微机原理课程设计05V和010V可选量程数字电压表

1、交通与汽车工程学院课程设计说明书课 程 名 称: 微机原理及应用课程设计 课 程 代 码: 8234570 题 目:0-5v和0-10v可选量程数字电压表 年级/专业/班: 09级/车辆/理科班 学 生 姓 名: 学 号: 开 始 时 间: 2012 年 07 月 02 日完 成 时 间: 2012 年 07 月 06 日课程设计成绩：学习态度及平时成绩（30）技术水平与实际能力（20）创新（5）说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）总 分（100）指导教师签名： 年 月 日目 录摘要.1摘 要41 引言12设计原理及要求22.1数字电压表的实现原理22.2数字电压表的设计要求23整

2、体设计思路框图及原理图33.1设计思路33.2设计过程34 at89c51及硬件的功能介绍54.1 at89c51简介54.1.1简单概述54.1.2主要功能特性54.1.3 at89c52的引脚介绍64.2 adc0808的引脚及功能介绍74.2.1芯片概述74.2.2 引脚简介84.2.3 adc0808的转换原理84.3 led数码管的控制显示94.3.1 led数码管的模型9led数码管模型如图3-6所示。94.3.2 led数码管的接口简介95. 所用软件环境介绍105.1 proteus软件环境介绍105.2keil c51简介116.系统软件程序的设计136.1 主程序136.2

3、 a/d转换子程序146.3 中断显示程序157电压表的调试及性能分析177.1 调试与测试177.2 性能分析188电路仿真图和pcb图199总 结20致 谢20摘 要 本设计是基于89c51单片机为控制核心的数字电压表设计。系统采用了美国dallas公司的a/d0808芯片构成了模数电路，实现了电压的显示。在系统显示部分，采用了共阴极的led数码管构成了显示模块，此模块用于实时的显示信息。本设计说明书对该系统的硬件电路，工作原理进行了详细的介绍。同时给出了软件设计的流程图和主要源代码。数字电压表的设计即将连续的模拟电压信号经过a/d转换器转换成二进制数值，再经由单片机软件编程转换成十进制数

4、值并通过显示屏显示。 按系统实现要求，决定控制系统采用at89c51单片机，a/d转换由于仿真这里用adc0808，它和adc0809区别很小。关键词： 89c51单片机 a/d0808芯片 led显示器271 引言随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。 数字电压表（digitalvoltmeter）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）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。与此同时，由dvm扩展而成的各种通用

5、及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片a/d 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原目前，由各种单片a/d 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力理。本设计at89c51单片机的一种电压测量电路,该电路采用adc0808本文介绍一种基于a/d转换电路，测量范围直流 05v 的4路输入电压值，并在四位led数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019v，测量最小精度为0.01v。2设计原理及要求本设计是利用单片机at89c51与adc0808设计一个数字电压表

6、，测量05v之间的直流电压值，四位数码显示，但要求使用的元器件数目最少。2.1数字电压表的实现原理 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。2.2数字电压表的设计要求可以测量05v范围内的3路直流电压值。在4位led

7、数码管上轮流显示各路电压值或单路选择显示，其中3位led数码管显示电压值，显示范围为0.00v5.00v。3整体设计思路框图及原理图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、数码管显示电路和按键处理电路组成，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vrefvcc，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(d/256*vref) adc0808采用逐次逼近法转换，把模拟电压转换成16进制的d，由于是对直流电压05v进行采集，

8、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，通过查表使之显示在led显示器。3.2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

9、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。 模拟电 压at89c51 单片机adc0808转换数据显 示图3-1 整体框图系统通过软件设置单片机的内部定时器t1产生中断信号。通过片选选择8路通道中的一路，将该路电压送入adc0808的eoc端口产生高电平，同时将adc0808的oe端口置为高电平，单片机将转换

10、后结果存到片内ram。系统调出转换显示程序，将转换为二进制的数据在转换成十进制数并输出到lcd显示电路，将相应电压显示出来。原理图见下附录图 图3-24 at89c51及硬件的功能介绍4.1 at89c51简介4.1.1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（fperomflash 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

11、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。图4-1 at89c52芯片模型4.1.2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；1288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

12、的闲置和掉电模式。(8) 片内振荡器和时钟电路。4.1.3 at89c52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。图4-2 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

13、(31引脚)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0000hffffh。vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。(5)ale/(30引脚)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)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)

14、 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。(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，p

15、2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。4.2 adc0808的引脚及功能介绍4.2.

16、1芯片概述adc0808是一种典型的a/d转换器。它是由8位a/d转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成； +5v单电源供电，转化 时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。芯片模型如图3-4所示。图4-3adc0808芯片模型4.2.2 引脚简介 (1) in0in7：8路模拟量输入端。(2) d0d7：8位数字量输出端口。(3) start：a/d转换启动信号输入端。(4) ale：地址锁存允许信号，高电平有效。(5) eoc：输出允许控制信号，高电平有效。(6) oe： 输出允许控制信号，高电平有效。(7) clk：时钟信号输

17、入端。(8)a、b、c：转换通道地址,控制8路模拟通道的切换。a、b、c分别与地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，a、b、c=000111分别对应in0in7通道的地址端口。4.2.3 adc0808的转换原理adc 0808 采用逐次比较的方法完成a/d转换，由单一的+5v电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由a、b、c的编码来决定所选的通道。adc0809完成一次转换需100s左右，它具有输出ttl三态锁存缓冲器，可直接连接到at89c51的数据总线上。通过适当的外接电路，adc0808可对05v的模拟信号进行转换。 (3) g:数据输入锁存选通信号。当加到该引脚

18、的信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。(4):数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中的数据输出到数据输出线上，当该信号为高电平时，输出线为高阻态。4.3 led数码管的控制显示4.3.1 led数码管的模型led数码管模型如图3-6所示。图4-4 led数码管模型4.3.2 led数码管的接口简介led 的段码端口ag分别接至at89c52的p1.0p1.7口，位选端14分别接至p3.3、p32、p3.1、p3.0，如图3-7所示。 图4-5 led数码管模型5. 所用软件环境介绍5.1 proteus软件环境介绍本系统的硬件

19、设计首先是在proteus软件环境中仿真实现的。proteus软件是来自英国labcenter electronics公司的eda工具软件，proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它eda工具一样的原理布图、pcb自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是proteus lite可以完全免费，也可以花微不足

20、道的费用注册达到更好的效果。proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真51系列、avr、pic等常用的mcu及其外围电路（如lcd，ram，rom，键盘，马达，led，ad/da，部分spi器件，部分iic器件.）。其实proteus 与 multisim比较类似，只不过它可以仿真mcu，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。当然，硬件实践还是必不可少的。在没有硬件的情况下，proteus能像pspice 仿真模拟/数字电路那样仿真mcu及外围电路。另外，即使有硬件，在程序编写早期

21、用软件仿真一下也是很有必要的。proteus软件主要具有以下几个方面的特点：1、设计和仿真软件proteus 是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。2、它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。3、它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。4、它可以仿真目前流行的单片机，如pics, atmel-avr, motorola, 8051 等。5、在设计综合性方案中,还可以利用ares开发印制电路板。protel印制板设计软件包是澳大利亚protel tech

22、nology公司与1990年推出的电子cad产品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。它采用了分层次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作，protel有着很高的自动布线布通率。布通率是电子产cad产品的一项重要指标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的元件布局和布线策略方法，protel就可以轻易的达到98%-100%的布通率。对于极少数不能布通的定方，protel可以用飞线指示出来，引导用户用手工方法连通。另外，protel有强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多

23、定义的热键可以大大提高操作速度。 protel对微机的软硬件配置要求很低：cpu在8088以上，dos2.0以上版本，内存640kb以上，双软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼容打印机。也能在windows9x平台的模拟dos下运行。protel已成为印制板设计加工方面的工业标准。据初步统计protel在cad的市场占有率达 95%，成为电子产品制造业界的首选cad软件。5.2keil c51简介支持8051微控制器体系结构的keil开发工具，适合每个阶段的开发人员，不管是专业的应用工程师，还是刚学习嵌入式软件开发的学生。 产业标准的keil c编译器、宏汇

24、编器、调试器、实时内核、单板计算机和仿真器，支持所有的251系列微控制器，帮助你如期完成项目进度。 以下图表显示keil的开发工具以及它们相互之间的接口。 keil c51开发工具旨在解决嵌入式软件开发商面临的复杂问题。 当你开始一个新项目，只需简单的从设备数据库选择使用的设备，uvision ide将设置好所有的编译器、汇编器、链接器和存储器选项。 包含大量的例程，帮助你着手使用最流行的嵌入式8051设备。 keil vision调试器准确地模拟8051设备的片上外围设备（ic、can、uart、spi、中断、i/o端口、a/d转换器、d/a转换器和pwm模块）。模拟帮助你了解硬件配置，避免

25、在安装问题上浪费时间。 此外，使用模拟器你可以在没有目标设备的情况下编写和测试应用程序。 当你准备在目标硬件上测试软件应用时，可以使用mon51、mon390、nonadi、或者flashmon51目标监视器、isd51 in-system调试器、ulink usb-jtag适配器在目标系统上下载并测试程序代码。 pk51专业开发工具包支持8051微控制器的pk51专业开发工具，支持所有的8051系列的芯片，包括那些具有扩展存储器和指令集的新设备（比如 dallas 390/5240/400，philips 51mx以及analog devices microconverters），经典设备以

26、及具有ip核的设备，即来自以下公司的设备：analog devices，atmel，cypress semiconductor， dallas semiconductor，goal，hynix，infineon，intel，nxp，oki，silicon labs，smsc，stmicroelectronics，synopsis，tdk，temic，texas instruments及winbond。 使用pk51专业开发套件，你可轻松访问8051系列的片上外设和其他关键功能。 vision 集成开发环境 调试器 模拟器 keil扩展8051编译工具 ax51 宏汇编器 cx51 ansi c

27、 编译器 lx51链接器/定位器 ohx51 object-hex 转换器 keil经典8051编译工具 a51 宏汇编器 c51 ansi c 编译器 bl51 code banking 链接器/定位器 oh51 object -hex转换器 oc51 banked object 转换器 目标调试器 flashmon51目标监控器 mon51目标监控器 mon390(dallas 390)目标监控器 monadi(analog devices 812)目标监控器 isd51 in-system调试器 rtx51小实时内核6.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

28、子程序和中断显示程序组成。6.1 主程序主程序包含初始化部分、调用a/d转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00h控制，初始化时00h位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00h位通过单路、循环按键控制。流程图如图4-1所示。开始判断按键按下？0通道转换子程序初始化1通道转换子程序显示程序显示程序结束图6-16.2 a/d转换子程序a/d转换子程序用于对adc0808的1路输入模拟电压进行a/d转换，并将转换的数值存入1个相应的存储单元中，a/d转换子程序每隔一

29、定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图4-2所示。启动a/d转换延迟读取数据换算数值显示返回图6-26.3 中断显示程序 定时中断提供脉冲led 数码管采用软件译码动态扫描的方式。在中断程序中包含多路循环显示程序和单路显示程序，多路循环显示程序把4个存储单元的数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制bcd码，放于4个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示通过标志位00h控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键的判断。分离出电压的个位，小数位p1口送个位数p3口选中第2个数码管 p1口送

30、十分位数p1口送个位数p3口选中第3个数码管p3口选中第4个数码管返回 图6-3中断启动clk取反并自动重装初值中断初始化返回 图6-47电压表的调试及性能分析7.1 调试与测试通过上面的硬件设计和软件设计过程，设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。（1） 在protel 99 se中，对硬件电路图进行erc电气规则检查。 图 7-1 图 7-2 本设计应用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keil5

31、1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proteus6软件中的模拟电压表测得。 图 7-3 图 7-4 从图中可以看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02v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一致，在一般的应用场合可以完全满足要求。7.2 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

32、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。adc0808的直流输入阻抗为1m欧姆，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试adc0808可直接在2mhz的频率下工作，这样可省去分频率14024。8电路仿真图和pcb图图8-1为进行模拟仿真时的电路图图8-1仿真时的电路图 图8-2 p

33、cb9总 结经过一周的努力终于设计成功，led的显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎一致，误差完全在合理的范围之内，led最大值5.0v，达到预期目的，设计成功。 本设计参考了教材上第十一章89c51与adc0809转换的接口连线，设计出电路图的连线，从并中理解了许多基本的知识和接线方法，在程序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开始时四个数码管根本不显示，后来发现用的是共阳极的数码管，而设计是共阴极的，更换后数码管终于显示，但问题又出现了，经过仔细地检查电路和修改程序，功夫不负有心人，最后终于调试成功。在此再次向带领我们这次课程设计的老师说声：谢谢！ 致 谢在陈飞

34、老师的指导下，我完成了本次设计。本设计从选题到完成，每一步都是在她的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。另外，本设计的完成也离不开其他老师和各位同学给我的建议和帮助，是他们让我明白了团队合作的精神。在此，我谨向赵玲老师和帮助过我的老师和同学们，表示崇高的敬意和衷心的感谢！参考文献1protel99se eda 技术及应用徐峥颖编著，北京：机械工业出版社，20052单片机系统的protues设计与仿真张靖武编著，北京：电子工业出版社，20073单片机原理及接口技术李朝青编著，北京：北京航空航天大学出版社，20054mcs-51单片机应用开发实用子程序边春远编著，北京：人民邮电出版社，2005 附

35、录1 源程序#include #define uchar unsigned charunsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;unsigned char num;unsigned char getdata,dispbuf4;unsigned int temp=0,vreal=0;unsigned int temp1=0,temp2=0,temp3=0,temp4=0;sbit st=p37;sbit oe=p36;sbit eoc=p35;sbit clk=p34;void display1();sbit t=p07;void delay(uchar ms);void display();void main(void) st=0; oe=0; tmod=0x02; th0=0x14; tl0=0x00; ie=0x82; tr0=1; p3=0xf0; while(1) /进行一次数据采集if (t=1) p0=0x00; st=0; st=1; st=0;while(eoc = 0);/等待adc0809转换完成oe=1; delay(