单片机-简易数字电压表设计

1、-科技大学课程设计课程设计名称：简易数字电压表设计学生姓名：系部：机电工程系专业及班级：机械设计制造及自动化二班*：指导教师：2021年 12 月 20 日. z-目录前言1一、课程设计的目的和要求21.1、课程设计的目的21.2、课程设计的根本要求2二、总体设计22.1、根本工作原理22.2、硬件总体设计32.3、软件总体设计3三、硬件设计33.1模数转换芯片ADC080933.2 数据处理及控制芯片AT89S5153.3AT89S51与ADC0809的连接83.4 4位一体7段LED 数码管83.5 整机电路及工作原理8四、软件设计94.1 主程序设计94.2 各子程序设计10五、完毕语1

2、0六、参考文献11. z-前言近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的开展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格廉价，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件构造，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种，通过本次课程设计进一步对单片机学习和应用，从而更熟悉单片机的原理和相关设计并提高了开发软、硬件的能力。1、 课程设计的目的和要求1.1、

3、 课程设计的目的?单片机与接口技术?课程设计是在教学及实验根底上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计与制造出具有较复杂功能的小型单片机系统，并在实践的根本技能方面进展一次系统的训练。能够较全面地稳固和应用“单片机课程中所学的根本理论和根本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的根本方法。培养独立思考、独立收集资料、独立设计规定功能的单片机系统的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.2、 课程设计的根本要求1.简易数字电压表可以测量0-5V的8路输入电压值，并在4位LED数码管上轮流显示或路选择显示。2.其测量最小分辨率为0.02V。用欢动电阻模拟电压传感

4、器输出的模拟量，用ADC0809进展模数转换。2、 总体设计系统总体设计：a、控制模块选用AT89C51单片机。b、放大模块选择OP07芯片实现。c、A/D转换模块选择ADC0809芯片，从分利用其在仪表中的应用特性。d、显示模块选择与控制模块相配套的LCD液晶显示。2.1、根本工作原理设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表，原理框图如图1所示。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的05 V 的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89S51芯片的P0口。AT89S51负责把接收到的数字量经过

5、数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码，并通过其P1口经三极管驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE 管脚为ADC0809提供了1MHz 工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换完毕信号(EOC)。2.2、硬件总体设计、系统组成方案硬件电路设计由6个局部组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED 显

6、示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计如图1所示。图1 硬件电路设计、扩展单元编址、键盘、显示功能的定义2.3、软件总体设计、存储单元的分配、标志位的定义、主程序框图及清单带有注释3、 硬件设计3.1模数转换芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器。它可以和微型计算机直接接口。ADC0809转换器的系列芯片是ADC0808，可以相互替换。、ADC0809部逻辑构造图2 ADC0809的内部逻辑构造及引脚图ADC0809的部逻辑构造如图2所示。图中多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D转换器进展转换。地址锁存

7、与译码电路完成对A 、B 、C 三个地址位进展锁存与译码。、ADC0809的引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列如图2所示。1.IN0IN7：8路模拟量输入通道。2.A 、B 、C ：模拟通道地址线。这3根地址线用于对8路模拟通道的选择，其译码关系如表1所示。其中，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为ADDA ，ADDB 和ADDC 。3.START ：转换启动信号。START 上升沿时，复位ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开场进展A/D转换；在A/D转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为ST 。4.D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，

8、可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。5.OE ：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。6.CLK ：时钟信号。ADC0809的部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz 的时钟信号。7.EOC ：转换完毕信号。EOC=0,正在进展转换；EOC=1,转换完毕。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。8.Vcc ： +5V电源，GND ：地。9.Vref ：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进展比较，作为逐次逼近的基准。其

9、典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。3.1.3 ADC0809的工作原理首先输入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 上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC 输出信号变低，指示转换正在进展。直到A/D转换完成，EOC 变为高电平，指示A/D转换完毕，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，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图3 ADC0809信号的时序配合注意：ALE 信号常与START 信号连在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地

10、址信号，在其后沿启动A/D转换，图3为ADC0809信号的时序配合图。3.2 数据处理及控制芯片AT89S51AT89S51是美国ATMEL 公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机。AT89S51片含有4k 字节Flash 闪速存储器，128字节部 RAM，32个I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16 位定时/计数器, 一个5向量两级中断构造，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。同时,S51可降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停顿CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的容

11、，但振荡器停顿工作并制止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。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AT89S51是一种高效微控制器，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。3.2.1 主要性能参数1. 与MCS-51产品指令系列完全兼容；2.4K 字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器；3.1000次擦写周期；5.5 V工作电压围；5. 全静态工作模式：0Hz 33MHz ；6. 三级程序加密锁；7.128字节部RAM ；8.32个可编程I/O口线；9.2个16位的定时/计数器；10.6个中断源；11. 全双工串行UART 通道；12. 低工耗空

12、闲和掉电模式；13. 中断可从空闲模式唤醒系统；14. 看门狗(WDT)及双数据指针；15. 掉电标识和快速编程特性；16. 灵活的在系统编程(ISP-字节或页写模式) 。3.2.2 AT89S51的引脚AT89S51芯片为40引脚双列直插式封装，其引脚排列如图4所示。1.P2口：P2口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL 逻辑门电路。对P2口管脚写入“1后，被部上拉电阻拉高，可用作输入。P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部接有上拉电阻的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。在8位地址外

13、部数据存储器时，P2口线上的容，在整个期间不改变。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。2.P3口：P3口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL 逻辑门电路。对P3口管脚写入“1后，被部上拉电阻拉高，可用作输入。P3口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部接有上拉电阻的缘故。P3口除了一般I/O线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表1所示。P3口同时为FLASH 编程和编程校验接收一些控制信号。图4 AT89S51的引脚图表1 P3口的第二功能1VCC ：电源电压；2GND ：接地；3P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/

14、O口，每位引脚可驱动8个TTL 逻辑门路。对P0口的管脚写“1时，被定义为高阻抗输入。在外部数据存储器或程序存储器时，它可以被定义为数据总线和地址总线的低八位。在FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口；当FLASH 进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。4P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动4个TTL 逻辑门电路。对P1口管脚写入“1后，被部上拉电阻拉高，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部接有上拉电阻的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P1口还具有第二功能，如表3-2所示。5RS

15、T ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。6 ALE/RPOG：当外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想制止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时， ALE只有在执行MOV* ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 制止，置位无效。7/P

16、SEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。8/EA/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH ，不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET ；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源VPP 。9*TAL1：片高增益反向放大器的输入及部时钟工作电路的输入。10*TAL2：片高增益反向放大器的输出端。3.2.3 AT89S51的复位电路当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干

17、扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞，就可以通过按键使其复位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。电容C 和电阻R1实现上电自动复位。增加按键开关S 和电阻R2又可实现按键复位功能。R2的作用是在S 按下的时候，防止电容C 放电电流过大烧坏开关S 的触点。因保证R1/R2 10。一般取C=10uF,R2=100，R1=8.2K。3.3AT89S51与ADC0809的连接图5 AT89S51与ADC0809的连接电路AT89S51与ADC0809的连接电路如图5所示。AT89S51与ADC0809的连接必须注意处理好3个问题：1. 在START 端送一个100ns

18、 宽的启动正脉冲；2. 获取EOC 端上的状态信息，因为它是A/D转换的完毕标志；3. 给“三态输出锁存器分配一个端口地址，也就是给OE 端送一个地址译码器的输出信号。3.4 4位一体7段LED 数码管本设计的显示模块主要由一个4位一体的7段LED 数码管(SM410564)构成，用于显示测量到的电压值。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g 和dp 端都各自连接在一起，用于接收AT89S51的P1口产生的显示段码。1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收AT89S51的P3口产生的位选码。3.5 整机电路及工作原理设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易

19、的数字电压表。设计的硬件电路由主控局部(单片机AT89S51) 、采集模拟量局部A/D转换一路ADC0804、显示局部四位八段数码管、报警电路蜂鸣器4个局部组成。各局部之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现数字电压表的功能。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的05 V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT89S51芯片的P0口。AT89S51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，并通过其P1口经驱动芯片74HC245驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控

20、制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE 管脚为ADC0809提供了1MHz 工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换完毕信号(EOC)。4、 软件设计4.1 主程序设计初始化中主要对AT89S51，ADC0809的管脚和数码管的位选及所用到的存单元70H,78H,79H,7AH 进展初始化设置。准备工作做好后便启动ADC0809对IN0脚输入进的05V 电压模拟信号进展数据采集并转换成相对应的0255十进

21、制数字量。在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将0255十进制数字量转换成0.005.00V 的数据，输出到显示子程序进展显示。整个主程序就是在A/D转换，数据处理及显示程序循环执行。整个程序流程框图如图6所示。图6 主程序流程框图图7 A/D转换流程框图4.2 各子程序设计转换子程序启动ADC0809对模拟量输入信号进展转换，通过判断EOC P3.1引脚来确定转换是否完成，假设EOC 为0，则继续等待；假设EOC 为1，则把OE 置位，将转换完成的数据存储到70H 中。程序流程图如图7所示。4.2.2 数据处理子程序数据处理子程序主要根据标度变换公式，把0255十进制数转换为0.0

22、05.00V 。A* A 0+(Am-A0)*(N*-N0)/(Nm-N0)A*:模拟测量值; A0:模拟量输入最小值; Am:模拟量输入最大值;N*:摸/数转换后的数值; N0:摸数转换后的最小值; Nm摸/数转换的最大值。在本设计中，根据要求知：A0=0V，Am=5V，N0=0，Nm=255则公式1-1可化简为：A*=A0+Am-A0*N*-N0/(Nm-N0)=5N*/255=N*/514.2.3 显示子程序显示子程序采用动态扫描法实现三位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H 存单元中，测量数据在显示时需转换成10进制BCD 码放在78H 7AH 单元中，存放器R1用作显

23、示数据地址指针。5、 完毕语基于单片机的数字电压表使用性强、构造简单、本钱低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标到达了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量电压的功能。通过本次课程设计的锻炼，我学到了很多有关仪表的设计方法与工作原。在设计的过程中，出现了很多错误，这让我明白了，对总体的把握固然重要，但对于一个实际的系统，很难在设计之初就把握所有细节，设计任何一个系统都需要耐心逐步去发现和解决问题。在寻求解决困难的过程中，激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的

24、影响。总体来说，这次实习使我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维。通过两个星期的学习让我把书本上的知识转换成实际可操作的东西，让我体会到成功的喜悦和快乐。6、 参考文献1 蔡美琴等编著，MCS-51系列单片机系统及其应用，高等教育，2004.42 谭浩强编?C 语言程序设计第二版?清华大学3 朱定华编著?微机原理、汇编与接口技术?清华大学4 堂敏.焕平主编?单片机原理与应用? :理工大学，2007.5 广弟等?单片机根底?航空航天，2001.76 楼然苗等?51系列单片机设计实例?航空航天，2003.37 瑞新等?单片机原理及应用教程?机械工业，

25、2003.7 68 朝青等编著?单片机原理及接口技术?航空航天大学，2004.1 9 霍孟友等?单片机原理与应用?机械工业，2004.10 许泳龙等?单片机原理及应用?机械工业，2005.111 马忠梅等?单片机的C 语言应用程序设计?航空航天大学，2003修订版。附录/* writer:shopping.w */*include *define uint unsigned int*define uchar unsigned charuchar code LEDData1=0*3f,0*06,0*5b,0*4f,0*66,0*6d,0*7d,0*07,0*7f,0*6f;uchar code LEDData2=0*bf,0*86,0*db,0*cf,0*e6,0*ed,0*fd,0*87,0