单片机课程设计-数字电压表

1、目 录1 引言12设计原理及要求22.1数字电压表的实现原理22.2数字电压表的设计要求23软件仿真电路设计33.1设计思路33.2仿真电路图33.3设计过程43.4 at89c51的功能介绍43.4.1简单概述43.4.2主要功能特性53.4.3 at89c51的引脚介绍53.5 adc0808的引脚及功能介绍73.5.1芯片概述73.5.2 引脚简介83.5.3 adc0808的转换原理83.6 74ls373芯片的引脚及功能93.6.1芯片概述93.6.2引脚介绍93.7 led数码管的控制显示93.7.1 led数码管的模型93.7.2 led数码管的接口简介104系统软件程序的设计1

2、04.1 主程序104.2 a/d转换子程序114.3 中断显示程序125电压表的调试及性能分析135.1 调试与测试135.2 性能分析146电路仿真图147总结15参考文献16附录1 源程序17附录2 仿真原理电路231 引言随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。 数字电压表（digitalvoltmeter）简称dvm，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。与此同时，由dvm扩展

3、而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片机a/d 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原目前，由各种单片a/d 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力理。本设计at89c51单片机的一种电压测量电路,该电路采用adc0808一种基于a/d转换电路，测量范围直流 05v 的4路输入电压值，并在四位led数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019v，测量误差约为正负0.02v。2设计原理及要求此次设计思路是利用单片机at89c51与adc0808设

4、计一个数字电压表，测量05v之间的直流电压值，然后通过四位数码显示，为了设计简单化我使用的元器件数目较少。2.1数字电压表的实现原理 adc0808是8位的a/d转换器。当输入电压为5.00v时，输出的数据值为255（0ffh），因此最大分辨率为0.0196（5/255）。adc0808具有8路模拟量输入端口，通过3位地址输入端能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮流改变3位地址输入端的地址，就能依次对8 路输入电压进行测量。led数码管显示采用软件译码动态显示。通过按键选择可对8路循环显示，也可单路显示，单路显示可通过按键选择显示的通道数。2.2数字电压表的设计要求可以测量05v范

5、围内的3路直流电压值。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数码管显示电压值，显示范围为0.00v5.00v，1位led数码管显示路数,3路分别为0-2。要求测量的最小分辨率为0.02v。3软件仿真电路设计3.1设计思路 多路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、a/d转换器、数码管显示电路和按键处理电路组成，由于adc0808在进行a/d转换时需要有clk信号，本试验中adc0808的clk直接由外部电源提供为500khz的方波。由于adc0808的参考电压vrefvcc，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(d/256*vr

6、ef) adc0808采用逐次逼近法转换，把模拟电压转换成16进制的d，由于是对直流电压05v进行采集，所以d对应的电压为v0，我们的目的就是要把v0显示在led显示器上，因为单片机不好进行小数点计算，所以有：v0=2*d扩大了100倍，扩大100倍后的结果高八位放寄存器b，低八位放寄存器a，分寄存器b为0或不为0的情况进行存取数据，得到的结果个位放入r0，十位放入r1，通过查表使之显示在led显示器。3.2仿真电路图用protues软件仿真设计的电路如图3-1所示。图3-1 仿真电路3.3设计过程简易数字电压测量电路由a/d转换、数据处理及显示控制等组成。电路原理图见附录2。a/d转换由集成

7、电路0808完成。0808具有8路模拟输入端口，地址(23-25)脚可决定对哪路模拟输入作a/d转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始a/d转换。7脚为a/d转换结束标志，当a/d转换结束时7脚输出高电平。9脚为a/d转换数据输出允许控制，当oe脚为高电平时，a/d转换数据从该端口输出。10脚为0808的时钟输入端，由外部信号源提供。单片机的p1、p3.0-p3.3端口作为四位led数码管现实控制。p3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，p3.6端口用作单路显示时选择通道。p0端口作a/d转换数据读入用，p2

8、端口用作0808的a/d转换控制。3.4 at89c51的功能介绍3.4.1简单概述at89c51是一种带4k字节闪存可编程可擦除只读存储器（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。at89c51是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。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

9、种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c51单片机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。外形及引脚排列如图3-2所示。图3-2 at89c51芯片模型3.4.2主要功能特性(1) 4k字节可编程闪烁存储器。 (2) 32个双向i/o口；1288位内部ram 。(3) 2个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24mhz。 (4) 可编程串行通道。 (5) 5个中断源。 (6) 2个读写中断口线。 (7) 低功耗的闲置和掉电模式。(8) 片内振荡器和时钟电路。3.4.3 at89c51的引脚介绍89c51单片机多采用40只引脚的双列直插封装(dip)方式

10、，下面分别简单介绍。(1)电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。vcc(40引脚）：+5v电源。gnd(20引脚)：接地。(2)时钟引脚xtal1(19引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。xtal2(20引脚)：片内振荡器反相放大器的输出端。图3-3 电源接入方式(3)复位rst(9引脚)在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。(4)/vpp(31引脚)为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在pc值超过0fffh后将自动转向外部程序存储器。当它为低电

11、平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000hffffh。vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。(5)ale/(30引脚)ale为低八位地址锁存允许信号。在系统扩展时，ale的负跳沿江p0口发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器，然后再作为数据端口。为该引脚的第二功能，在对片外存储器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。(6)(29引脚)片外程序存储器的读选通信号。在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。(7) pin39-pin32为p0.0-p0.7输入输出脚，称为p0口。p0是一个8位漏极开路型双向i/o口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，p

12、0口能以吸收电流的方式驱动八个lsttl负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存储器时，p0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。(8)pin1-pin8为p1.0-p1.7输入输出脚，称为p1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向i/0口。p1口能驱动4个lsttl负载。(9)pin21-pin28为p2.0-p2.7输入输出脚，称为p2口。p2口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口能驱动4个lsttl负载。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在

13、访问外部程序和16位外部数据存储器时，p2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 (10)pin10-pin17为p3.0-p3.7输入输出脚，称为p3口。p3口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口能驱动4个lsttl负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接控制信息。3.5 adc0808的引脚及功能介绍3.5.1芯片概述adc0808是一种典型的a/d转换器。它是由8位a/d转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组

14、成； +5v单电源供电，转化 时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。芯片模型如图3-4所示。图3-4adc0808芯片模型3.5.2 引脚简介 (1) in0in7：8路模拟量输入端。(2) d0d7：8位数字量输出端口。(3) start：a/d转换启动信号输入端。(4) ale：地址锁存允许信号，高电平有效。(5) eoc：输出允许控制信号，高电平有效。(6) oe： 输出允许控制信号，高电平有效。(7) clk：时钟信号输入端。(8)a、b、c：转换通道地址,控制8路模拟通道的切换。a、b、c分别与地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，a、b、c=00

15、0111分别对应in0in7通道的地址端口。3.5.3 adc0808的转换原理adc 0808 采用逐次比较的方法完成a/d转换，由单一的+5v电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由a、b、c的编码来决定所选的通道。adc0809完成一次转换需100s左右，它具有输出ttl三态锁存缓冲器，可直接连接到at89c51的数据总线上。通过适当的外接电路，adc0808可对05v的模拟信号进行转换。3.674ls373芯片的引脚及功能3.6.1芯片概述74ls373是一种带有三态门的8d锁存器，其在本设计中是锁存p0口的低8位地址，芯片模型如图3-5所示。图3-5 74ls373芯片模型

16、3.6.2引脚介绍(1) d0d7:8位数据输入线；(2) q0q7:8位数据输出线(3) g:数据输入锁存选通信号。当加到该引脚的信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。(4):数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中的数据输出到数据输出线上，当该信号为高电平时，输出线为高阻态。3.7 led数码管的控制显示3.7.1 led数码管的模型led数码管模型如图3-6所示。图3-6 led数码管模型3.7.2 led数码管的接口简介led 的段码端口ag分别接至at89c51的p1.0p1.7口，位选端14分别接至p3.5、p3.4、

17、p3.1、p3.0，如图3-7所示。图3-7led与at89c51的硬件连线4系统软件程序的设计多路数字电压表系统软件程序主要有主程序、a/d转换子程序和中断显示程序组成。4.1 主程序主程序包含初始化部分、调用a/d转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00h控制，初始化时00h位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00h位通过单路、循环按键控制。流程图如图4-1所示。 开始 显示子程序 a/d转换子程序 初始化图4-1主程序流程图4.2 a/d转换子程序a/d

18、转换子程序用于对adc0808的4路输入模拟电压进行a/d转换，并将转换的数值存入4个相应的存储单元中，a/d转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图4-2所示。进行十六进制调整 开始a/d转换调用延时存转换后的十六进制数数据指针加一入栈保护4路转换次数减一显示电压值ny图4-2转换子程序流程图 判断是否为04.3 中断显示程序设计中采用中断的方式来读取转换完成的数据能节省cpu的资源当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中断0，然后在中断中读取转换的数值，处理数据并送数码管显示输出。 led 数码管采用软件译码动态扫描的方式。在中断程序中包含多路循环显示程

19、序和单路显示程序，多路循环显示程序把4个存储单元的数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制bcd码，放于4个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示通过标志位00h控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键的判断。数字量送p1口取段码地址p3.1=1？调用循环显示程序调用单路显示程序显示的是第4路重新调用显示程序nyny图4-3中断显示程序流程图5电压表的调试及性能分析5.1 调试与测试本设计应用proteus6及keil51软件,首先根据自己设计的电路图用proteus6软件画出电路模型，关于这个软件

20、的使用通过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用keil51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试，测试的第一路对比见图4-1中标准电压值采用proteus6软件中的模拟电压表测得。图4-1数字电压表与标准电压表的比较从图中可以看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02v以内，这与采用8位a/d转换器所能达到的理论误差精度相一致，在一般的应用场合可以完全满足要求。5.2 性能分析由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00v时，输出数据值为255（ffh）因此单片机最

21、大的数值分辨率为0.0196v（5/255）。这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.0196v。测试时电压数值的变化一般以0.02v的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的a/d转换器。简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.01-0.02v。这可以通过校正0808的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。adc0808的直流输入阻抗为1m欧姆，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试adc0808可直接在2mhz的频率下工作，这样可省去分频率14024。6电路仿真图图6-1为

22、4路通道用模拟电压表测得的理论值。图6-1模拟电压表测量结果图6-2为进行模拟仿真时的电路图图6-2仿真时的电路图7总结经过一周的努力终于设计成功，led的显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎一致，误差完全在合理的范围之内。由于仪器误差，led显示最大值只能是4.9v，离标准最大值5.0v已经不远，达到预期目的，设计成功。 本设计参考了教材上第十一章89c51与adc0809转换的接口连线，设计出电路图的连线，从并中理解了许多基本的知识和接线方法，在程序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开始时四个数码管根本不显示，后来发现用的是共阳极的数码管，而设计是共阴极的，更

23、换后数码管终于显示，但问题又出现了，单路显示和循环显示的开关不能控制电路的单路显示和循环显示，经过仔细地检查电路和修改程序，采用中断的方法，产生一次外部中断0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换的模拟通道相应的加一，如果按下循环按键就返回循环显示的程序，功夫不负有心人，最后终于调试成功。在此再次向带领我们这次课程设计的老师说声：谢谢！ 参考文献1 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:2005年1月第2次印刷2 8051实验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技有限公司3 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计(第二版

24、)m.北京:北京航空航天大学出版社,20044 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用m.北京:清华大学出版社,20025 张国勋.缩短icl7135a/d采样程序时间的一种方法j.电子技术应用.1993.第一期6 高峰.单片微型计算机与接口技术m.北京科学出版社,2003.7 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予c8051f单片机的soc型数据采录器的设计与实现8新型at89s52系列单片机及其应用 孙育才 北京：清华大学出版社 2005-59mcs-51系列单片机系统及其应用 蔡美琴 高等教育出版10过程控制与仪表 陈乐 中国计量学院出版社，2007-3 附录1 源程序 org 0000

25、h sjmp main org 0003h ljmp pint0 main:mov 50h,#19h mov 54h,#78h mov dptr,#7ff8h mov 51h,dph mov 52h,dpl mov r0,#04h mov 53h,#00h mov r7,#00h setb ea setb it0 setb ex0 l4: mov r1,#00h ;r1存放十六进制转换成十进制后的低两位 mov r2,#00h ;r2存放十六进制转换成十进制后的高两位 mov r3,#0ffh ;循环显示十进制数 mov r4,#00h ;存放a/d转换后的十六进制数 mov r5,#00h

26、;存放0.5相加后的数 movx dptr,a ;开始a/d转换 lcall delay ;调用延时大于a/d转换的时间 movx a,dptr ;取a/d转换后的十六进制数 inc dptr ;a/d转换芯片的地址加一 push dpl ;压入堆栈 push dph dec r0 ;4路转换的次数减一 jz sb2 ;判断是否是0v mov r4,a l1:mov a,r1 ;进行十六进制到十进制的调整 add a,50h ;每次加19 da a mov r1,a jc l2 ;如果溢出则跳转到l2 mov a,r5 ;进行0.5v相加 add a,54h da a mov r5,a jc

27、l3 ;如果溢出则跳转到l3 sb1:djnz r4,l1 ;判断十六进制数是否转换完成，如果没有则循环 mov a,r5 swap a anl a,#0fh mov b,r1 add a,b da a mov r1,a sb2:lcall disp lcall djw djnz r3,sb2 pop dph pop dpl mov a,53h inc a mov 53h,a cjne r0,#00h,l4 ljmp main l2: clr c mov a,r2 add a,#01h da a mov r2,a ljmp sb1 l3: clr c ;0.5v相加溢出后进位 mov a,r1

28、 add a,#01h da a mov r1,a ljmp sb1 disp:mov a,r1 ;显示电压子程序 swap a anl a,#0fh mov dptr,#tab1 movc a,a+dptr clr p3.0 mov p1,a lcall delay setb p3.0 mov a,r2 anl a,#0fh mov dptr,#tab1 movc a,a+dptr clr p3.1 mov p1,a lcall delay setb p3.1 mov a,r2 swap a anl a,#0fh mov dptr,#tab2 movc a,a+dptr clr p3.4 mov p1,a lcall delay setb p3.4 ret djw:mov a,53h ;显示第几路转换电压子程序 mov dptr,#tab1 movc a,a+dptr clr p3.5 mov p1,a lcall delay setb p3.5 ret