简易数字电压表设计

1、课程设计说明书0 摘 要根据 8051 单片机的内部结构特点本文提出以 MCS-51 单片机为核心的电压测量系统。该系统以 8051 和 ADC0809 核心内件，能够在单片机的控制下监测八路的输入电压值，用 8 位串行 A/D 转换器进行 0-5V 量程自动转换，并且测量的电压值可通过三位数码管显示同时用一位数码管显示选择通道。整个系统的设计过程中主要采用了模块化的设计方法，完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，通过最终硬件电路的调试，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。单片机8051 是整个系统的核心，实现输入端的分路选择，模数转换

2、后数据的处理及在数码管上数据的显示等功能。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了该系统的工作原理，MCS-51 单片机特点，8051 的功能和应用，ADC0809 的功能和应用等。关键词：关键词：MCS-51 单片机；8051 ；ADC0809；数码管课程设计说明书1 目目 录录1 总体设计.12 硬件设计及其工作原理.12.1 数字电压表主要器件 .12.1.1 单片机 AT89C51.12.1.2 芯片 ADC0808.32.2 数字电压表电路设计.42.2.1 处理器电路.42.2.2 A/D 转换电路.52.3 控制电路.62.4 显示电路.62.5 整体电路图设计.73 数字电

3、压表软件设计.73.1 程序总体设计.73.2 程序各个模块设计.93.2.1 主程序.93.2.2 外部中断 0 服务程序.103.2.3 外部中断 1 服务程序.103.2.4 显示子程序和延时子程序.113.2.5 制表程序.124 PROTEUS 仿真及数据测试.125总结.14附录 1 程序清单 .15课程设计说明书2简易数字电压表设计1总体设计总体设计本设计主要以 ATMEL 公司生产的 AT89S51 为主控芯片来实现简易数字电压表的基本功能：1可以测量 05V 范围内的 8 路直流电压值。2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

4、显示电压值，显示范围为 0.00V5.00V，1 位 LED 数码管显示路数,8路分别为 0-8。3测量最小分辨率为 0.02V。设计中以 8 个滑动变阻器来模拟输入的电压信号，经 ADC0809 模数转换芯片处理，通过三个路数选择开关来确定将哪路采集数据送入单片机中处理，进而通过数码管显示出相应的电压测量值2硬件设计及其工作原理硬件设计及其工作原理2.1 数字电压表主要器件数字电压表主要器件 本次课程设计是以 AT89C51 单片机为控制核心，以 A/D 转换器 ADC0808为数据采样系统，实现被测电压的数据采样；用共阴数码管显示结果的简易数字电压表，能够实现 8 路 0.005.00V

5、的直流电压，最小分辨率为 0.02V。2.1.1 单片机单片机 AT89C51AT89C51 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，俗称单片机。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 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C51 单片机为很

6、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 1 所示:课程设计说明书3图图 1 1AT89C51AT89C51 单片机引脚图单片机引脚图AT89C51 引脚介绍: 4 个 8 位的 I/O 引脚，P0,P1,P2,P3 P0 口（P0.0-P0.7):8 位双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，也可作数据/低 8 位地址总线。 P1 口（P1.0-P1.7):8 位准双向三态 I/O 口线，作普通 I/O 口。P2 口（P2.0-P2.7):8 位准双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，也可作数据/高 8 位地址。 P3 口（P3.0-P3.7):8

7、 位准双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，另外每个引脚还有第二个功能。如下表所示：P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RD表 1 P3 口引脚第二个功能课程设计说明书4RST：复位输入。当震荡器工作时，RET 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 以时钟震荡频率的 1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对

8、输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8EH 单元的 D0位置禁止 ALE 操作。这个位置后只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。

9、欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA 端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。如 EA 端为高电平，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电压 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。VCC:电源电压 GND:地2.1.2 芯片芯片 ADC0808本电路采用芯片 ADC0808 来进行模数转换。其引脚图如图 2 所示。课程设计说明书5图图 2 2 ADC0808ADC0808 引脚图

10、引脚图利用 ADC0808 作为 AD 数据采样器件, ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 D/A 转换器、逐次逼近。ADC0808 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出

11、三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0808 各个管脚功能：IN0IN7：8 路模拟量输入端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路D0D7：8 位数字量输出端。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ

12、。REF（+） 、REF（-）：基准电压。2.2 数字电压表电路设计数字电压表电路设计2.2.1 处理器电路处理器电路主处理器采用 AT89C51 单片机，外接 A/D 转换电路，控制电路和显示电路。其工作原理是从 ADC0808 中采集电压的数字量并把它转换为十进制量，将其在 LED 上显示出来。单片机还接受控制电路的控制，以改变显示模式和切换测试通道。课程设计说明书6图图 3 3 单片机系统电路单片机系统电路2.2.2 A/D 转换电路转换电路本次设计共采集八路模拟电压值，占用IN0、IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7 单个通道。时钟为 500kHz 的矩形波。正负基准

13、电压分别为+5V 和 0V。EOC 通过一非门与 P3.2 相连，以中断的方式通知单片机转换完成。以 P3.6 控制 START 和 ALE，控制其开始转换和地址锁存。以 P3.7 控制模数转换器的输出。电路图如图 4 所示。课程设计说明书7图图 4 4 A/DA/D 转换电路转换电路2.3 控制电控制电路路控制电路主要的作用是控制显示模式和切换测试通道。按键式开关接单片机外部中断 1，主要功能是切换通道；开关 SW1 接 P2.0 口，通过查询的方式来间接控制 LED 是按通道循环显示电压还是只显示某一通道的值。其电路图如图 5 所示。 图图 5 5 控制电路控制电路2.4 显示电路显示电路

14、本显示电路采用共阴极 4 位 8 段数码管。段码由单片机的 P0 口控制，位码由 P3.0、P3.1、 P3.4 、P3.5 四个端口控制。很明显采用的是动态显示方式。其中第一位显示通道数，后三位显示电压值，有两位小数。电路图如图 6 所示。图 4 控制电路课程设计说明书8图图 6 6 显示电路显示电路2.5 整体电路图设计整体电路图设计整体电路如下图所示，左上角的八组变化电压分时输入 ADC0808 经AT89C51 控制进行模数转换将转换的数值用数码管显示出来。控制电路控制是否自动循环显示及手动循环显示。电路图如图 6 所示。图图 7 7 系统总电路图系统总电路图3数字电压表软件设计数字电

15、压表软件设计3.1 程序总体设计程序总体设计依据电路原理图，数据的采集和通道的切换是通过外部中断的方式处理的。外部中断 0 处理对 ADC08080 转换后的数据采集以及存储，外部中断 1 处理显示的通道的切换。而显示模式是通过对 P2.7 查询来确定。故程序流程图如图 8所示。图 9 和图 10 是外部中断 0 和外部中断 1 的的流程图。课程设计说明书9图图 8 8 程序流程图程序流程图 图图 9 9 外部中断外部中断 0 0 流程图流程图 外部中断 0 入口保护现场将通道数放入30H将通道数放入 30H将转换后的电压放入31H、32H、33H还原现场中断返回中断及其他数据初始化P2.7

16、置位P2.7=0 ?下一通道启动 A/D 转换调用显示子程序开始外部中断 1 入口保护现场切换通道启动 A/D 转换还原现场中断返回还原现场课程设计说明书10图图 1010 外部中断外部中断 1 1 流流程图程图3.2 程序各个模块设计程序各个模块设计3.2.1 主程序主程序程序执行的起点，包括对两个外部中断源的初始化，初始测试通道，设置每个通道每次显示的时间的长短。然后让程序处于循环显示中，并在每个通道显示结束之后检查 P2.7 以决定显示模式。P2.7 为低电平时循环显示。主要程序如下所示： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP ZD0;外部中断 0 地址

17、ORG 0013H LJMP ZD1 ;外部中断 1 地址MAIN: SETB IT0 SETB EA SETB EX0 SETB IT1 SETB EX1 ;中断设置 MOV R1,#00H ;初始测试端口地址XH:MOV R4,#50H SETB P2.7 ;允许输入 JB P2.7,TAD ;检测显示模式（循环与否） INC R1 CJNE R1,#08H,TAD MOV R1,#00HTAD:MOV A,#00H MOVX R1,A ;启动 A/D 转换 LCALL SHOW ;调用显示程序 DJNZ R4,TAD LJMP XH课程设计说明书113.2.2 外部中断外部中断 0 服务

18、程序服务程序外部中断 0 主要完成从 ADC0808 中取转换后的二进制数，然后再将该数字转为对应的电压数值，分别存入到 RAM 的 31H、32H、33H 单元中，通道数放在 30H 单元。PINT0: PUSH ACC ;外部中断 0 MOVX A,R1 ;主要功能是存入转换值，存在 RAM 30,31,32,33单元 MOV 30H,R1 ;通道存在 30H MOV B,#51 DIV AB MOV 31H,A MOV A,B MOV B,#2 MUL AB MOV B,#10 DIV AB MOV 32H,A MOV A,B MOV 33H,A POP ACC RETI3.2.3 外部

19、中断外部中断 1 服务程序服务程序外部中断 1 的功能是将通道的值加 1，并且保证其值小于 8 然后启动 A/D转换，以此完成对显示通道的切换。 PINT1:PUSH ACC;外部中断 1 INC R1;完成通道数加 1 功能 CJNE R1,#08H,OUT MOV R1,#00HOUT:MOVX R1,A POP ACC RETI课程设计说明书123.2.4 显示子程序和延时子程序显示子程序和延时子程序数码管的显示为动态显示方式。即对 P1 口分时复用。每位显示后都调用延时子程序，保证延时一定的时间以让人眼产生视觉暂留。显示时分别取出 RAM中 30H 到 33H 中数据取表，再送出显示。

20、 SHOW:MOV DPTR,#TAB1;显示子程序 MOV A,30H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.0 LCALL DELAY SETB P3.0 MOV DPTR,#TAB2 MOV A,31H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.1 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,32H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.4 LCALL DELAY SETB P3.4 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,33H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR

21、 P3.5 LCALL DELAY SETB P3.5 RET课程设计说明书13 DELAY:MOV R6,#5 ;延时子程序 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET3.2.5 制表程序制表程序本程序定义了 2 段数据TAB1 和 TAB2。TAB1 为不带小数点 0 到 9 的数码管显示的字节，TAB2 定义的是带小数点的 0 到 5 的显示字节，以保证在数码管第二位显示出小数点，因此只有 31H 单元的数据在 TAB2 取值。其程序段如下： TAB1: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;TAB1 不带小数点，TAB2 带小数点 DB

22、6DH,7DH,07H,7FH,6FH TAB2: DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH4 PROTEUS 仿真及数据测试仿真及数据测试将汇编程序经 Keil 编译后生成的.HEX 文件装入到 AT89C51 中对其仿真，将 Switch 开关闭合，数码管将循环显示八个通道的电压值；将 Switch 开关打开，Button 按钮控制通道切换。分别将滑动变阻器位于不同位置得到不同阻值分别在数码上显示出来。现按动 button 两次，断开 switch 开关，即始终选择显示一号通道电压值，并将该路电压调到最大值 5V，得到如下仿真图： 图图 1111 仿真图仿真图由图 1

23、1 中可看出，最左端 1 号数码管显示第 1 号通路，当前通路电压值为5V，符合预期要求；现闭合 switch 开关，应该是有八路电压值循环显示，结果如下图：课程设计说明书14 图图 1212八路电压值循环显示仿真图八路电压值循环显示仿真图在不改变电阻值的情况下，上述数值循环显示，本数字电压表测量的误差都在 0.02V 以内，精度高，反应快，可以完成对多路电压的测试。5总结本次课程设计我对 AT89C51 单片机、ADC0808 芯片、数码管显示电路和模数转换电路及相关程序的编写进行了认真的学习，也对单片机技术有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的

24、功能，要动手把它设计出来就比较困难了，但是我们学习的理论知识很多但由于平时练习很少，所以将它们用于实际的应用比较困难。因此平时我们要把课本上所学到的知识和实际联系起来。通过本次单片机的设计，不但巩固了所学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的综合能力还还锻炼了我们的团队协作精神，提高了创新能力。在此过程中，我查找了大量的资料，在不懈的努力下，培养了独立思考、课程设计说明书15动手操作的能力。同时学到了很多在书本上所没有学到过的知识。我对单片机编程也有了进一步的认识和了解。比如在程序设计思想上。以前没有一个整体的概念。经过试验中的自我摸索，掌握了模块化编程的思想，将大的程序

25、分化为小的模块，最后把各小的模块串接起来，组成大的程序，实现整体的设计功能。此次课设我对 Protues ISIS 的丰富的电子器件和网络标号的画图方式也有了进一步的了解和学习。同时，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。 附录附录 1程序清单程序清单ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP PINT0;外部中断 0 地址ORG 0013HLJMP PINT1 ;外部中断 0 地址 MAIN: SETB IT0SETB EASETB EX0 课程设计说明书16SETB IT1 SETB EX1 ;中断设置MOV R1,#00H ;初始测试端口地址AA:MOV R4,#50HSETB P2.7 ;允许输入JB P2.7,AAA;检测显示模式（循环与否）INC R1CJNE R1,#08H,AAAMOV R1,#00HAAA:MOV A,#00H