 三 数字电压表的介绍模拟电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的