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 . .33.4 at89c51 的功能介绍 . .43.4.1简单概述 .43.4.2主要功能特性 .43.4.3at89c51 的引脚介绍 .53.5 adc0808 的引脚及功能介绍 . .63.5.1芯片概述 .63.5.2引脚简介 . .73.5.3adc0808 的转换原理 .73.674ls373 芯片的引脚及功能 . .73.6.1芯片概述 .73.6.2引脚介绍 .83.7le

2、d 数码管的控制显示 . .83.7.1led数码管的模型 .83.7.2led数码管的接口简介 .84系统软件程序的设计 .104.1主程序 .104.2a/d 转换子程序 . .104.3中断显示程序 .115电压表的调试及性能分析 .135.1调试与测试 .135.2性能分析 .136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23.1 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

3、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

4、量范围直流 0 5v 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

5、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 0.00v 5.00v，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

6、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 vref vcc ，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*vref) 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

7、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。5+rv1rv2%1k%1k7362rv3rv4%1k%1k8728voltsvoltsvoltsvolts+88.8+88.8+88.8+88.80123nnnniiii0123u4:bppp prd5循环4u4:a6274ls02单步1wru13817rd74ls02

8、p1.7p3.7/rd716wrp1.6p3.6/wr615p0p1.5p3.5/t1514p1p1.4p3.4/t0u2413p1.3p3.3/int1ad131232p1.2p3.2/int0d0q0211p245ad2p1.1/t2exp3.1/txdd1q1110p376ad3p1.0/t2p3.0/rxdd2q289aled3q32813u3(clock)12p2.7/a15d4q4271415p2.6/a14d5q531261716eap2.5/a13d6q6u33025181929alep2.4/a1224d7q71026in0psenp2.3/a11clockin0c42316

9、27in1p2.2/a10oestartin122up2.1/a92211lein228in22171in3p2.0/a8eocin374ls3732in4932213rstp0.7/ad7out1in533204p0.6/ad6out2in634195c2p0.5/ad5out3in7r13518p0.4/ad4out4ad1183682510kxtal2p0.3/ad3out5add a371524ad2p0.2/ad2out6add b33p381423ad3p0.1/ad1out7add cx119391722alextal1p0.0/ad0out8alec3at89c529vref(

10、+)125net=p5oevref(-)16+10uadc0808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，

11、 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 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（ fperom flashprogrammable and erasableread onlymemory ）的低电压、高性能cmos8 位微处理器，

12、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。u119xtal1p0.0/ad03938p0.1/ad137p0.2/ad21836xtal2p0.3/a

13、d335p0.4/ad434p0.5/ad533p0.6/ad6932rstp0.7/ad7p2.0/a82122p2.1/a923p2.2/a102924psenp2.3/a113025alep2.4/a123126eap2.5/a1327p2.6/a1428p2.7/a151p1.0p3.0/rxd10211p1.1p3.1/txd312p1.2p3.2/int0413p1.3p3.3/int1514p1.4p3.4/t0615p1.5p3.5/t1716p1.6p3.6/wr817p1.7p3.7/rdat89c51图 3-2 at89c51芯片模型3.4.2 主要功能特性(1) 4k

14、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，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

15、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) ea /vpp(31 引脚 ).ea 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/ prog

16、(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。 prog 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) psen (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， p0 口能以吸收电流的方式驱动八个lsttl 负载电

17、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

18、高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 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

19、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

20、、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=000111 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 100 s 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

21、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3.6.2 引脚介绍(1) d0 d7:8 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) oe :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 l

22、ed 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。p0 1 2 3a b c d e f g dq q q q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 a g 分别接至 at89c51 的 p1.0p1.7 口，位选端 1 4 分别接至 p3.5、 p3.4、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

23、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。开始初始化a/d 转换子程序显示子程序图 4-1 主程序流程图4.2 a/d转换子程序a/d 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

24、。.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y判断是否为0n进行十六进制调整显示电压值图 4-2 转换子程序流程图4.3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

25、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yp3.1=1？n调用循环显示程序y显示的是第4 路调用单路显示程序n重新调用显示程序图 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

26、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

27、 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 4 路通道用模拟电压表测得的理论值。图

28、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5+rv1rv2%1k%1k7362rv3rv4%1k%1k8728voltsvoltsvoltsvolts+3.35+1.15+1.40+4.350123nnnniiii0123u4:bp pp prd5循环4u4:a62174ls02单步u1wr3rd8p1.7p3.7/rd1774ls02wr716p1.6p3.6/wr615p0p1.5p3.5/t1514p1p1.4p3.4/t0u2413p1.3p3.3/int1ad131232p1.2p3.2/int0d0q0211p245ad2p1.1/t2exp3.1/txdd1q1110p376ad3p1.0/t2p3.0/