单片机课程设计(1)

1、数字电压表设计 学年 第 学期 单片机应用技术 课 程 设 计 报 告题 目： 数字电压表设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 指导教师： 电气工程学院年 月 日任务书课题名称数字电压表设计指导教师（职称）陆媛 宋洪儒 执行时间2014 2015学年第2 学期 第 14 周学生姓名学号承担任务系统设计总体方案系统硬件电路设计系统程序设计系统仿真设计目的1、进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理。2、掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。3、通过课程设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术，了解有关电路参数的计算方法。4、通过程序设计和仿真，逐步掌握模块

2、化程序设计方法和仿真软件的使用。5、通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，使学生了解开发单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。设计要求以单片机为核心，设计一个数字电压表。采用中断方式，对2路05V的模拟电压进行循环采集，采集的数据送LED显示，并存入内存。超过界限时指示灯闪烁。摘要本文介绍了以单片机为核心的数字电压表的设计。设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块以及显示模块。A/D转换由芯片ADC0804来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0804传送来的数字量经

3、过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着ADC0804芯片工作。此数字电压表采用中断方式，对两路05V的模拟电路进行循环采集，采集的数据送LED显示，并存入内存，超过界线时指示灯闪烁。关键词：单片机；数字电压表；A/D转换；AT89C51；ADC0804目录摘要2第一章：系统设计总体方案1.1 设计要求41.2 设计思路41.3 设计方案4第二章：系统硬件电路设计2.1A/D转换模块4 2.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理 4 2.1.2 ADC0804的管脚和转换原理 52.2复位电路和时钟电路6 2.2.1 复位电路设计6 2.2.2 时钟电路设计72.3

4、LED显示系统设计 7 2.3.1 LED基本结构7 2.3.2 LED显示器的选择8 2.3.3 LED译码方式 8 2.3.4 LED显示器与单片机接口设计 92.4总体电路设计9第三章：系统程序设计3.1系统设计总方案103.2系统子程序设计11 3.2.1 初始化程序11 3.2.2 A/D转换子程序11 3.2.3 显示子程序12第四章：系统仿真 4.1软件调试12 4.2显示结果及误差分析12 4.2.1 显示结果12 4.2.2 误差分析 14第五章：结束语参考文献 15附录 16第一章：系统设计总体方案1.1设计要求（1）以单片机为核心，设计一个数字电压表。（2）采用中断方式，

5、对2路05V的模拟电压进行循环采集。（3）采集的数据送LED显示，并存入内存。（4）超过界线时指示灯闪烁。1.2设计思路（1）根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。（2）A/D转换采用ADC0804，与单片机的接口为P1口。（3）电压显示采用4位一体的LED数码管。（4）LED数码的段码输入，由并行端口P2产生：位码输入，用并行端口P3低四位产生。1.3设计方案硬件电路设计由6个部分组成：A/D转换电路、AT89C51单片机系统、LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图一所示。图一 数字电压表系统硬件设计框图第二章：系统硬件电路设计2.1A/

6、D转换模块 现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化呈数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照 各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双重积分式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。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换器的转换速度快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808、ADC0804等，它们通常具有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，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于数位和时钟周期，逐次逼近

7、型A/D转换其速度快，因而在实际中广泛应用。21.1 逐次逼近型A/D 转换器原理逐次逼近型A/D转换器是由个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A用转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第一位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图二所示：图二 逐次逼近式A/D转换器原理图2.1.2 ADC0804的管脚和转换原理

8、工作电压：+5V，即VCC=+5V。模拟输入电压范围：05V，即0。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us(fCK=640KHz)。转换误差：。参考电压：2.5V，即Verf=2.5V。 ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。 以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式的A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位找起）。第一次寻找结果：10000000（若假设值，则寻找位=假设位=1）第二次寻找结果：11000

9、000（若假设值，则寻找位=假设位=1）第三次寻找结果：11000000（若假设值>，则寻找位=假设位=0）第四次寻找结果：11010000（若假设值，则寻找位=假设位=1）第五次寻找结果：11010000（若假设值>，则寻找位=假设位=0）第六次寻找结果：11010100（若假设值，则寻找位=假设位=1）第七次寻找结果：11010110（若假设值，则寻找位=假设位=1）第八次寻找结果：11010110（若假设值>，则寻找位=假设位=0）这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的转换器只要12 次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入

10、电压VinADC0804与CPLD的连接图：各个管脚的作用：D0-D7：数字量输出端，输出结果为八位二进制结果；CLK：为芯片工作提供工作脉冲，时钟电路如图所示，时钟频率计算方式是 fCK =1/(1.1)；CS:片选信号；WR：写信号输入端；RD：读信号输入端；INTR：转换完毕中断提示端；其他管脚链接如图，是供电和提供参考电压的管脚输入端2.2复位电路和时钟电路2.2.1复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST，采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以

11、上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。图6 复位电路2.2.2时钟电路设计 单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，X

12、TAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器的输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路图，只需要1个晶振和2个电容即可，如图7 所示。图7 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF,在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz,它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz,因而时到信号的震荡频率为12MHz。2.3LED显示系统设计2.3.1LED基本结构L

13、ED是发光二极管显示器的缩。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方使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。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·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8所示：图8 LED引脚排列2.3.2LED显示器的选择 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

14、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，即个位后两位显可电压的小数位。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,d,e,f，g为4位LED各段的公共输出端，1,2,3,4分别是每位的位数选端，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并联后，引出到器件的外部。图9 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

15、/O接口控制）显示.2.3.3 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。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阳极LED，其对应的字符和字段码如下表2.3所示。表2.3共阳极字码表2.3.4LED显示器与单片机接口设计由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使

16、之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0上外接的上拉电阻来实现，即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0上拉电阻之间，这样，可以加大P0作为输出口的驱动能力，使得LED能按照正常的亮度显示出数字，如图10所示。 2.4总体电路设计经过以上的设计过程，可设计出以单片机为核心的数字电压表硬件电路原理图如图11所示。图11 数字电压表电路图此电路的工作原理是：5V模

17、拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC0804的VIN，VIN通道进入，经过模数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道DB0-DB，传送给AT89C51芯片的Pl口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P23产生位选信号控制数码管的亮灭。以单片机为核心的数字电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图，但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要

18、求。第三章：系统程序设计3.1 程序设计总方案根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块、A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12 所示。图12 数字电压表主程序图3.2系统子程序设计 3.2.1 初始化程序 所谓初始化，是对将要用到的MCS-51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。 3.2.2 A/D转换子程序A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图13所示。图13 A/D转换流程图3.2.3 显

19、示子程序 显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70Hz左右时，能够产生比较好的显示效果，一般以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11us定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。第四章：系统仿真4.1软件调试软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐性的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。Proteus软件可以对

20、基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著的特点是可以与u Visions3 IDE工具软件结合进行编程仿真调试。 本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。4.2 显示结果及误差分析4.2.1显示结果1.当VIN+口输入电

21、压值为1.99V时，显示结果如图14，测量误差为0V。图14 输入电压为1.99V时，LED的显示结果2.当输入电压值为3.48V时，显示结果如图15所示。测量误差为0V。图15 输入电压为3.48V时，LED的显示结果4.2.2 误差分析 通过以上仿真测量结果可得到数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表4所示：表4 数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00时，ADC0804输出数据值为255（FFH）,因此单片机最高的数值分辨率为00196V(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试

22、电压一般以0.01V的幅度变化。从上表可以看出，数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0.01V，这可以通过校正ADC0804的基准电压来解决。因为该电压表设计时直接用5V的供电电调作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。第五章：结束语： 经过一段时间的努力，课程设计以单片机为核心的数字电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在，这次设计是我们小组第一次设计电路，并用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识，通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法，掌

23、握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图仿真的设计，积累了不少经验。本设计主要实现了以单片机为核心的数字电压表采用中断方式，对两路05V的模拟电路进行循环采集，采集的数据送LED显示，并存入内存，超过界线时指示灯闪烁，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的测试。通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解，无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面，本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛，设计中还用到了模数转换芯片ADC0804，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解，通过

24、这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求，在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。经过一段时间的不懈努力，本次课程设计即将接近尾声，由于是初次尝试设计电路，由于知识及经验的匮乏，难免遇到很多困难，如果没有导师的督促指导以及同学们的支持，很难顺利的完成此次课程设计。从开始选题到课题设计的顺利完成，都离不开老师、同学、朋友给以的帮助，在这里请接受我的谢意！首先，在本次课程设计过程中，从选题构思，资料收集

25、到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我对课程的多方面的知识有了深刻的认识，使我们得以最终完成课程设计，在此表示衷心感谢。其次，感谢一起做课程设计的同学们，感谢你们的帮助和鼓励，感谢你们在我遇到困难时所给的帮助，正是有了你们的帮助和鼓励，此次设计才得以顺利的完成。本次设计得以顺利完成，也与指导老师的帮助分不开，在课程设计的过程中给我提供了不少的意见，提出一些可行的建议，在此向老师表示感谢！参考文献：1 胡健单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，2004年10月.2王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育出版社，2005年12月.  3于殿泓、王新年单片机原理与程序设计实

26、验教程.西安电子科技大学出版社,2007年5月.4谢维成、杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计实例.电子工业出版社,2006年3 月.5 李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社，2007年5月.6姜志海,黄玉清等著.单片机原理及应用M.北京电子工业出版社,2005年7月.7魏立峰单片机原理及应用技术.北京大学出版社，2005年.8局润景Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例.第一版北京：电子工业出版社,2006年.9边春远等著.MCS-51单片机应用开发实用子程序M.北京:人民邮电出版社,2005年9月.10商红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计J.河海大学常

27、州分校学报，2002年3 月.11宋凤娟，孙军，李国忠.基于89C51单片机的数字电压表设计J工业控制计算机，2007年4月.附录LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32H ;存放段码TEMP EQU 43HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4 ;定义ADC0804钟位ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 0000H SJMP START ORG 0050H LJMP INT_T0START:MOV LED_0，#00H MOV LED_1，#00H MOV LED_2，#00H MOV DPTR,#TABLE ;段码表首地址 MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0WAIT:CLR ST SETB ST CLR ST CLR P3.7 CLR P3.6 ;启动AD转换 JNB EOC,$ ;等待转换结束 SETB 0E MOV ADC,P1 ;读取AD转换结果 CLR 0E MOV A,ADC MOV TEMP,A SUBB A,#128 ;减少一半