單片機數(shù)字電壓表.doc

課程設(shè)計說明書1 引言單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強等優(yōu)點。單片機作為微型計算機一個重要的分支，以它優(yōu)異的控制功能，在工業(yè)控制、智能化儀器儀表系統(tǒng)等領(lǐng)域中日益顯示著強大的生命力。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。本次課程設(shè)計基于單片A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構(gòu)成的基于單片機的數(shù)字電壓表的工作原理。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強大的生命力。本設(shè)計AT89C51單片機的一種電壓測量電路,該電路采用ADC0808本文介紹一種基于A/D轉(zhuǎn)換電路，測量范圍直流 05V 的8路輸入電壓值，并在四位LED數(shù)碼管上顯示或單路選擇顯示。測量最小分辨率為0.019V，測量誤差約為正負0.02V。2 數(shù)字電壓表的設(shè)計及方案2.1數(shù)字電壓表概述數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。輸入電路A/D轉(zhuǎn)換89C51單片機LED顯示圖1 電壓表設(shè)計基本框圖2.2電壓表設(shè)計的基本框圖2.3 數(shù)字電壓表的工作原理系統(tǒng)首先通過按鍵逐路選擇八路通道中的一路或是循環(huán)顯示，將該路某一路電壓送入ADC0808相應(yīng)通道，單片機軟件設(shè)置ADC0808開始A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC0808的EOC端口產(chǎn)生高電平，同時將ADC0808的EO端口置為高電平，單片機將轉(zhuǎn)換后結(jié)果存如片內(nèi)RAM。系統(tǒng)調(diào)出計算子程序，將保存結(jié)果轉(zhuǎn)化為0.00-5.00V分別保存在片內(nèi)RAM。系統(tǒng)調(diào)用顯示子程序，將轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)查表，輸出到LED顯示電路，將相應(yīng)電壓顯示出來，程序進入下一個循環(huán)。2.4數(shù)字電壓表設(shè)計方案說明2.4.1顯示電路設(shè)計系統(tǒng)通過對LED燈的動態(tài)顯示及不停的輪流給數(shù)碼管位選端加驅(qū)動電壓，及在給其中一個數(shù)碼管位選段加驅(qū)動電壓的時候它才能變亮，而其他的是暗的，由于數(shù)碼管暗下來需要一定的時間，人眼具有視覺暫留特點，同時系統(tǒng)又給其它的施加驅(qū)動電壓，所以我們看到的就是穩(wěn)定的亮著的數(shù)字了。2.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/D 轉(zhuǎn)換電路主要由ADC0808芯片組成，IN0IN7與八路模擬電壓相連，單片機的P2口高四位分別對應(yīng)ADC0808的CLK、ALE、EOC和OE端，用軟件設(shè)定給定的值。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出給單片機的P1口進行顯示。ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換，實際使用時采用ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。P3A/D轉(zhuǎn)換器復(fù) 位P1P0P2圖2 數(shù)字電壓表設(shè)計方案框圖3 芯片選擇和介紹3.1 電壓表轉(zhuǎn)換電路所用芯片3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808的管腳說明器件引腳如圖3：圖3 ADC0808引腳圖IN0IN7：為模擬量的輸入口,我們選取IN3口為入口，外接可變電阻，通過改變阻值來控制模擬量的輸入。A、B、C：3位地址輸入，2個地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。ALE：地址鎖存啟動信號,在ALE的上升沿,將A、B、C上的通道地址鎖存到內(nèi)部的地址鎖存器。D0D7：八位數(shù)據(jù)輸出線，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機。OE：允許輸出信號。當(dāng)OE=1時，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。START：啟動信號輸入端，START為正脈沖，其上升沿清除ADC0808的內(nèi)部的各寄存器，其下降沿啟動A/D開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換完成信號，當(dāng)EOC上升為高電平時，表明內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換已完成。CLK：時鐘輸入信號，選用頻率500KHZ。多路模擬開關(guān)可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存與譯碼。3.1.2 AT89C51管腳說明AT89C51引腳如圖4：圖4 AT89C51引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2 電壓顯示電路所用芯片設(shè)計中采用的是8段LED數(shù)碼管來顯示電壓值。LED具有耗電低、亮度高、視角大、線路簡單、耐震及壽命長等優(yōu)點，它由8個發(fā)光二極管組成，其中7個按“8”字型排列，另一個發(fā)光二極管為圓點形狀，位于右下角，常用于顯示小數(shù)點。把8個發(fā)光二極管連在一起，公共端接高電平，叫共陽極接法，相反，公共端接低電平的叫共陰極接法，我們采用共陰極接法。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一段筆畫或點就發(fā)亮，從而形成不同的發(fā)光字符。其8段分別命名為dp g f e d c b a。例如，要顯示“0”，則dp g f e d c b a分別為：00111111B；若要顯示多個數(shù)字，只要讓若干個數(shù)碼管的位碼循環(huán)為高電平就可以了。圖5為8段LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖：圖5 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.3 數(shù)字電壓表完整電路原理圖圖6 電路連接圖本電路采用AT89C51單片機芯片配合ADC0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個簡易的數(shù)字電壓表，原理電路如圖1所示。該電路通過ADC0808芯片采樣輸入口IN7輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89C51芯片的P1口。AT89C51負責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P0口傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其P2口的低四位產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅，實現(xiàn)動態(tài)顯示。P2.5控制ADC0808的地址鎖存啟動信號(ALE)和啟動信號輸入端(START)；2.7控制ADC0808的輸出允許端(OE)；P2.6連接ADC0808的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(EOC)。完整電路原理圖如圖6。4軟件設(shè)計與說明4.1 KeilC51軟件介紹Keil C51集成開發(fā)環(huán)境主要由菜單欄、工具欄、源文件編輯窗口、工程窗口和輸出窗口五部分組成。工具欄為一組快捷工具圖標，主要包括基本文件工具欄、建造工具欄和調(diào)試工具欄，基本文件工具欄包括新建、打開、拷貝、粘貼等基本操作。建造工具欄主要包括文件編譯、目標文件編譯連接、所有目標文件編譯連接、目標選項和一個目標選擇窗口。調(diào)試工具欄位于最后，主要包括一些仿真調(diào)試源程序的基本操作，如單步、復(fù)位、全速運行等。在工具欄下面，默認有三個窗口。左邊的工程窗口包含一個工程的目標（target）、組（group）和項目文件。右邊為源文件編輯窗口，編輯窗口實質(zhì)上就是一個文件編輯器，我們可以在這里對源文件進行編輯、修改、粘貼等。下邊的為輸出窗口，源文件編譯之后的結(jié)果顯示在輸出窗口中，會出現(xiàn)通過或錯誤（包括錯誤類型及行號）的提示。如果通過則會生成“HEX”格式的目標文件，用于仿真或燒錄芯片。KEIL運行界面如圖7：圖7 keil運行界面4.2 ISIS 7 Professional軟件介紹ISIS 7 Professiona軟件是它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。它從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。ISIS 7 Professional運行界面如圖8：圖8 ISIS 7 Professional運行界面4.3 A/DC0808轉(zhuǎn)換流程圖數(shù)字量電壓值輸入89C51啟動ADC0808等待轉(zhuǎn)換是否結(jié)束將結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼并輸出圖9 A/D C0808的轉(zhuǎn)換流程圖其軟件中實現(xiàn)其數(shù)字量電壓轉(zhuǎn)換為三位模擬量電壓的部分程序如下：MOV A,#0FFHMOV P1,AMOV A,P1;讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果CLR P2.7MOV B,#51;AD轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼DIV ABMOV R1,A；A中為電壓數(shù)值第一位，存放在R1中MOV A,BMOV B,#2MUL ABMOV B,#10DIV AB；A中存放電壓數(shù)值第二位，并存放入R2中MOV R2,AMOV R3,B；余數(shù)B中存放電壓數(shù)值第三位4.4顯示電路將P2口低四位地址取出A/D轉(zhuǎn)換出的結(jié)果傳送給P1端口經(jīng)過程序的兩次除法通過P0端口將數(shù)據(jù)送給顯示器LED_3因P3.6-P3.4對A/D輸入端口的選擇經(jīng)過寄存器R0自加循環(huán)顯示8個路數(shù)開 始結(jié) 束圖10 顯示電路流程圖流程圖程序流程如圖10：用四個數(shù)碼管進行顯示的程序如下所示：LOOP: MOV A,LED_0;顯示子程序 MOVC A,A+DPTRCLR P2.3MOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.3MOV A,LED_1MOVC A,A+DPTRCLR P2.2MOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.2MOV A,LED_2MOVC A,A+DPTRADD A,#80HCLR P2.1MOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.1MOV A,LED_3MOVC A,A+DPTRCLR P2.0MOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.0 DJNZ R4,LOOPRET5 軟件仿真5.1電路原理圖圖11數(shù)字電壓表電路原理圖1.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0P0.7與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端口用8芯排線連接。2.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0P2.3與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的片選14端口連接。3.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.6、p2.5、p2.6分別與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的ST、EOC、OE端子用導(dǎo)線相連接。 4.給“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的 CLK端子送時鐘脈沖。5.把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導(dǎo)線連接到P3.6-P3.4端口上。6.把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的IN0IN7端子用導(dǎo)線分別連接到“可調(diào)電阻”端上。7.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0P1.7用8芯排線連接到“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。數(shù)字電壓表設(shè)計電路接線圖如圖11所示： 5.2 仿真結(jié)果通過ISIS 6 Professional軟件畫出該課設(shè)的電路圖，運行無誤，并通過Keil C51軟件編寫程序編譯無誤并生成“HEX”格式的目標文件之后，將其加載入單片機使其運行。具體方法為：右擊工作區(qū)并選中使用的89C51單片機，左擊出現(xiàn)“Edit Component”對話框，點擊“Program File”選項選擇Keil C51軟件中已經(jīng)生成的.HEX文件確定。啟動軟件，觀察其仿真結(jié)果如圖12,13,14所示。通過電路中的自鎖開關(guān)閉合實現(xiàn)電路中電壓的循環(huán)顯示各路的電壓值，通過斷開自鎖開關(guān)，則每按一次不自鎖開關(guān)，則路數(shù)加一并顯示該路電壓值。圖12為循環(huán)顯示情況下第八路的仿真結(jié)果，圖13為單路顯示情況下第七路的仿真顯示結(jié)果，圖14為單路顯示情況下第一路的電壓值。圖12 循環(huán)顯示仿真結(jié)果圖13 單路顯示第七路仿真結(jié)果圖14 單路顯示第一路仿真結(jié)果6 總結(jié)通過這次單片機課程設(shè)計，我不僅加深了對單片機理論的理解，將理論很好地應(yīng)用到實際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神。這次的課程設(shè)計作品的制作讓我對單片機的應(yīng)用有了更加深入的了解，同時在具體的制作過程中我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書本上的知識與實際的應(yīng)用存在著不小的差距，書本上的知識很多都是理想化后的結(jié)論，忽略了很多實際的因素，或者涉及的不全面，可在實際的應(yīng)用時這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方的問題，這讓我們無法根據(jù)書上的理論就輕易得到預(yù)想中的結(jié)果，有時結(jié)果甚至很差別很大。通過這次實踐使我更深刻的體會到了理論聯(lián)系實際的重要性，我們在今后的學(xué)習(xí)工作中會更加的注重實際。 通過這一周的課設(shè)使我充分意識到自己所掌握的知識還是很有限的，而且自己所想的和實際的結(jié)果并不相符，不過在老師和同學(xué)的幫助下還是順利的完成了最后的設(shè)計。通過這次的課程設(shè)計鍛煉了我們的實踐能力，也使我們對單片機的具體應(yīng)用有了更加深刻的認識，現(xiàn)在的科技是高度集成化的，單片機作為一種微型的計算機，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，我們應(yīng)該學(xué)好這門課程，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1 高惠芳.單片機原理及應(yīng)用,科學(xué)出版社,20102 謝筑森.單片機開發(fā)與典型應(yīng)用技術(shù).北京:中國科技大學(xué)出版社，1997.9:54-663 何立民.單片機中級教程.北京航空航天大學(xué)出版社19904 張玉璞.李慶常.電子技術(shù)課程設(shè)計.北京:北京理工大學(xué)出版社,1994.9:10-305 陳雪麗.單片機原理及接口技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.1:45-606 胡健.單片機原理及接口技術(shù)實踐教程.北京:機械工業(yè)出版社,2004.5:108-119附錄 程序代碼LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HLED_3 EQU 33HADC EQU 35HST BIT P2.6OE BIT P2.4EOC BIT P2.5 ORG 0000HSJMPSTARTSTART:MOVDPTR,#TAB;段碼表首地址WAIT: MOV A,#0FFHMOV P3,AMOV A,P3ANL A,#07HJNB P2.7,XUNHUAN MOV R0,A MOV LED_3,ASWAP AMOV P3,ACLR ST SETB STCLR ST;啟動AD轉(zhuǎn)換 JNB E