基于單片機(jī)控制的數(shù)字電壓表.doc

基于單片機(jī)控制的數(shù)字電壓表摘 要：在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，常需要高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完場(chǎng)計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和顯示等功能。本文中數(shù)字電壓表的控制系統(tǒng)采用AT89c51單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809為主要硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡(jiǎn)單，所用元器件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。還可方便地進(jìn)行8路A/D轉(zhuǎn)換量的測(cè)量，遠(yuǎn)程測(cè)量結(jié)果傳送等功能。數(shù)字電壓表可以測(cè)量05V的8路輸入電壓值，并在四路LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；模擬信號(hào)1. 引言數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)化成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這是有區(qū)別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字萬用表的內(nèi)部核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響了數(shù)字萬用表的精確度，本文的A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89c51再轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號(hào)。2. 總體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)采用ADC0809對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)控制核心89C51再轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后由驅(qū)動(dòng)輸入裝置74245顯示數(shù)字電壓信號(hào)。ADC0809通過IN0IN7采集模擬電壓信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集來的信號(hào)通過一定的處理然后通過并口擴(kuò)展的共陽極LED數(shù)碼管顯示采集的電壓值。2.1.1 方案確立經(jīng)過各個(gè)方面的考慮，總共得出兩個(gè)比較可行的方案，如下。（1）方案一：用電位器控制輸入電壓，經(jīng)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入AT89C51處理，最后經(jīng)74LS164驅(qū)動(dòng)顯示數(shù)字電壓信號(hào)，本電路一個(gè)特點(diǎn)就是另外接一報(bào)警電路，顯示電路屬串行顯示，優(yōu)點(diǎn)是電路原理比較簡(jiǎn)單，但所用元器件較為冗多(6個(gè)74LS164，LM386、ADC0809、AT89C51各一個(gè)，極性電容、發(fā)光二極管等若干)。大致電路設(shè)計(jì)原理圖見附錄一。（2）方案二：主要用4個(gè)芯片AT89C51,ADC0809,74245,14024來控制整個(gè)電路，優(yōu)點(diǎn)是所用元器件個(gè)數(shù)較少，原理圖簡(jiǎn)單明了，但也存在一定的缺點(diǎn)，就是實(shí)際制作電路板時(shí)所需跳線較多，電路設(shè)計(jì)原理圖見附錄二。本設(shè)計(jì)經(jīng)多方位考慮，采用方案二，所用電子元器件見表1。 表1 電子元器件清單材料類型材料型號(hào)數(shù)量ICAT89C511ADC0809174LS2451140241電阻51074.7K68.2K3三極管85504共陽數(shù)碼管XD110504非極性電容30F210F1晶振12MHz12.2 總體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)采用方案二，根據(jù)ADC0809、AT89C51的特點(diǎn)以及他們的接口順序，繪出總體設(shè)計(jì)方框圖如下圖1所示。3. 設(shè)計(jì)原理分析3.1 數(shù)字電壓表硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括:89C51單片機(jī)系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路。測(cè)量最大電壓位5V，顯示最大值為5.00V。圖2為數(shù)字電壓表硬件電路原理圖。3.1.1 89C51單片機(jī)系統(tǒng)和顯示電路由于單片機(jī)體積小、重量輕、價(jià)格便宜，所以本系統(tǒng)采用89C51內(nèi)部有4KB的EEPROM，128字節(jié)的RAM，所以一般都要根據(jù)系統(tǒng)所需存儲(chǔ)容量的大小來擴(kuò)展ROM,所以一般都要根據(jù)系統(tǒng)所需存儲(chǔ)容量大小來擴(kuò)展ROM和RAM。本電路/EA接高電平，沒擴(kuò)展片外ROM和RAM。89C51的P1、P3.0P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管控制。P3.5端口用作單路顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時(shí)選擇通道。P0端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。8路模擬輸入A/D轉(zhuǎn)換89C51單片機(jī)通訊模塊LED顯示 圖1 總體設(shè)計(jì)方框圖圖2 數(shù)字電壓表硬件電路原理圖3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0809完成。0809具有8路模擬信號(hào)輸入端口，地址線（2325腳）可決定對(duì)哪一路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制。6腳為測(cè)試控制，當(dāng)輸入一個(gè)2s寬高電平脈沖時(shí)，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7管腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，7管腳輸出高電平。9管腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0809的時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)30引腳的六分頻晶振頻率再通過14024二分頻得到1MHz時(shí)鐘。3.1.3 ADC0809的結(jié)構(gòu)和工作原理ADC0809是一種8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，帶8個(gè)模擬量輸入通道，芯片內(nèi)有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換大約為100s，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，ADC0809是由一個(gè)八路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)八位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道IN0IN7,允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)才可以從三態(tài)輸出鎖存器取出轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。IN0IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表2所示。數(shù)字量輸出及控制線：11條。ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。3.1.4ADC0809應(yīng)用說明 （1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。表2 通道選擇表地址編碼被選中的通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7如果中斷允許控制位為1，則表示第二次中斷，再判斷T0運(yùn)行的時(shí)間；如果運(yùn)行的時(shí)間13.5ms或1ms，則認(rèn)為是誤碼，退出；如果在1ms和13.5ms之間，再判斷是否小于2ms，2ms可判為收到的數(shù)據(jù)為“0”，轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)“0”處理；如果2ms，再判斷是否11.25ms，11.25ms的可判為接收到的數(shù)據(jù)為“1”，轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)“1”處理；如果11.25ms，則收到的為簡(jiǎn)碼。數(shù)據(jù)“0”和“1”用C位儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)“0”時(shí)C=0，數(shù)據(jù)“1”時(shí)C=1。用移位指令將數(shù)據(jù)進(jìn)行移位保存。連續(xù)接收32位數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷，可再判斷用戶碼是否和自己需要的相同。如果數(shù)據(jù)有效，則將低8位用戶碼、高8位用戶碼、按鍵碼進(jìn)行BCD碼分離并存于顯示緩沖中作顯示用，數(shù)據(jù)無效則退出外中斷0。中斷退出時(shí)重設(shè)T0初值為0，T0中斷中將引導(dǎo)標(biāo)志位置0，為下次接收紅外線信號(hào)做準(zhǔn)備。3.1.5 ADC0809的接口方法圖4是ADC0809和ATC89c51單片機(jī)的連線圖，此圖是最簡(jiǎn)單的連接方法，本設(shè)計(jì)就基本采用此種接法。由圖4可以看出，ADC0809的D0D7直接與單片機(jī)的總線P0相連。時(shí)鐘CLK由單片機(jī)的ALE取得，對(duì)于晶振為12MHz的單片機(jī)ALE輸出為2MHz的方波，而本設(shè)計(jì)又在此基礎(chǔ)上加以變化，又另接14024二分頻器，使其輸出1MHz的方波，前面提到ADC0809的時(shí)鐘頻率一般為500KHz，最大能超過1280KHz，故1MHz的信號(hào)可以使ADC0809正常工作。3.2 數(shù)字電壓表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.2.1 初始化程序系統(tǒng)上電后，初始化程序?qū)?0H77H內(nèi)存單元清0，P2口置0。系統(tǒng)默認(rèn)為循環(huán)顯示8個(gè)通道的電壓值，當(dāng)進(jìn)行一次測(cè)量后，將顯示每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值，每次通道顯示時(shí)間為1s。70H77H內(nèi)存單元存放采樣值，78H7BH內(nèi)存放顯示數(shù)據(jù)，依次為個(gè)位、十位、百位、通道標(biāo)志位。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對(duì)0809八路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入70H77H內(nèi)存單元。 圖3 ADC0809引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖3.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需轉(zhuǎn)換成BCD碼放在78H7BH內(nèi)存單元中，其中7BH存放通道標(biāo)志位。R3作為8路循環(huán)控制，R0用作顯示數(shù)據(jù)指針。3.2.4 程序流程圖主程序流程圖和A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量程序流程圖分別如圖5（a）、（b）所示。圖4 ADC0809和89C51的連線圖開始開始啟動(dòng)測(cè)試初始化A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？P3.7=1？調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序取數(shù)據(jù)（P2.5=1）調(diào)用顯示子程序（a ）主程序0809地址加1地址數(shù)小于8？返回 （b ） A/D轉(zhuǎn)換測(cè)試程序 圖5 數(shù)字電壓表程序流程圖4 結(jié)束語根據(jù)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，該數(shù)字電表可以測(cè)量05V電壓值，89C51為8位處理器，當(dāng)ADC0809輸入電壓值為5.00V時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為255（FFH），因此最大分辨率為0.0196V（5/255），滿足設(shè)計(jì)要求最大分辨率0.02V。如需獲得更大的分辨率，可采用12位、13位的A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電壓顯示可能有偏差?？梢酝ㄟ^校正0809的基準(zhǔn)電壓來解決，或者用軟件編程來校正測(cè)量值。本系統(tǒng)用89C51構(gòu)成數(shù)字電壓表控制系統(tǒng)，具有精度高、速度快、性能穩(wěn)定和電路簡(jiǎn)單且工作可靠等特點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn) 1李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.第三版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.259262 2余永權(quán)，汪明慧，黃英.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社，2003.10 3丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994 4邱關(guān)源.電路M.第五版.北京：高等教育出版社，2006 5康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.第五版.北京：高等教育出版社，20066謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試M.第三版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.08附錄一 圖6 數(shù)字電壓表硬件電路原理圖附錄二 圖7 方案一電路設(shè)計(jì)原理圖附錄三數(shù)字電壓表匯編源程序清單：ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HRETIORG 000BHRETIORG 0013HRETIORG 001BHRETIORG 0023HRETICLEAREMEMIO:CLR A MOV P2,A MOV R0,#70H MOV R2,#0CHLOOPMEM:MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOPMEM MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A 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