第七届共享杯大学生科技

1、第七届“共享杯”大学生科技资源共享服务创新大赛第七届“共享杯”大学生科技资源共享服务创新大赛题目：基于单片机的数字电压表设计摘 要本设计主要采用AT89C51芯片和ADC0808芯片来完成一个能对输入05 V的模拟直流电压进行测量的简易数字电压表，通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示.该电压表的测量电路由A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块组成.A/D转换主要由芯片ADC0808负责把采集到的模拟量转换成相应的数字量再传送到数据处理模块.关键词：单片机；数字电压表；A/D转换；ADC0808ABSTRACTThis design mainly adopts the AT89C51

2、chip and ADC0808 chip to complete A simple digital voltmeter which can measure the analog dc voltage of 0 5 V, and display it through A four-in-one seven-segment LED digital tube. The measurement circuit of the voltmeter is composed of A/D conversion module, data processing module and display contro

3、l module. A/D conversion is mainly composed of chip ADC0808, which is responsible for converting the collected analog quantity into corresponding digital quantity and transmitting it to the data processing module.Keywords: single chip microcomputer; Digital voltmeter; A/D conversion; ADC0832目 录1 引言5

4、2 设计总体方案52.1设计要求52.2 设计思路52.3 设计方案6硬件电路设计框图如图1所示.63 硬件电路设计63.1 A/D转换模块6ADC0808的内部结构及工作流程83.2 单片机系统93.3 复位电路和时钟电路11复位电路设计11时钟电路设计123.4 LED显示系统设计12LED基本结构12LED显示器的选择13LED显示器与单片机接口设计143.5 总体电路设计154 程序设计164.1 程序设计总方案164.2 系统子程序设计16初始化程序16A/D转换子程序16显示子程序17显示结果18误差分析195 仿真结 论19参 考 文 献20附 录211 引言数字电压表（DVM）

5、的功能就是使用数字化测量技术将连续的模拟值转换成为不连续并且离散的数据，进而通过仪表进行显示.具有读数精确便捷、测速快、误差小的数字式仪表在现实生活中被广泛接纳采用 1 .传统指针式电压表普遍存在着结构功能单一、精度低的缺点，在读数时容易产生视觉误差和视觉疲倦，从而无法满足数字化时代的要求.于是，当代采用单片机的数字电压表应运而出，这种电表能够将模拟电压转换成连续的离散数字形式，采用单片机的数字电压表具有测量精确度高、对干扰因素抵抗能力强、易于集成等优点.与PC机的实时通信成为大多数数字仪表的核心和基础 2 .近年来,在半导体技术、集成电路（IC）和微处理器等技术的快速发展趋势下，数字电路和数

6、字测量技术也得以获得了长足的进步.1952以来,数字电压表一直在不断改进,从最早使用电子管和继电器到全固态集成电路的发展.在数字电压表技术中，数字电压表测量准确度很大程度上取决于转换精度，所以数字电压表的研制重点将集中于高精度和低成本3.在本文中，我们研究设计了一款简单的数字直流电压表，本电表包含了转换模块、数据处理模块和显示模块等三个模块.由ADC0808模拟信号的输入和转换，即通过ADC0808进行数字电压表的模/数转换，采用AT89C51单片机作为本次设计的控制核心，最后数字电压信号的转换结果将通过LED进行显示 11.2 设计总体方案2.1设计要求 简单的数字直流电压表的核心控制器件是

7、一个MCS_51系列单片机.设计的简单数字电压表能够对05V之间的直流电压值进行测量数字电压信号显示使用4位一体的LED数码管，显示精度精确到百分位2.2 设计思路以AT89C51单片机为核心控制装置.ADC0808用于进行模拟信号的输入和转换，P1、P2口的高四位引脚连接单片机. 4-LED用于电压显示.并行端口P0 LED数字码输入; 在低四位输入代码的并行端口P2产生.2.3 设计方案硬件电路设计框图如图1所示.时钟电路 复位电路A/D转换电路测量电压输入显示系统AT89C51 P1 P2 P0 P0 图1 系统硬件电路框图3 硬件电路设计3.1 A/D转换模块单片机数据采集系统的关键接

8、口电路是模数转换器.根据A/D转换芯片的工作原理,可分为逐次逼近法和双积分法.逐次逼近A/D转换较于双积分A/D转换速度更快、准确度更高,ADC0808一般有8路模拟开关、地址译码和锁存电路等.,并通过数据分析和显示.n位的逐次逼近A/D转换器比较n次，位数和时钟周期决定了转换时间,逐次逼近A/D的转换速度快而在实践中被广泛使用.逐次逼近A/D转换器原理首先将寄存器各位复位，最高位1的保留方式如下，若A/D转换器转换结果比输入的模拟量小，则1保留，反之则不保留，第二位至最低位以此类推，最后寄存器中的内容就是对应二进制数值 5.原理框图如图2所示：顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入

9、电压输入数字量图2 逐次逼近式A/D转换器原理图ADC0808 主要特点分辨率8;8模拟开关锁存功能, 方便的接口微控制器;三态输出锁存器,TTL输出兼容;转换时间:128秒;转换精度:0.2%;+5 V电源;05V模拟输入电压范围,不需要外部零点和满度调整；功率:约15mw 6ADC0808是CMOS单片式逐次逼近型, 直接接口到单片机,具有锁存功能8模拟多路复用器,可以将输入0-5V数值成压信号,ADC0808设计中考虑模数转换等优点,非常适合用于过程控制、智能仪器、机床控制和微控制器的输入接口电路等领域.ADC0808外部引脚特征 ADC0808芯片插入封装,28引脚，其引脚图如图3所示

10、.图3 ADC0808引脚图各个引脚功能说明:IN0-IN7（8条）：8路模拟输入线作为输入和转换的模拟电压控制.地址输入控制（4条）：ALE:地址锁存允许输入线，当ALE为高电平时，就为地址输入线以选择IN0-IN7中的一条模拟电压送至A/D转换比较器.ADDA,ADDB,ADDC: 用于选择的8个模拟输入的3位地址输入线,如表1：表1 ADC0808通道选择表地址码 对应的输入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START： “启动脉冲”输入法， C

11、PU发出正脉冲的线宽大于100ns,在下降沿的ADC工作开始,沿零SAR上升.EOC:转换结束输出线,A/D转换的结束由线路的高电平表示,三状态输出锁存锁值.D1-D8：数值输出端,D1是高位.OE：输出允许,高水平通过d1-d8引脚输出数字数的转换.REF+、REF-:参考电压输入值,标准电压供应提供给梯形电阻网络.Vcc ：主电源输入端，一般与REF+连接.GND：接地端，一般与REF-连接.CLK:时钟输入端.ADC0808的内部结构及工作流程ADC0808其内部结构如图4所示.图4 ADC0808的内部结构其中：（1）8通道模拟通道选择开关:选择8路输入模拟到后续比较器.（2）地址锁存

12、器和译码器:当ALE信号有效时,3地址和3地址线上发送的3位地址被锁定,解码后产生信道选择信号，当前模拟信道是在8信道中选择的.（3）比较器、8位开关类型A/D转换器、逐次逼近寄存器、定时和控制电路构成8位A/D转换器:当开始信号有效时，开始转换当前通道的模拟信号，转换完成后， 8位三态锁存器锁存转换得到的数字量，同时转换结束信号由引脚送出.（4）三态输出锁存器:保存当前模拟通道转换得到的数字量,并在OE信号有效时输出转换结果.ADC0808的工作流程为：（1）使ALE=1,输入3位地址并保存地址锁存器,并通过8通道模拟信道中的地址译码器选择1个模拟比较器.（2）输入高脉冲开始,使EOC信号低

13、,模式/数字转换从开始下降边缘开始,并从上升沿复位连续寄存器.（3）当转换完成时,转换结果被发送到输出三状态锁存器,并且EOC信号被返回到高电平以通知CPU转换端.（4）OE保持高电平,和CPU执行一个读数据指令和数据读取D0-D7.3.2 单片机系统AT89C51各引脚功能AT89C51的标准:4kb Flash闪存,128b内部RAM,一个5向量两级中断结构,两个16位定时器/计数器,32线I/O、全双工串行口,掉电模式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并关闭所有其他任务,直到下一个硬件复位.AT89C51采用PDIP封装,引脚配置如图5所示 7 .图5 AT89C51引脚图AT89C5

14、1芯片各引脚功能为：P0引脚说明:该组共8条引脚,最低位是P0.0.这些引脚具备两种各异的功能, 在不同的情况下,无需外部存储器芯片, P0口作为通用I/O端口,数据输入/输出CPUP0.0-P0.7使用,并可输出锁存数据,而无需额外的特殊锁存缓冲器,输入数据,提高数据输入的可靠性; 另一种是利用8个CPU地址和外部存储器芯片,将第一片芯片存储器传输到外部存储器,然后将其传输到CPU芯片存储器的读/写数据.开漏到P0口,当它作为一种普通的I/O端口,与外部上拉电阻.P1口引脚说明: 这组引脚类似于P0口的8个引脚.水平最高的是最低的位P1.7,p1.0.p1口作为通用I/O口,与P0口的第一功

15、能是将用户的输入和输出数据,就像p1.0-p1.7功能.P2口引脚说明: P1口引脚说明:这组引脚类似于P0口的8个引脚.水平最高的是最低的位P1.7,p1.0. P1口是通用I/O口,与P0口的第一功能是输入和输出数据的用户,如p1.0-p1.7功能.P3引脚:第一组引脚是第一个功能与其他三个端口.第二个功能是控制功能.引脚功能如表2所示：表2 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 RXT（串行口输入）P3.1 TXD（串行口输出）P3.2/INT0（外部中断0输入）P3.3/INT1(外部中断1输入)P3.4T0（定时/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时/计数器1的外部输入）

16、P3.6/WR（片外数据存储器写允许） P3.7/RD（片外数据存储器读允许）Vcc为+5V电源线，Vss接地.ALE地址锁存允许线:为辅的P0口的第二功能,访问外部存储器,单片机发送读/写对P0.0-P0.7铅线数据.反之，ALE线上的1/6个脉冲的震荡器频率是自动输出. 振荡器频率脉冲序列可以用作外部时钟源或定时脉冲/外部存储器访问线. / EA: 外部存储器存取选择线，控制89C51对片内ROM、片外ROM的使用选择，如果/EA=1，使用片内ROM, 若/EA=0，使用片外ROM./PSEN:芯片的ROM选择线, 当访问ROM,/PSEN自动生成一个读通信号作为外部芯片的ROM芯片.RS

17、T：复位线使89C51复位工作状态.89C51的复位一般有自动和手动复位两种.XTAL1和XTAL2: 内部振荡器电路,外部晶体和微调电容,89C51振荡器定时反馈回路3.3 复位电路和时钟电路复位电路设计当系统启动复位操作, 在初始状态下的CPU和其他系统组件使用复位引脚施密特触发输入操作.mcs-51单片机RST.以冲击振子复位装置为例,该引脚在2级以上的机器周期可以保证 1 .复位完成后,如果RST端居高不下,使单片机复位状态和基于单片机的复位和手动复位电路进入工作状态of.51等系列单片机的电源,如图6所示的VCC,超过1ms的上升时间,系统能保持良好的工作状态1. 图6 复位电路时钟

18、电路设计在时钟脉冲的控制中,CPU微控制器必须严格按照每个指令的执行时间,以及时钟脉冲中的定时电路.每个微控制器定时CPU执行和微操作对应指令序列.一个是高增益放大器的输入MCS-51单片机XTAL1振荡器反相放大器,作为输出端，然而其他电路的参与才可构成该时钟电路 1 ，如图7所示.图7 时钟电路通过计算和实验也可选择电路中的器件,一些典型的电路参数，也可以作为一个参考, 通常在C1和C2的范围在电路中的电容为30±10pF,石英晶体的振荡频率是用于装饰.可选的24mhz,通过时钟信号的振荡频率产生电路给单片机的时钟信号,系统的振荡频率为12MHz.3.4 LED显示系统设计LED

19、基本结构由于LED结构简单、价格低廉、便于接口单片机等优点受到了广泛应用. LED七数码管显示器由8个发光二极管组成,7个发光二极管按“日”形配置,由一个小数点形状显示在各种数字显示器上,右下角显示不同的反射组合.LED引脚排列图8所示:图8 LED引脚排列LED显示器的选择在应用系统中,LED显示屏的数量根据设计要求而变化,LED显示屏的数量、尺寸和型号都不同,本次设计使用了4-LED（4位一体的数码显示器），显示器显示了第一位的电压和最后两位的小数位数. 如图9 4-led共阴极LED数码显示4针.4个LED常见的输出是一个,B,C,E,F,G,和1年底,2位的选择,3, 4,小数点终端D

20、P,LED,4个单独的内部结构4-led数码管,每个输出销装置LED的内部并联的LED.图9 4位LED引脚LED显示屏尺寸和结构满足设计要求.因为阴极4 LED连接,只有动态扫描方式连接数码管的所有部分,并将其连接到一个I/O端口.LED译码方式解码方法是通过显示字符转换来获得相应的字段代码的方法.LED数码管显示有硬件解码和软件解码两种. 显示字符代码的转换是通过专用硬件电路实现的.软件译码即通过编写好的软件译码程序获得想要显示字符的字段码，一般都是通过查表方式进行译码 3 .软件编程的设计简化了led设计.公共阴极中的发光二极管设计和场编码,如表3.3所示 表3.3 共阴极字段码表显示字

21、符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHLED显示器与单片机接口设计由于LED显示屏是由单片并行端口直接驱动的,通常由专用电路芯片驱动,产生足够大的电流,保证 7 的正常工作.单片机因为显示器的亮度决定于驱动电路的能力，为了简化直流数字电压表的电路设计,在设计LED驱动电路,单片机的P0口可以实现外部上拉电阻,A-G显示P0和LED的引脚和小数点DP引脚之间的平行拉,可以增加P0口作为德国出口输出驱动能力,按照正常的亮度LED数码显示,如图10所示.图10用微控制器接口引导图10 LED与单片机接口间的设计3.5 总体电路设计通过以上的设计

22、过程,设计了一个基于单片机的数字直流电压表原理图,如图11所图11 简易数字电压表电路图该电路的工作原理是:adc08008渠道+ 5V的模拟电压信号通过电阻VR1在入门之后,经过模数转换,生成相应的数字数据通过D0-D7数字输出通道传送到AT89C51单片机的P1口,进行处理后得到的数据,7段数码管的显示段码的正确传输到四位LED,它还控制数码管的亮度四的I / O端口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3选择信号.此外,AT89C51控制ADC0808的工作.其中,AT89C51单片机中断的方波由2.4定时器中断,启动A/D转换ADC0808时钟,P2.6正脉冲,完成A/D转换P2.5检测

23、,并读取由P1口高P2.7转换后3.4 程序设计4.1 程序设计总方案 程序分为初始化模块、A/D转换子程序和显示子程序.如图12所示.开始初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序结束图12 数字式直流电压表主程序框图4.2 系统子程序设计初始化程序初始化内部组件的初始工作状态通过初始化MCS_51系列单片机扩展芯片.A/D转换子程序,如定时器的工作方式、初始化值、中断设置和定时器的开关等9.A/D转换子程序A/D转换子程序控制输入模块电压信号的采集和测量,并将相应的值存储在相应的存储器单元中.其转换流程图如图13所示.开始启动转换A/D转换结束？输出转换结果数值转换显示结束 图13 A/D转

24、换流程图显示子程序四数码管显示子程序,采用动态扫描显示,动态扫描显示,LED显示相对均匀,亮度足够,因此需要设置适当的扫描频率.当扫描频率70Hz,能产生良好的显示效果,一般可以采用LED动态扫描显示LED 1ms 10ms区间 10 .在本设计中,为了简化硬件设计,我们主要采用软件定时模式,即定时器0溢出中断函数实现11秒定时,5ms的延迟是通过软件延时程序实现.5 仿真5.1 软件调试 软件调试的主要任务是错误的调查,错误主要包括逻辑错误和功能错误,但有些是不可见的,通过仿真可以发现proteus软件可以逐步修正单片机与周围电子器件的设计.基于仿真,用户甚至可以使用其他外围设备,如LED

25、/实时键盘、RS232终端和微处理芯片与动态仿真模型进行交互.Proteus支持包括8051系列、AVR系列、PIC系列,HC11系列,和Z80.proteus可以完成电路图,单片机系统电路原理图,pcb的设计,更重要的的特点是可以结合visions3 IDE工具软件 8 和编程仿真调试.系统的调试主要是软件的调试.系统电路的绘制和仿真是proteus软件,使用汇编语言,用keil软件编写程序.5.2 显示结果及误差分析显示结果1. 在端口输入电压为0V,显示结果如图14所示 图14 输入电压为0V时，LED的显示结果2. 当输入电压1.50v在0端口,显示结果如图15所示图15 输入电压为1

26、.50V时，LED的显示结果3. 在端口输入电压3.50v,显示结果如图16图16 输入电压为3.50V时，LED的显示结果误差分析通过上面的模拟结果, ,一个简单的数字电压表和一个标准可以得到“数字电压表比较测试”,如表4所示:表4简易数字电压表和标准“数字电压表”比较测试表标准电压值/V简易电压表测量值/V绝对误差/V0.000.000.000.500.510.011.001.000.001.501.510.012.002.000.002.502.500.003.003.000.003.503.500.004.004.000.004.995.000.01由于单片机AT89C51的8位处理器

27、,当输入电压为5.00V,ADC0808价值的输出数据255(FFH),所以数值最高分辨率0.0196v单片机(5/255).最高分辨率只能确定电压表0.0196v,从表中可以看出,测试电压为0.01V变化范围.从表中可以看出,通过一个简单的数字电压表测量的电压值基本上是对0-0.01v标准值,可由ADC0808参考电压校正解决.因为电压表被设计成作为电压的5V的直接电源,电压可能是偏置的.当要测量的电压大于5V时,可以在输入端口使用耐压,而程序只要除数的计算程序调整它就可以了.结 论本次设计的是基于单片机的简易数值直流电压表，利用AT89C51作为控制核心，ADC0808进行A/D转换，在测

28、量精度和便捷程度上相较于传统的指针式电压表做出了极大的优化，最后使用4位一体的LED显示器输出显示模拟转换得到的数字量，完成了整体功能.在软件的设计上，采用了结构化程序设计，是的整个程序在任何时候都方便读改，能够在程序出错时迅速找到错误源，也使得加入功能时更加便捷，能够直接读取函数文件，而且不需要对整个程序进行重新设计，非常方便后期的维护.参 考 文 献1胡健.单片机原理及接口技术M.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M.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验教程M.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

29、原理与应用及C51程序设计实例M.电子工业出版社，2006年3月5Meehan Joanne,Muir Lindsey.SCM in Meseyside SMEs:Benefits and barriersJ.TQM Journal.2008(1):40 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 7C Sha.MLX90614 IR Thermometer and Its ApplicationM.Modern Electronics Technique,2007,30:36-378周润景.Protues在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.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.200