【基于单片机的直流电压表的设计14000字（论文）】

基于单片机的直流电压表的设计TOC\o"1-3"\h\u242371、绪论 1314461.1数字电压表的背景 1302901.2数字电压表的国内外现状和发展 2196261.3数字电压表的未来趋势 313221.4本文研究内容 4100472单片机数字电压表的系统分析和设计方案 791442.1系统分析 7301642.1.1设计要求 766162.2设计方案 7194422.2.1设计的基本思路 7214172.2.2主控部分的选择 8146242.2.3A/D转换模块的选择 8201772.2.4接口模块的选择 8183522.3系统概述 8191212.3.1AT89C51单片机简介 8262402.4硬件电路图及工作过程简介 1170563单片机电压表的硬件设计 13158973.1系统硬件概述 13163243.2复位电路 13132193.2晶振电路 1339263.3A/D转换电路 14124103.5单片机AT89C51 17250304系统软件设计 18152114.1系统设计总方案 1889094.2系统主程序流程图 1863744.3A/D转换流程图 19220974.4源程序 2045135总结 2119691参考文献 225554附录1 24摘要单片机属于一种嵌入式的控制器件，它内部构成的器件大概有运算器，控制器，存储器，输入输出设备等，它具备了计算机主要的部件，可以完成计算机的部分功能。和我们平时见到的电脑中的处理器比较来说，这个体积更小，造价也更低一些，可以自己满足一些处理需求，不需要外接太多硬件设备，因为计算机的这些优点，所以涉及到的领域比较多，在很多的领域都能看到其身影，近几年来发展的比较迅速，所以在很多的场合被作为为控制器，但也有一定的不足，就是相对于其他的控制器来说，虽然体积小，导致其内存也不会太大，与外部相连的输入输出口自然也就比较少，功能相对来说比较单一。由于其发展非常迅速，传统意义上的单片机的定义已经不符合现在的市场需求，所以在大部分领域被采用的是微控制器，上个世纪的单片机基本上都是4位或者是8位的，但是如今，目前所用到的单片机基本上都是32位或者是64位的。我们在做一些电路的设计时，很多时候会使用到电压表这个器件，在以前的时候，用的比较多的是传统的指针式电压表，测量数据相对来说误差也很小，但采用的是指针式，结构一般是磁电或者电磁式，延迟高，功能单一，不能满足数字化时代的需求。由于现在需要更加直观的测量数据，所以很多仪器都朝着数字化的方向发展，目前来说，应用较多的基本上都是数字化的电压表，可以直观地测量出所需要的数据。数字式电压表（DVM），通过使用数字化的转换技术，把采集到的不分散的模拟量信号通过内部的处理变为不连续的数字量信号，然后在送入单片机中进行运算，得出的可以显示的电压信号送入显示电路中，可以有显示器直接读取测量结果。如今这个时代，数字化的仪表在电子半导体测量，自动化仪表，工业测量等各个领域都防范存在。本文设计电压表所采用的主要控制模块是单片机，以此为核心来扩展，通过利用其所具有有功能和控制原理去控制电压表的运行，采用ADC0809这芯片完成数据采样，通过模拟开关去完成了输入量城的自动转换从而使电压保持在正常的范围内，相对来说硬件电路比较少，造价比较低、整体电路结构简单，主要由AT89C51、A/D转换器、复位电路、晶振电路、显示电路等几个模块组成。关键词：数字电压表，AT89C51，A/D转换器,LED显示1、绪论1.1数字电压表的背景随着对测量数据要求的提高，目前应用比较多的是数字化的仪表，作为测量自动化，提高测量效率不可或缺的仪器，当今测量仪器的发展的趋势就是向着数字化，并且这个高精确的的数字电压表的应用，使得数字式电压表发展到了精密标准测量的这个方向。由于高新科技的快速发展，各种类型和功能的电压表被开发出来，能够方便地应用于各个领域和设备中，再电子技术测量中很多时候都能用到数字电压表，教学科研等方向也经常用到。因为出现了数字式的电压表，可以直接读取测量结果，更加直观，精准度更加高，也更加方便快捷，同时数字电压表不仅仅可以测量电压，经过一些改造，也可以测量其他的数据，作为通用的数字仪表或者专用的数字仪表来使用，例如温度计，电子秤，长度测量仪等各种数字电表，几乎覆盖了电子电工测量，教学测量，工业自动化，认证检测等各个方面。使数据更加精准，检测人员的工作更加便捷。数字式电压表，又可以叫做DVM,利用其内部的A/D转换模块对输入的信号进行处理，可以把需要测量的不间断的模拟信号装换成间断的离散的数字量，并转移至单片机，处理之后，在送入显示电路中加以显示。以前所使用的指针形式的电压表，一般只能测量一种数据，不方便与其他的设备扩展，测量准确度相对来说也不高，对于现在的测量需求难以满足，目前的数字化仪表，以单片机作为主控模块，相比较而言，精度大大提高，且扩展性好，能够扩展多种设备，用于不同需求的测量，功能也更加多，抗干扰能力也有所提高，还能够与PC进行实时通信。目前来看，在数字电压表的基础之上，已经开发出多种测量其他数据的数字仪表，并且广泛应用于其他的各个领域。新兴的数字式电压表相对于前的指针式电压表来说，多了很多的优点，例如精确度大大提高，测量结果更加直观，同时又可以扩展成多种测量仪表，所以更多的人都选择新型的电压表。由于数字电压表的发展迅速，在此基础上所开发出来的各种通用和专用的仪表业发展迅速，在电量和非电量的测量领域上发挥着重要的作用。在电量的测量过程中，最基本的三个被测量就是电压电流和频率，其中典雅的测量最多，随着科技的发展，各个领域都对测量精度的要求大幅度提高，需要的数据更加精准，因此很多领域都不能少了数字电压表的使用，数字电压表又可以扩展出测量其他数据的仪表，都是在此基础之上，通过加以改造，就可以的得到很多种类型的通用或者专用的数字仪表，数字万用表是由于其内部的A/D转换模块来起到模拟量向数字量的转换的，万用表测量结果的误差大小，主要取决于A/D转换模块的作用，若是A/D转换模块的精确度高，则万用表的误差小。数字式电压表的种类非常的多，区分的标准主要是根据其工作原理的不同，可以分为比较式、电压-时间转换式、积分式等，本文所设计的电压表采用的是ADC0809模块，通过该芯片来实现模拟量和数字量的转换，进而得到所需要的数字量信号，使用单片机AT89C51对其转换出的数字量信号进行运算处理，得出能够显示出来的电压数值，然后将其传送至显示电路，通过显示模块把最后的测量结果显示出来。1.2数字电压表的国内外现状和发展数字电压表也可以叫作DVM,在上个世纪的40年代末才被发明出来，经过20年的时间，一直发展到上世纪的60年代末期才比较稳定，它通过数字化测量技术，把需要测量的连续不断的模拟量信号转变成离散的间断的数字量信号，进行处理之后并加以显示出来从发展过程来看。这种电子仪表之所以被发明出来，主要有两个方面的原因，其中一个就是因为时代的发展，计算机的应用变得广泛，需要的数据更加精准，且需要直观的数据，就需要获得数字量，为了实现实时控制和数据的处理，另一方面，就是由于电子计算机的迅速发展导致了脉冲数字电路也迅速发展起来，从侧面也间接推动了数字化仪表的出现。由于各个领域的需求，数字电压表所扩展的领域也不断增加，有最开始传统的测量作用扩展至控制及，传感通信等其他各个领域，未来的发展将会更加的广阔。传统的指针式电压表主要的设计构成为：用电流计和电阻构成的电压表；或者是把中小规模的集成电路连接在一块；再或者就是直接利用大规模的集成电路；以此来构成电压表。这些设计方法都有其优点也有不足的地方，一般来说一种电压表只能适用于一种场合的测量，如果要在不同的场合，则需要换电压表才可以测量。同时，也为很多新颖的电压表的设计所借鉴和依据[2]。从如今的形势来看，传统的指针式电压表相对来说就很少再出现，几乎就快被淘汰，各个领域应用的比较多的还是数字化的电压表。这个主要是因为相对于传统的电压表来说，数字式电压表的功能更多，数据可以直接读出来，所以精确度也比较高数据的采集非常方便，在测量的时候速度也比传统的指针式电压表要快很多，同时，数字是电压表的抗干扰能力也是很强，非常的灵活，能够适用于各个领域，比如电子和电工的测量，工业自动化的测量等等，未来的发展领域将会更加的广阔。电压表杠被发明出来的时候，主要是利用伺服不仅电子管来进行运作的，这个时候的电压表精确度高，但是体积非常的笨重，同时采样速度比较慢，用起来也是不方便。随着科技的发展，后来又出现了谐波式电压表，这种电压表相对于以前的速度有所提高，但是精确度和稳定性下降，所以，随着时代的发展也逐渐淘汰。后来又改用了一种新的比较式仪器，采用的是逐次渐进的结构，这种仪表准确度高，速度也有所提升，但在抗干扰能力方面处理的不太理想，非常容易受到外界因素的影响，后来，在这个的基础上，又引进了阶梯波式，这个电压表的只是成本有所降低，但准确度、速度和抗干扰方面都没有什么改变。在这个时期，数字电压表的发展已经非常完善，从原理上看，由开始测量一两个数据提升到可以测量多个数据;从功能上来说，从最初的职能测量一种数据到如今的可以测量多种类型的数据，从组成的元器件上来看，由最初的伺服电子管，到后来的大规模集成电路，更加的稳定，抗干扰能力更强，准确度方面也是大大提升，已经到达了1NV，扫描速度也更加快，上升至每秒几万次。成本相对于之前已经降低很多，就现在来看，模拟指针式的电压表已经很少再被使用，目前更多的是数字式电压表的使用，这个主要是因为相对于传统的电压表来说，数字式电压表的功能更多，数据可以直接读出来，所以精确度也比较高数据的采集非常方便，在测量的时候速度也比传统的指针式电压表要快很多，同时，数字是电压表的抗干扰能力也是很强，非常的灵活，能够适用于各个领域，比如电子和电工的测量，工业自动化仪表等等，前景非常的好。这么多年的不断研开发，现在市场上数字电压表的种类已经非常的多。传统的指针式电压表还能保留着一些适用的场合，比如用于手工测量，如果是要进行远程的测量，并且需要更进一步的数据，那么传统的指针式电压表就不能完成，必须要采用新型的数字式仪表才可以。例如带有PC通信的数字电压表，可以进行远程的数据传输，所以便可以实现远程的数据测量，本质就是把数据传出过来。在传送数据的基础上还可以对传递来的数据进行处理，得到可以直接显示出来的数据。无论是在功能上还是应用场景上，数字是的电压表都比传统的电压表更加的优越。1.3数字电压表的未来趋势作为电压表的一个部分，在过去的这些年里，数字电压表发展得非常快，从最开始的伺服电机一直到如今的大规模集成电路，组成结构更加先进稳定，功能也更加齐全，测量精度抗干扰等方面较之以前大大提升。最开始主要用于现场的电压测量，发展到如今在自动控制传感等各个领域都广泛应用，前景非常的好。以前的那种指针式电压表所采用的元器件发展过程是：刚开始发明的时候采用的是电流电阻来组成，慢慢发展到采用中小规模的集成电路，如今所使用的大部分都是利用大规模集成电路来实现的，这些设计方法所组成的电压表，由其性质决定，分别用于不同的环境。进入21世纪依赖，随着科技的快速发展，电压表也由原来的测量一种变为了多种测量和自动控制等各种功能，因为计算机的发展，很多领域都变得智能化，所以，与之相联紧密的智能化电压表便显现出来，成为了一个新的话题。目前来看，数字化仪表发展迅速，与微处理器很好地结合起来，通过微控制器来对数字电压表进行控制，使之变得更加智能化。从其技术发展来看，这种由微处理器来控制的仪表标志着计算机技术与数字化仪表结合的越来越紧密。电压表本身自带的软件功能式能够表现出某种延申的效果，本身具有强化的作用。这种电压表对于以前的那个中只有硬件的仪表来说是一种新改进，它的发展非常有前景，这个已经在70年代以来的仪器发展史中作被证明。总结起来，具有微处理器的仪表的特点是：1、在测量过程中软件对测量数据能够储存和运算，2、在仪器的测量过程综合了数据处理功能，使得仪表更容易实现多功能化，3、智能化仪表的发展方向都是朝着软件控制方向来走，在其使用过程，以及其功能设计方面非常的灵活。由以下5个方面可以描述这种数字仪表的发展方向。（1）采用新的科技随着科学技术的不断进步，采用了新的技术和方法，发明出了全新的器件，在这之中起主要作用的器件就是A/D转换器，其中应用最多的便是A/D转换器，从90年代初期到90年代末期的这些年里，经过不断的研究发展，很多国家都在模数转换领域有了全新的突。除了这些，因为采用集成电路作为电压表的组要构成，所以功能比较全面，如需要扩展，只需要在外部配置部分器件，便可以构成智能仪表，实现所需要完成的功能。（2）广泛采用新工艺就目前的发展趋势而言，以后数字仪表的发展着重点会在标准模块上，估计在过一段一时间，大部分的数字仪表将会变得标准化和通用化，只有这样，在电路的设计和维护时才能更加的方便。（3）多重显示仪表为了能够达到观察连续变化的数据的目的，所以现在很多数字仪表都开始采用数字/模拟双条显示，它可以显示出连续不断地变化量，可以清楚地观察到测量数据的变化过程。（4）提高安全性无论是任何器件都需要考虑安全问题，数字仪表也是如此，这对生产厂家和使用者来说都具有重要的意义，首先是厂家在生产器件时要保证期间的质量问题，并且符合国家的标准，另一方面就是客户在使用时也要注意安全，严格按照仪器的说明来操作。（5）操作简单化由于集成电路发展的比较快，现在仅仅需要少量的元器件，就可以组合成一个完整的数字仪表，而且能够很好的完成储存计算控制比较这些功能，从而让操作变得更容易。但是指针式仪表也有它所独有的优势，这是数字电压表所欠缺的，比如数字式电压表所显示的只有最后的测量结果，但是却不能够显示出测量数据的变化过程或者快慢程度。为了能够观察测量数据的变化情况和趋势，在90年代初期的时候，出现了一种数字和光柱的可以可以显示具体测量结果也可以显示测量数据变化趋势的仪表，并且已经在实际的应用中得到证实。从上面的情况可以清楚的得知，这些年来，智能仪表发展迅速，而且应用也很广泛，但从人的惯性思维来看，大多数人还是比较喜欢以硬件为出发点，这都是由于设计者本身的硬件背景，LSI器件的火速发展打击着目前所存在的仪器硬件的更新数量，这个总的趋势是不可避免的，但如果从另一个角度来看，软件还没能充分应用到仪器中去，还有很多的方面需要去开发和完善，这个是只时间问题。若是把人工智能应用到数字仪表的领域，便一定可以研究出智能化的仪表。从这个角度来看，现阶段所使用的智能仪表只是在发展的初期，从其发展趋势上看，电压表未来的发展方向也会朝着智能化发展。1.4本文研究内容从本文的设计目标出发，该电压表采用AT89C51作为其主控模块，用于数据的运算处理和整体系统的控制，模数转换模块采用的是ADC0809,把所测量的模拟量信号转换成数字量信号，系统除了保证可以完成要求的功能外，还可以进行其他功能的扩展，本文采用的是AT89C51作为核心元件，这个系列的单片机性性价比高，相对于其他的控制器来说损耗低，性能高，运算处理速度都比较快，内部装有4KB的RAM存储器，这种类型的存储器能够重复的擦写1000次，又叫做Flash只读存储器，这种存储器采用的是ATMEL公司的高密度非议失性的技术制造，能和标准的51指令系统及其引脚兼容，扩展性非常好，芯片的内部装有8位的中央处理器和ISPFlash存储单元，功能很多，能够应用于许多嵌入式控制应用系统中。本文的设计思路主要是由ADC0809采集到输入的模拟信号，经过处理之后转化为数字信号，然后送入数据处理模块AT89C51，由单片机对其进行运算，得出可以显示出的电压数据，再送入LED显示模块中，由显示电路显示出测量结果。本设计从不同角度论述了以单片机为主控的的数字电压表的工作过程和每部分的工作原理，系统的分析了单片机的功能以及其使用方法。本文主要从硬件和软件两个方面出发来设计电压表，其中硬件部分的组成主要包括A/D转换模块，LED显示电路，晶振电路，电源模块等，软件设计主要是绘制程序流程图和编写控制程序，采用的是C语言来编写。2单片机数字电压表的系统分析和设计方案2.1系统分析本文采用的是MCS-51系列的单片机对数据进行运算处理和系统的整体控制，通过A/D转换模块的作用，把需要测量的模拟量信号转换成单片机可以处理的数量信号，再将其送入单片机之中运算出可以显示的具体电压值，再将其送入显示电路中就便可以观察到测量结果。传统的指针式电压表一般指用来测量电压值，不容易扩展成其他的电表，功能相对来说比较单一，而且由于是指针式，不能显示出精度很高的结果，只能得出大概的范围，误差相对来说比较大，很难满足数字化时代对精确度的要求。本文所设计的电压表是通过单片机进行控制的数字化仪表，精确度、稳定性等方面大大提升，扩展性更强集成方便，目前，这种数字电压表已广泛应用于电子电工测量，自动化仪表等各种智能化测量领域，具有很大的发展前景。2.1.1设计要求（1）51单片机是核心控制元件，能够测量直流电压；（2）可以测量0-5V、0-10V、0-20V的电压；（3）测量的最小分辨率：0.02V；（4）自动选择量程；（5）采用LED数码管显示。2.2设计方案2.2.1设计的基本思路本次设计主要思路是采用以AT89C51单片机芯片和ADC0809模数转换模块为主要的控制和数据处理模块，以此来设计出一个简单的电压表，其功能是可以测量5V以内的电压，并将测量结果直观的显示出来，测量误差允许再0.02V以内。其内部的工作过程为：首先将所需测量的数据传送至A/D转换模块中，经过处理之后，可以将输入的模拟信号转换成不连续的数字信号，再把这些数字信号传送至P0口，AT89C51再对其进行运算和处理，最后送至显示电路中，就要可以观察到所测得电压值。本文所设计的电压表大体可以分为以下几个部分：A/D转换模块、AT89C51主控模块、量程转换模块和LED显示模块，A/D转换功能主要由ADC0809模块来完成，数据处理主要有AT89C51来完成，分压电阻和继电器构成量程转换模块，有单片机控制继电器衰减倍数来改变量程。2.2.2主控部分的选择本文所设计的电压表以AT89C51作为核心的单片机控制系统方案，单片机AT89C51内置4KB的RAM存储器，能够满足用户的需求，方便以后的扩展，在单片机内部装有ISP在线编程技术，能够直接使用并连接到到计算机的并口，与其相连便可绕写程序，能够替换市场上的绕写器，相对来说比较方便，还可以提高系统的衔接比。2.2.3A/D转换模块的选择本文设计的电压表采用ADC0809芯片作为A/D转换器，主要作用是把采集到的不间断的模拟信号转换成数字信号，对电路要求不高，接入电源便可以工作，ADC0809是一种逐次逼近型的模数转换器，这种类型的转换器转换效率很高，分辨率也很高，而且价格比较实惠，性价比高。ADC0809芯片输入信号为为单通道输入，可以输出8位的数字量信号，转换信号所需时间为100us，可以完成对0-5V电压信号的转换，由于内部有参考电压输入端和时钟发生器，所以使用时不用再调零，操作简单。2.2.4接口模块的选择采用单片机AT89C51对电压表进行整体控制和数据处理，测量的电压信号送入A/D转换模块，在ADC0809芯片的作用下将模拟信号转换成离散的数字信号，再送入单片机之中，经单片机处理之后送入显示模块，实现起来比较容易，且成本低。2.3系统概述2.3.1AT89C51单片机简介单片机又可以看做的一个完整的小型计算机，它把计算机所拥有的主要部分都整合到一个小芯片上，它具有一个完整计算机系统大部分的功能，同时包含计算机的主要部件：CPU处理模块，存储器，总线等，同时市面上所使用的单片机还能够通过接入外部存储器来扩展存储空间。同时还有其他的许多外设，例如定时器，通讯接口等。单片机发展到目前，一部分单片机已经能够做到把声音图像等或者其他的一些复杂的输入输出都集成在一块芯片上。单片机又称微型机，还可以叫做微型控制及或者嵌入式控制器，最初发明的时候是在工业控制领域应用，单片机最初是在专用处理器的基础上发明出来的，通过把正常规模的器件缩小，然后集中在一个小的芯片上，并且能够实现一个计算机完整的功能。由于体积小，可以方便的复杂的控制系统中去，INTEL的Z80NTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，在这以后，单片机和专用处理器的发展方向和应用领域便分开。AT89C51内部包含了可编程擦除的只读存储器，并且具有低电压高性能的特点，能够处理8位数据的微型处理器，又叫做单片机，因为单片机是将多功能的8位CPU和存储器放置在一个芯片上，所以单片机具有完整计算机的功能。图2.1单片机引脚图GND：接地P0口：P0口是一组双向的输入输出口，能够传输8位的数据，既可以作为地址总线口，也可以用于传输数据，每位都可以通过电流来驱动TTL逻辑门电路。若是输出1时，电路呈现为高阻态。P1口：P1口与P0口的功能类似都可以用来输入输出数据，P1口内部多了一个上拉电阻，用作出入口时，输入的是高电平1，输出低电平0的时候，可以输出，同时，P1口在编程时也可以用于接收地址。P2口：P2口和P1口P0口类似也是用于输入输出数据，并且其内部也装有上拉电阻，同时能够输出4个门电流，要是想要端口的状态处于高电平的时候，便给端口一个1信号，其中完成这个操作是利用了上拉电阻的作用。若是访问的数据高于8位，则不能输出低8位的，此时输出的数据为高8处于高8位地址。如果访问的数据小于等于8位的话，则输出的位数不变，与访问数据位数一致。在使用Flash的期间，P2口可以接收别的信号或者高位地址。P3口：P3口能够输入输出8为的数据，并且内置上拉电阻，可以通过缓冲器驱动TTL门电路。能够输出4个TTL门电流，当给P3输入高电平，P3口此时用于输入数据，又因为外部是低电平，所以P3口此时可用于输出电流。P3口除了输入输出功能外的其他功能，如图2.1所示：在需要的时候，要想停止ALE的这个操作，这个时候可以对8EH的D0位置1，当把D0位置一以后呢，这个时间ALE只能激活一条MOVC指令，除此之外，这个引脚会被这些操作拉高，所以在执行外部程序时应该把ALE关闭，不让其作用。RST是复位引脚，如果要启动复位的功能，前提条件是RST引脚能够保持2个周期以上的高电平，满足这个条件，系统才能够实现复位的功能，系统恢复原始状态之后，计数器的数据清除，这个时候P0-P3口输入高电平，栈堆指钟输入07H，其他的寄存器也恢复原始状态，RESET变为低电平后，系统从000H开始，其他专用寄存器被清0，RESET此时变为低电平，系统重新开始工作，初始化或者复位的操作对于RAM和工作寄存器的状态并没有什么改变，其还保持原有的数据。表2.1ALE/PROG:在运行外部设备时，地址锁存器允许输出电平锁存低位的字节，在使用FLASH编写程序时，编程的信号通过这个引脚输入单片机内部，在不运行外部设备时，ALE可以输出稳定的正弦波脉冲，振荡器频率为该频率的6倍。所以说这个引脚的作用有对外部输出脉冲或者作为定时器使用。但是需要注意的是：如果用作外部存储器，需要一个ALE脉冲，若是想要ALE不能输出数据，则可给SFR8EH一个低电平即可。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。当单片机执行外部设备时，ALE处于禁态，不能被访问。EA/VPP：其功能是用于控制系统能否与外部设备进行数据交换，只有在EA口置于低电平时，方可与外部设备进行数据交换，这时需要注意对LB1的加密，若是加密之后，则在复位时，EA口便会锁存，不允许输入。如果EA口置于高电平1时，那么单片机便不能被外部访问，只能控制内部的存储器。XTAL1：振荡器反向放大输入端XTAL2：振荡器反向放大输出端2.4硬件电路图及工作过程简介本文的设计思路是，首先是由A/D转换模块采集所需要测量的模拟信号，经过其内部的处理之后，变成不连续的数字信号，再经其输出口送入单片机中，由单片机对这些数字信号进行运算，得出测量的电压值，最后将其送入显示电路中，可以直观地看到测量结果。其硬件电路主要是包括单片机、A/D转换器、晶振电路、电源模块、显示模块这几个部分。其中用于实现模数转换功能的使用的是ADC0809芯片，它本身可锁存三台输出，而且与TTL电路兼容，还有一个特点就是这块芯片的分辨率比较高，另外，该芯片的转换精度为0.2%，精确度相对来说比较高，其所能测量的电压范围是0-5V，A/D转换器接入电路，首先需要初始化，然后才能开始进行其他操作，运行时，最高位处于高电平，然后接入所需要测量的电路，把输入的数据进行转换，然后将转后的数据与输入的数据比较，如果转换至比较小，则保留1，如果转换值比较大，则从第二开始再次重复上述过程，一直比较至最低位时，才可以结束。用8段数码管作为显示电路，通过单片机的动态扫描来驱动，这种驱动方式能够让数码管足够亮，并且可以保护数码管，减少其损耗。图2.3硬件电路图ADC0809的REF（-）接地，REF（+）接+5V，所以采集电压的范围是0-5V，A/D转换器可以把模拟量信号转换为二进制的数字量，这个数字量是不能直接显示的，需要送单片机进行处理，单片机运算之后，可以得出相应的电压值，最后再由显示电路显示出来，具体的运算过程如下所示：由上述公式可知：当ADC0809输出为（11111111）时，输出电压值为5V，当ADC0809输出为（00000000）时，输出电压值为0V，若是转换器输出的带二进制代码为（10000000）时，则代表的电压值为2.5V，再有就是单片机对数据的数理能力有限，只能运算出其证书的部分，不能得出小数点后的数值，因此若输出的二进制代码为（10000000）时，有单片机得出的电压值为2V，这就导致测量结果不准确，同时在0-5之间只有6个整数，所以必须要把测量数据的小数部分显示出来，具体方法是：如果要保留小说点后的一位，则运算时分子部分成10，若要保留小数点后2位，则分子部分乘100，以此类推，其中保留两位的公式如下所示：由上述的公式可以得出，若ADC0809输出的二进制代码为10000000时，单片机运算出的数值为2500，然后将其除以10，余数为0，可以得到250，继续这种运算，一直到除到出现余数不为0为止，最后的结果和那三个余数便是最后的电压值，将这四个数通过串口输出，送入显示电路中，然后把第一个数码管接地，使其通电发亮，这个时候便可以观察到测量的电压值为2.500.3单片机电压表的硬件设计3.1系统硬件概述本文设计数字电压表，是基于单片机的基础上进行构思的，主要是通过单片机对整个系统进行控制和数据的运算，A/D转换器进行数据的转换。硬件电路主要包括单片机，A.D转换模块，显示电路，电源模块，晶振电路，量程选择等，以此来构成数字电压表，完成对于数据的测量。3.2复位电路为了使CPU和其他的部件恢复到初始状态，单片机启动时和运行过程都需要用到复位这个功能，保证其重新开始工作，51单片机的第九个管教就是复位引脚，采用的触发方式是施密特出发，复位的条件就是当起振以后，单片机的第九位引脚变为高电平，并且能够维持到2个周期以上，才可以实现复位，如果其一直保持在高电平状态，则一直保持为复位状态，若要正常运行，给其输入一个低电平即可，单片机有两种复位的方法，一种是自动复位，一种是手动复位，在这次设设计中，采用了自动复位和手动复位相结合的形式，可根据提具体情况来选择，只要是能够使在VCC管教的上升时间低于1ms，那么这个单片机便可以正常工作。复位电路图如下所示：图3.1复位电路图对于正在运行的单片机，一般采用的是手动复位，即在需要复位时，按下复位按钮，这样就可达到复位所需要的条件即复位引脚保持2个周期以上的高电平，便可以实现手动复位。3.2晶振电路晶体振荡器有简称晶振，其组成部件为两个电容和一个电阻，按一定的方式串并联之后可以等效为一个二端网络，二端口网络有两个谐振点，一个为并联谐振，一个为串连谐振，划分的依据是频率的高低，晶振也可以看作为电感来使用，前提是要保证这两个频率相近才可以，如果想变为并联谐振电路的话，则需要在晶振两端并联上电容才可以实现，把这种电路放在反馈电路中，就能够作为正弦波振荡电路使用。因为电感的频率所涉及到的范围比较小，所以以此构成的振荡器的频率相对来说也比较稳定。石英振荡器与谐振荡器都是用于提供点了频率，只是其作用方式有区别，石英振荡器是是通过晶体的压电效应来实现，而谐振器的运作则是通过石英晶体和其内置的IC来起作用的。振荡器比谐振器使用起来更便捷，谐振荡器需要在3.3V的电压下才可以正常运行，谐振电阻对电路性能有着很大的影响，决定着器件的价值高低。振荡电路的出入端口有两个，分别是XTAL1和XTAL2，其作用是连接微调电容作用于外界的石英晶体。要产生自激振荡，在接通电源后，XTAL2口要输出一个3V的正弦波，一般来说，OSC的输出时钟频率FOSC为6MHZ-16MHZ，典型值为12MHZ或11.0592MHZ，电容C1和C2都是帮助其起振，典型值为30pf，通过调节X1可以微调FOSC，本次设计中，晶振为12MHZ，电容C1和C2的值为30pf。晶振电路图如下所示：图3.2晶振电路图3.3A/D转换电路A/D转换器是模拟量信号输入通道中的一个环节，主要用于数据的转换，通过其内部的装置把所需要测量的模拟信号转换成数字信号，再把数字信号通过其输出口传送给单片机，单片机对传输来的数字信号进行运算和处理，再送入显示电路中去。本文设计的电压表，对精确度的要求比较高，所以采用的是ADC0809L芯片来实现模数的转换，其分辨率由8位，有28条引脚，而且他的封装是采用双列直插式的，其引脚图如下所示：图3.3ADC0809引脚图通过资料可以发现ADC0809芯片的23，24，25这三个引脚位3位地址输入线，它们的功能是用于选择8路模拟输入中的一路，如何选择，对应的就得出一张表，根据这张表我们就可以通过编程来选择不同的通道，进而可以得到需要的结果，ADC0809的3位地址输入线对应关系表如下图：图3.4ADC0809通道选择表ADC0809的主要特性：（1）8路输入通道，8位A/D转换器；（2）转换时间为100μs，是作为640KHZ时，（3）有转换启停控制，（4）测量电压的范围是0-+5V，可以自动调零，（5）适用的温度是-40到+80度（6）损耗低，约为15mvADC0809的外部特性：IN0-IN7:8个模拟量输入端，用于输入模拟量2-1~2-8：数字量输入端，用于输入数字量ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入口，选择模拟输入口，ALE：地址锁存引脚，用于锁存地址信号START：转换器的启动输入端口，EOC：输出结束OE：用于决定数据能否输入输，开启条件是要有高电平，CLK：用于输入一个时钟脉冲REF(-)(+):基准电压VCC:电源GND：接地图3.5ADC0809内部结构图由上述的机构图可以得知ADC0809这个芯片主要由四个部分组成，其中起模数转换作用的部分主要是包括这几个：逐次逼近寄存器，定时器，控制器，以及开关树形D/A，采集到的数据经过的通道是IN0-IN7，由此进入ADC0809芯片，芯片中，经过上诉那些器件的处理之后，可以转换成相应的数字量信号，再通过D0-D7这8个引脚传送至单片机进行运算处理。3.4LED显示电路LED数码管以发光二极管作为发光单元，可以发出多种不同的颜色，其作用主要是用于装饰和照明等。现在市场上的LED价格比较低，结构简单，在设计电路时经常使用。实际上，数码管的组成和原理非常简单，由8个发光二极管组成，可以分为两个部分两个部分，其中有7个二极管为一部分，在数码管内部排列为一个日字形状，用于显示相应的数字剩下的一个二极管作为第二部分，它是作为小数点的，在使用多个数码管是，用于分开小数和整数，便区分整数与小数部分，利用软件编写程序来控制不同位置二极管的亮灭，完成所需要的控制要求。LED数码管的引脚排列如下图所示：图3.6LED引脚排列图显示方式静态显示方式在使用并行口作为输出时，数码管为静态显示，静态显示的具体实现过程是，需要把所有的共阴极接地，段选线都要和一个8位的锁存输出连起来，主要是显示器的每部分器件都处于独立的位置，互不相连，而且显示字符确定之后，锁存器的输出也将随之确定，产生这种现象的原因主要是因为显示器的每部分相互独立，其显示的字符不能随意改变，若是要修改，只有去显示别的字符才可以。在使用串口输出的时候，由于不能直接显示，必须外接一些寄存器才可以显示。图3.7七段LED选码表动态显示方式 如果数码管要实现动态显示，一般的方法是采用动态扫描，具体的过程为，依次点亮显示器，并且让其循环动作，每次只点亮一个显示器，只是每两个显示器所隔的时间比较短，同时又因为人眼的特点，可以留下上一个时间段看到部分，这样就在人看来便是持续点亮，中间没有间隔。想要完成动态扫描，需要注意这以下两个方面，首先要给显示器一个输入，并且还要对显示器进行控制才可以，在显示器上加两个输出口，用于输出段控信号和位控信号，LED显示电路连截图如下： 图3.8LED显示电路 3.5单片机AT89C51AT89C51是由美国ATMEL公司所制造的，采用的是刚密度非易失型技术，能够和标准的51指令系统相匹配，使用起来非常方便，内部装有程序存储器，可以完成在线编程，可以适用于很多的控制领域，AT89C51有40个引脚，128bytes的只读存储器RAM，能够实现双向输入输出功能的端口有32个，其内部装有定时计数器，可以实现编程的功能，这种类型的寄存器为16位，每个单片机有2个，所以可以直接编程，不用在通过外部的设备来输入，减少成本，使用起来更加的方便，单片机具有多种封装形式：PDIP、TQFP和PLCC，以适应于不同的产品的需求。51单片机所使用的封装类型为PDIP，其具体的引脚图如下：图3.951单片机引脚图4系统软件设计4.1系统设计总方案本文所设计的单片机整体的结构如下，其主要是有6大部分组成，包括起主要控制和数据处理的控制模块，采用的是51系列单片机AT89C51，实现数据转换功能模块为ADC0809，再有就是起到一些辅助作用的电源