单片机应用技术（C语言 第二版）课件：简易数字电压表

本课题的任务是利用单片机和A/D转换器组成的系统测量0～5V的模拟电压，并在数码管上显示出来，也就是制作一个能测量0～5V模拟电压的简易数字电压表。在电路中，电流和阻抗均可通过线性电路转换为电压信号，能够测量电压的系统即可测量电流和阻抗，在输出结果时按比例计算就能够得到相应的电量的值，由此可以做成相应的测量设备。任务提出任务简易数字电压表任务要求是实现一个模拟电压表的功能，测量0～5V的输入模拟电压，并用数字方式进行显示。任务分析对单片机来说，能处理的输入量和输出量都是数字信号（数字量），因而首先必须将输入的模拟量变换为单片机能够识别的数字信号，常采用A/D转换电路来将模拟量转换为数字量。为了保证转换稳定，A/D转换电路往往需要基准电压信号。数字电压表以单片机为控制核心，读入A/D转换器输出的数字信号，将其在数码管上显示出来。因此需要在单片机最小系统的基础上增加A/D转换电路和显示器件及其驱动电路，故整个系统的框图如图所示。温度测量硬件系统框图一、输入通道概述在电子控制系统中，单片机往往需要对控制对象的过程参数进行监测。被监测的过程参数通常是一种非电量的物理量，如温度、压力、载荷、位移等，这些物理量不能被单片机直接读取。相关知识通常采用传感器将被监测的物理量转变为电量，传感器按输出信号的性质可分为输出模拟信号的传感器和输出数字信号的传感器两大类。模拟信号传感器输出的电信号可以是电压，也可以是电流电阻，输出信号强度大小也不尽相同，往往需要对这些信号进行放大、滤波等处理，以便于单片机或模数转换电路对信号的利用。在同一个测控系统中，被检测的参数可能有不止一个，考虑到单片机的工作速度快，物理量变化速度相对比较慢，对于多个模拟量的输入，可以使用一个A/D转换器来轮流处理各个被测量，如图所示。输入通道二、A/D转换器简介能将模拟量转换成数字量的电路，称为A/D转换器。1.直接A/D转换器直接A/D转换器通过基准电压与取样保持电压进行比较，从而将模拟量直接转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，使用也比较方便。2.间接A/D转换器间接A/D转换器是将取样后的模拟信号先转换成时间t（即电压—时间变换型，简称V-T变换型）或频率f（电压—频率变换型，简称V-F变换型），然后再将t或f转换成数字量。3.A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率和量化误差。分辨率是指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。（2）转换速度。转换速度是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数，也可表述为转换时间，即完成一次A/D转换所需时间，两者互为倒数。（3）转换精度。A/D转换器的精度通常有两种表示形式：绝对精度和相对精度。三、ADC0809简介ADC0809是CMOS型8路8位逐次逼近式A/D转换器，包括8位的A/D转换器、8通道多路转换器、三态输出锁存缓冲器和与微处理器兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单极性模拟信号中的任何一个。ADC0809片内设置了带有锁存功能的8位模拟多路开关，可对8路0~+5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态输出锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。ADC0809的内部结构如图所示。ADC0809转换器逻辑框图及引脚排列a)逻辑框图

b)引脚排列1．ADC0809的主要特性（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。线性误差为±1LSB。（2）单一+5V电源供电，模拟输入电压范围为0~+5V，不需零点和满刻度校准。（3）转换速度取决于芯片时钟频率，时钟频率范围为10~1280kHz，转换需要64个时钟脉冲。当时钟频率为640kHz时，转换时间为100μs；当时钟频率为500kHz时，转换时间为130μs。2．ADC0809芯片引脚功能ADC0809芯片的逻辑框图及引脚排列如上图所示，器件的核心部分是8位A/D转换器，它由比较器、逐次逼近寄存器、D/A转换器及控制和定时5部分组成。3．ADC0809工作时序ADC0809工作时序如图所示。ADC0809时序图4．采用总线方式控制ADC0809的电路在如图所示电路中，JK触发器构成一个二分频器，使ALE的输出频率降低为1MHz后给ADC0809提供时钟信号。ADC0809与AT89S51的总线连接方式一、硬件设计根据任务分析，本任务通过A/D转换器将输入电压转换后的数字信号送到单片机，由单片机对数字信号进行处理后在数码管上显示出来。为了实现将模拟电压信号转换为单片机可以直接读入的数字信号，在本任务中选择8位模数转换集成电路ADC0809作为系统的A/D转换器件。任务实施任务中要求在0~5V范围内实现测量，故A/D转换器的基准电压应为5V及以上的电压。本任务选择TL431作为ADC0809的基准电压提供器件，并调节RP2使其输出电压为512V，目的是使ADC0809对应的精度为0.02V。在本任务中，因ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。为了更直观地理解ADC0809的工作时序，本任务中采用普通I/O端口控制的方式进行连接，没有采用扩展总线的连接方式。数字电压表的电路原理图二、软件设计如上图所示电路，要求单片机把输出显示和ADC0809的操作分时进行。由于测量的直流电压值用于显示，测量电压由电位器来提供，手动调节的速度较慢，只要每秒读取几次即可，其间隔时间可以用来显示数字，对应的系统流程如图所示。数字电压表的流程图a)主程序

b)ADC0809数据读入程序根据ADC0809的时序，可以确定ADC0809的操作步骤如下：1.初始化时，使START和OE信号全为低电平。2.将要转换的通道地址送到A、B、C端口上，在ALE上加上锁存脉冲。3.在START端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。4.等待ADC0809转换完毕。5.使OE为高电平，ADC0809的数据端将输出转换后的有效数据，单片机可以从端口中读入数据。三、Proteus仿真1.打开ProteusISIS软件，按照硬件原理图绘制Proteus仿真电路，仔细检查，保证电路连接无误。2.在Keil软件开发环境下，