基于AT89C51的簡易數(shù)字電壓表設(shè)計

1、基于AT89C51的簡易數(shù)字電壓表設(shè)計摘要：本文介紹了一種基于單片機的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計。該設(shè)計主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0808來完成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量在傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89C51來完成，其負(fù)責(zé)把ADC0808傳送來的數(shù)字量經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；此外,它還控制著ADC0808芯片工作。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和可靠性較高。此數(shù)字電壓表可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過一個四位一體的7段數(shù)碼管顯示出

2、來。 關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換The Design of Simple Digital Voltmeter Based on Single-chip MicrocontrollerAbstract：This paper which introduces a kind of simple digital voltmeter is based on single-chip microcontroller design. The circuit of the voltage meter is mainly consisted of three mould pieces: A/D con

3、verting mould piece, A/D converting is mainly completed by the ADC0808, it converts the collected analog data into the digital data and transmits the outcome to the manifestation controlling mould piece. Data processing is mainly completed by the AT89C51 chip, it processes the data produced by the A

4、DC0808 chip and generates the right manifestation codes, also transmits the codes to the manifestation controlling mould piece. Also, the AT89C51 chip controls the ADC0808 chip to work. The voltmeter features in simple electrical circuit, lower use of elements, low cost, moreover, its measuring prec

5、ision and reliability. The voltmeter is capable of measuring voltage inputs from 1 route ranging from 0 to 5 volt, and displaying the measurements though a digital code tube of 7 pieces of LED.Key Words：Single-Chip Microcontroller; Digital Voltmeter; A/D Converter目錄1 引言12設(shè)計原理及要求12.1數(shù)字電壓表的實現(xiàn)原理12.2數(shù)字電

6、壓表的設(shè)計要求13系統(tǒng)硬件設(shè)計23.1設(shè)計思路23.2設(shè)計過程33.3 AT89C51的功能介紹33.3.1簡單概述33.3.2主要功能特性43.3.3 AT89C51的引腳介紹43.4 ADC0808的引腳及功能介紹43.4.1芯片概述53.4.2 引腳簡介53.4.3 ADC0808的轉(zhuǎn)換原理53.5 74LS373芯片的引腳及功能63.5.1芯片概述63.5.2引腳介紹73.6 LED數(shù)碼管的控制顯示73.6.1 LED數(shù)碼管的模型73.6.2 LED數(shù)碼管的接口簡介83.7硬件電路圖94系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計94.1 主程序94.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序104.3 中斷顯示程序145電壓表的調(diào)

7、試及性能分析155.1 調(diào)試與測試155.2分析性能17參考文獻(xiàn)18致 謝191 引言隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已可以在一塊芯片上同時集成CPU、存儲器、定時器計數(shù)電路，這就很容易將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測量控制系統(tǒng)。 數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）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。本章重點介紹單片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

8、工作原目前，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，示出強大的生命力理。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4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(fù)0.02V。2設(shè)計原理及要求本設(shè)計是利用單片機AT89C51與ADC0808設(shè)計一個數(shù)字電壓表，測量05V之間的直流電壓值，四位數(shù)碼顯示，但要求使用的元器件數(shù)目最少。2.1數(shù)字電壓表的實現(xiàn)原理 ADC0808是8位的A/D

9、轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓為5.00V時，輸出的數(shù)據(jù)值為255（0FFH），因此最大分辨率為0.0196（5/255）。ADC0808具有8路模擬量輸入端口，通過3位地址輸入端能從8路中選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如每隔一段時間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對8 路輸入電壓進(jìn)行測量。LED數(shù)碼管顯示采用軟件譯碼動態(tài)顯示。通過按鍵選擇可對8路循環(huán)顯示，也可單路顯示，單路顯示可通過按鍵選擇顯示的通道數(shù)。2.2數(shù)字電壓表的設(shè)計要求可以測量05V范圍內(nèi)的3路直流電壓值。在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示各路電壓值或單路選擇顯示，其中3位LED數(shù)碼管顯示電壓值，顯示范圍為0.00V5.00V，1位LED數(shù)碼管顯示路

10、數(shù),3路分別為0-2。要求測量的最小分辨率為0.02V。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1設(shè)計思路 多路數(shù)字電壓表應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路由單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管顯示電路和按鍵處理電路組成，由于ADC0808在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時需要有CLK信號，本試驗中ADC0808的CLK直接由外部電源提供為500kHz的方波。由于ADC0808的參考電壓VREFVCC，所以轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在數(shù)碼管上顯示出電壓值。實際顯示的電壓值(D/256*VREF) ADC0808采用逐次逼近法轉(zhuǎn)換，把模擬電壓轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的D，由于是對直流電壓05V進(jìn)行采集，所以D對應(yīng)的電壓為V0 ，我們的目的就是要把V0顯示

11、在LED顯示器上，因為單片機不好進(jìn)行小數(shù)點計算，所以有：V0=2*D擴大了100倍，擴大100倍后的結(jié)果高八位放寄存器B，低八位放寄存器A，分寄存器B為0或不為0的情況進(jìn)行存取數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果個位放入R0，十位放入R1，通過查表使之顯示在LED顯示器。時鐘電路 復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換電路測量電壓輸入顯示系統(tǒng)AT89C51 P1 P2 P2 P0 圖3-1總體框圖3.2設(shè)計過程簡易數(shù)字電壓測量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。電路原理圖見附錄2。A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0808完成。0808具有8路模擬輸入端口，地址(23-25)腳可決定對哪路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換，22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸入

12、為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2us寬高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0808的時鐘輸入端，由外部信號源提供。單片機的P1、P3.0-P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管現(xiàn)實控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0808的A/D轉(zhuǎn)換控制。3.3 AT89C51的功能介紹3.3.1簡單概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除

13、只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存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1000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(biāo)準(zhǔn)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。AT89C51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。外形

14、及引腳排列如圖3-2所示。 圖3-2 AT89C51芯片模型3.3.2主要功能特性(1) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。 (2) 32個雙向I/O口；128×8位內(nèi)部RAM 。(3) 2個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，時鐘頻率0-24MHz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個中斷源。 (6) 2個讀寫中斷口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。(8) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。3.3.3 AT89C51的引腳介紹89C51單片機多采用40只引腳的雙列直插封裝(DIP)方式，下面分別簡單介紹。(1)電源引腳電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc(40引腳）：+5V電源。GND(20引腳)：

15、接地。(2)時鐘引腳XTAL1(19引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。XTAL2(20引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。圖3-3 電源接入方式3)復(fù)位RST(9引腳)在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。(4)/Vpp(31引腳)為外部程序存儲器訪問允許控制端。當(dāng)它為高電平時，單片機讀片內(nèi)程序存儲器，在PC值超過0FFFH后將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器。當(dāng)它為低電平時，只限定在外部程序存儲器，地址為0000HFFFFH。Vpp為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。3.4 ADC0

16、808的引腳及功能介紹3.4.1芯片概述ADC0808是一種典型的A/D轉(zhuǎn)換器。它是由8位A/D轉(zhuǎn)換器，一個8路模擬量開關(guān)，8位模擬量地址鎖存譯碼器和一個三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成； +5V單電源供電，轉(zhuǎn)化 時間在100us左右；內(nèi)部沒有時鐘電路，故需外部提供時鐘信號。芯片模型如圖3-4所示。圖3-4 ADC0808芯片模型3.4.2 引腳簡介 (1) IN0IN7：8路模擬量輸入端。(2) D0D7：8位數(shù)字量輸出端口。(3) START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。(4) ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。(5) EOC：輸出允許控制信號，高電平有效。(6) OE： 輸出允許控制信號，高電平

17、有效。(7) CLK：時鐘信號輸入端。(8)A、B、C：轉(zhuǎn)換通道地址,控制8路模擬通道的切換。A、B、C分別與地址線或數(shù)據(jù)線相連，三位編碼對應(yīng)8個通道地址端口，A、B、C=000111分別對應(yīng)IN0IN7通道的地址端口。3.4.3 ADC0808的轉(zhuǎn)換原理ADC 0808 采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉(zhuǎn)換需100s左右，它具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到AT89C51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0808可對05V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3-5 ADC

18、0808與單片機的連接 3.5 74LS373芯片的引腳及功能3.5.1芯片概述74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，其在本設(shè)計中是鎖存P0口的低8位地址，芯片模型如圖3-6所示。圖3-6 74LS373芯片模型3.5.2引腳介紹(1) D0D7:8位數(shù)據(jù)輸入線；(2) Q0Q7:8位數(shù)據(jù)輸出線(3) G:數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號。當(dāng)加到該引腳的信號為高電平時，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負(fù)跳變時，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。(4):數(shù)據(jù)輸出允許信號，低電平有效。當(dāng)該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線上，當(dāng)該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。74LS373用作地址鎖存器時，應(yīng)使O

19、E為低電平，此時鎖存使能端C為高電平時，輸出Q1Q8 狀態(tài)與輸入端D18狀態(tài)相同；當(dāng)C發(fā)生負(fù)的跳變時，輸入端D1D8 數(shù)據(jù)鎖入Q1Q8。51單片機的ALE信號可以直接與74LS373的C連接。在MCS-51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用，其連接方法如上圖所示。其中輸入端D1D8接至單片機的P0口，輸出端提供的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。圖3-7 74LS373與單片機連接3.6 LED數(shù)碼管的控制顯示3.6.1 LED數(shù)碼管的模型LED數(shù)碼管模型如圖3-8所示。圖3-8 LED數(shù)碼管

20、模型3.6.2 LED數(shù)碼管的接口簡介LED 的段碼端口AG分別接至AT89C51的P1.0P1.7口，位選端14分別接至P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，如圖3-9所示。圖3-9 LED與AT89C51的硬件連線3.7硬件電路圖用Protues軟件仿真設(shè)計的電路如圖3-10所示。圖3-10 仿真電路4系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計多路數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件程序主要有主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和中斷顯示程序組成。4.1 主程序主程序包含初始化部分、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和相應(yīng)外部0中斷顯示電壓數(shù)值程序，初始化部分包含存放通道的緩沖區(qū)初始化和顯示緩沖區(qū)初始化。另外，對于單路顯示和循環(huán)顯示，系統(tǒng)設(shè)置了一個標(biāo)志位

21、00H控制，初始化時00H位設(shè)置為0，默認(rèn)為循環(huán)顯示，當(dāng)它為1時改變?yōu)閱温凤@示控制，00H位通過單路、循環(huán)按鍵控制。流程圖如圖4-11所示。 開始 顯示子程序 A/D轉(zhuǎn)換子程序 初始化圖4-11主程序流程圖主程序：void main() uchar value4;   while(1)    AD_shift(AD_get();  value_shift(value);  Display(value);     4.2 A/D

22、轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對ADC0808的4路輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值存入4個相應(yīng)的存儲單元中，A/D轉(zhuǎn)換子程序每隔一定時間調(diào)用一次，即隔一段時間對輸入電壓采樣一次，如圖4-12所示。啟動轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束開始圖4-12 A/D轉(zhuǎn)換流程圖子程序：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define AD_data P1     /AD0808 數(shù)據(jù)輸出端#define LED_po

23、rt P0     /數(shù)碼管段#define LED_pos P3                  /數(shù)碼管位sbit START=P25; sbit OE=P27; sbit EOC=P26; sbit ALE=P22;uint DCtemp=0;   /電壓臨時數(shù)據(jù)uchar code LED_seg10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x9

24、9,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;   uchar code pos4=0x01,0x02,0x04,0x08;void Delay(uchar t)    /延時函數(shù)  uchar i,j,k; for(i=0;i<t;i+)  for(j=0;j<20;j+)   for(k=0;k<20;k+); uchar AD_get() uchar DCdata; START=0; ALE=1

25、;     /因為模擬輸入只采用一路，地址段直接接地，使用IN0作為輸入端 START=1; START=0;  ALE=0; while(EOC=0);        OE=1; DCdata=AD_data; OE=0; Delay(10); return DCdata; void AD_shift(uchar DCdata)  uchar i; float DC

26、=0; for(i=0;i<8;i+)   if(DCdata&1<<i)     DC+=(1<<i)*19.6;          DCtemp=(int)DC;  void value_shift(uchar value) value0=DCtemp/1000; value1=DCtemp/100%10; value2=DC

27、temp/10%10; value3=DCtemp%10;void Display(uchar value)  uchar i; for(i=0;i<4;i+)       LED_pos=posi;                       

28、0;  /位控制  if(i=0)    LED_port=LED_segvaluei+0x80; /段碼  else   LED_port=LED_segvaluei;    Delay(1);  void main() uchar value4;  while(1)    AD_shift(AD_get();  value_

29、shift(value);  Display(value);     4.3 中斷顯示程序設(shè)計中采用中斷的方式來讀取轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)能節(jié)省CPU的資源當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置好后，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，便會進(jìn)入外部中斷0，然后在中斷中讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)值，處理數(shù)據(jù)并送數(shù)碼管顯示輸出。 LED 數(shù)碼管采用軟件譯碼動態(tài)掃描的方式。在中斷程序中包含多路循環(huán)顯示程序和單路顯示程序，多路循環(huán)顯示程序把4個存儲單元的數(shù)值依次取出送到4個數(shù)碼管上顯示，每一路顯示一秒。單路顯示程序只對當(dāng)前選中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。每路數(shù)據(jù)顯示時需經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成十進(jìn)制BCD碼，放于4個數(shù)

30、碼管顯示緩沖區(qū)中。單路或多路循環(huán)顯示通過標(biāo)志位00H控制。在顯示控制程序中加入了對單路或多路循環(huán)按鍵的判斷。數(shù)字量送P1口取段碼地址P3.1=1？調(diào)用循環(huán)顯示程序調(diào)用單路顯示程序顯示的是第4路重新調(diào)用顯示程序NYNY圖4-13中斷顯示程序流程圖中斷程序：uchar AD_get() uchar DCdata; START=0; ALE=1;     /因為模擬輸入只采用一路，地址段直接接地，使用IN0作為輸入端 START=1; START=0;  ALE=0; while(

31、EOC=0);        OE=1; DCdata=AD_data; OE=0; Delay(10); return DCdata; 5電壓表的調(diào)試及性能分析5.1 調(diào)試與測試本設(shè)計應(yīng)用Proteus6及KEIL51軟件,首先根據(jù)自己設(shè)計的電路圖用Proteus6軟件畫出電路模型，關(guān)于這個軟件的使用通過查一些資料和自己的摸索學(xué)習(xí)；然后我們用KEIL51軟件對所編寫的程序進(jìn)行編譯、鏈接，如果沒有錯誤和警告便可生成程序的hex文件，將此文件加到電路圖上使軟硬件結(jié)合運行，最后進(jìn)

32、行端口電壓的對比測試，測試的第一路對比見圖5-14中標(biāo)準(zhǔn)電壓值采用Proteus6軟件中的模擬電壓表測得。圖5-14數(shù)字電壓表與標(biāo)準(zhǔn)電壓表的比較從圖中可以看出，簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表測得的絕對誤差均在0.02V以內(nèi)，這與采用8位A/D轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的理論誤差精度相一致，在一般的應(yīng)用場合可以完全滿足要求。（1）當(dāng)IN0口輸入電壓值為0.05V時，顯示結(jié)果如圖5-15所示，測量誤差為0.1V。圖5-15（2）當(dāng)IN0輸入電壓值為1.50V時，顯示結(jié)果如圖5-16所示，測量誤差為0.04V。圖5-16（3） 當(dāng)IN0口輸入電壓值為3.50V時，顯示結(jié)果如圖5-17，測量誤差為0.06V。

33、圖5-175.2分析性能通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表，如下表5-1所示：表5-1 簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/V簡易電壓表測量值/V絕對誤差/V0.000.000.000.500.520.021.001.000.001.501.510.012.002.020.022.502.500.003.003.000.003.503.510.014.004.000.004.995.000.01由于單片機AT89C51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH），因此單片機最高的數(shù)值分辨率為0.0196V(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，從上表可看到，測試電壓一般以0.01V的幅度變化。 從上表可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-0.01V，這可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決。因為該電壓表設(shè)計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有