单片机课程设计-数字电压表

1、目录1 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软件仿真电路设计 (33.1设计思路 (33.2仿真电路图 (33.3设计过程 (33.4 AT89C51的功能介绍 (43.4.1简单概述 (43.4.2主要功能特性 (43.4.3 AT89C51的引脚介绍 (53.5 ADC0808的引脚及功能介绍 (63.5.1芯片概述 (63.5.2 引脚简介 (73.5.3 ADC0808的转换原理 (73.6 74LS373芯片的引脚及功能 (73.6.1芯片概述 (73.6.2引脚介绍 (83.7 LED数码管的控制显示 (83.7.1 L

2、ED数码管的模型 (83.7.2 LED数码管的接口简介 (84系统软件程序的设计 (104.1 主程序 (104.2 A/D转换子程序 (104.3 中断显示程序 (115电压表的调试及性能分析 (135.1 调试与测试 (135.2 性能分析 (136电路仿真图 (147总结 (15参考文献 (16附录1 源程序 (17附录2 仿真原理电路 (231 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(DigitalV oltmeter简

3、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

4、示。测量最小分辨率为0.019V,测量误差约为正负0.02V。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,测量0-5V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

5、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,1位LED数码管显示路数,3路分别为0-2。要求测量的最小分辨率为0.02V。3软件仿真电路设计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V

6、REF=VCC,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,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倍后的结果高八位放寄存器B,低八位放寄存器A,分寄存器B为0或不为0的情况进行存取数据,得到的结果个位放入R0,十位放入R1,通过查表使之显示在LED显示器。3.2仿真电路图用Protues软件仿真设计的电路如图3-1所示。 图3-1 仿真电路

7、3.3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.

8、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。3.4 AT89C51的功能介绍3.4.1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1 000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-

9、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,AT89 C2051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3-2 AT89C51芯片模型3.4.2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;128×8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 低功耗的闲置和掉电模式。(8 片内振荡器和时钟电

10、路。3.4.3 AT89C51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3-3 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。(4EA/Vpp(31引脚EA为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时

11、,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。(5ALE/PROG(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。PROG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。(6PSEN(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 pin39-pin32为P0.0-P0.7

12、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。(8Pin1-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。(9Pin21-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,P2口能驱动4个LSTTL负载。端口置1时,内部上拉电

13、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。(10Pin10-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。3.5 ADC0808的引脚及功能介绍3.5.1芯片概述ADC0808是一种典型的A/D转换器。它是由

14、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 图3-4ADC0808芯片模型3.5.2 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:时钟信号输入端。(8A、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

15、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。3.5.3 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。3.674LS373芯片的引脚及功能3.6.1芯片概述74LS373是一种带有三态门的8D锁存器,其在本设计中是锁存P0口的低8 图3-5 74LS37

16、3芯片模型3.6.2引脚介绍(1 D0D7:8位数据输入线;(2 Q0Q7:8位数据输出线(3 G:数据输入锁存选通信号。当加到该引脚的信号为高电平时,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。(4OE: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。3.7 LED数码管的控制显示3.7.1 LED数码管的模型LED数码管模型如图3-6所示。 图3-6 LED数码管模型3.7.2 LED数码管的接口简介LED 的段码端口AG分别接至AT89C51的P1.0P1.7口,位选端14分别接至P3.5、P

17、3.4、P3.1、P3.0,如图3-7所示。 图3-7LED与A T89C51的硬件连线4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转换子程序和中断显示程序组成。4.1 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。 图4-1主程序流程图4.2 A/D转换子程序A/D转换子程序用于对ADC0808

18、的4路输入模拟电压进行A/D转换,并将转换的数值存入4个相应的存储单元中,A/D转换子程序每隔一定时间调用一次,即隔一段时间对输入电压采样一次,如图4-2所示。 图4-2转换子程序流程图4.3 中断显示程序设计中采用中断的方式来读取转换完成的数据能节省CPU的资源当系统设置好后,一旦数据转换完成,便会进入外部中断0,然后在中断中读取转换的数值,处理数据并送数码管显示输出。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

19、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。 图4-3中断显示程序流程图5电压表的调试及性能分析5.1 调试与测试本设计应用Proteus6及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KEIL51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Proteu

20、s6软件中的模拟电压表测得。 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。5.2 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

21、 。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。图4-1数字电压表与标准电压表的比较6电路仿真图图6-1为4路通道用模拟电压表测得的理论值。 图6-1模拟电压表测量结果图6-2为进行模拟仿真时的电路图 图6-2仿真时的电路图7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

22、内。由于仪器误差,LED 显示最大值只能是4.9V,离标准最大值5.0V已经不远,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,单路显示和循环显示的开关不能控制电路的单路显示和循环显示,经过仔细地检查电路和修改程序,采用中断的方法,产生一次外部中断0,程序转移到单路显示,按一次单路显示开关,地址加一,转换的模拟通道相应的加一,

23、如果按下循环按键就返回循环显示的程序,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!参考文献1 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:2005年1月第2次印刷2 8051实验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技有限公司3 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计(第二版M.北京:北京航空航天大学出版社,20044 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社,20025 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法J.电子技术应用.1993.第一期6 高峰.单片微型

24、计算机与接口技术M.北京科学出版社,2003.7 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予C8051F单片机的SOC型数据采录器的设计与实现附录1 源程序ORG 0000HSJMP MAINORG 0003HLJMP PINT0MAIN:MOV 50H,#19HMOV 54H,#78HMOV DPTR,#7FF8HMOV 51H,DPHMOV 52H,DPLMOV R0,#04HMOV 53H,#00HMOV R7,#00HSETB EASETB IT0SETB EX0L4: MOV R1,#00H ;R1存放十六进制转换成十进制后的低两位MOV R2,#00H ;R2存放十六进制转换成十进制后的高两位M

25、OV R3,#0FFH ;循环显示十进制数MOV R4,#00H ;存放A/D转换后的十六进制数MOV R5,#00H ;存放0.5相加后的数MOVX DPTR,A ;开始A/D转换LCALL DELAY ;调用延时大于A/D转换的时间MOVX A,DPTR ;取A/D转换后的十六进制数INC DPTR ;A/D转换芯片的地址加一PUSH DPL ;压入堆栈PUSH DPHDEC R0 ;4路转换的次数减一JZ SB2 ;判断是否是0VMOV R4,AL1:MOV A,R1 ;进行十六进制到十进制的调整ADD A,50H ;每次加19DA AMOV R1,AJC L2 ;如果溢出则跳转到L2M

26、OV A,R5 ;进行0.5V相加ADD A,54HDA AMOV R5,AJC L3 ;如果溢出则跳转到L3SB1:DJNZ R4,L1 ;判断十六进制数是否转换完成,如果没有则循环MOV A,R5SW AP AANL A,#0FHMOV B,R1ADD A,BDA AMOV R1,ASB2:LCALL DISPLCALL DJWDJNZ R3,SB2POP DPHPOP DPLMOV A,53HINC AMOV 53H,ACJNE R0,#00H,L4LJMP MAINL2: CLR CMOV A,R2ADD A,#01HDA AMOV R2,ALJMP SB1L3: CLR C ;0.5

27、V相加溢出后进位MOV A,R1ADD A,#01HDA AMOV R1,ALJMP SB1DISP:MOV A,R1 ;显示电压子程序SW AP AANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRCLR P3.0MOV P1,ALCALL DELAYSETB P3.0MOV A,R2ANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRCLR P3.1MOV P1,ALCALL DELAYSETB P3.1MOV A,R2SW AP AANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB2MOVC A,A+DPTRCLR P3.4MOV P1,ALCALL DELAYSETB P3.4RETDJW:MOV A,53H ;显示第几路转换电压子程序MOV DPTR,#