单片机数字电压表设计

基于51单片机的数字电压表设计

二级学院铜陵学院

专业自动化

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目录

一课程设计任务书·············································································错误!未定义书签。

1.1 设计题目、目的 ·······································································错误!未定义书签。

1.2 题目的基本要求和拓展功能························································错误!未定义书签。

1.3 设计时间及进度安排 ·································································错误!未定义书签。

二设计内容······················································································错误!未定义书签。

2.1 元器件选型··············································································错误!未定义书签。

2.2 系统方案确定 ··········································································错误!未定义书签。

2.3 51单片机相关知识 ···································································错误!未定义书签。

2.4 AD转换器相关知识 ···································································错误!未定义书签。

三数字电压表系统设计 (7)

3.1系统设计框图 (8)

3.2 单片机电路 (9)

3.3 ADC采样电路 (10)

3.4显示电路 (11)

3.5供电电路和参考电压 ····························································································

3.6 数字电压表系统电路原理图 ··················································································

四软件部分

4.1 主程序

4.2 显示子程序

五数字电压表电路仿真

5.1 仿真总图

5.2 仿真结果显示

六系统性能分析

七心得体会

一课程设计任务书

智能仪表课程设计是自动化专业的专业实践课程。本课程的任务是通过设计完成功能的单片机系统，使学生掌握目前典型的自动化易表的一般设计要求和设计方法，掌握开发及设计工具的使用方法，通过这一实践过程，锻炼学生的动手能力和分析、解决问题的能力，培养对所学知识的综合应用能力。

1、设计的题目

简易数字电压表的设计

对简易数字电压表的设计，掌握目前自动仪表的一般设计要求，工程设计方法，开发及设计工具的使用方法。数字电压表简称DVM，数字电压表基本原理是将输入的模拟电压信号转化为数字信号，再进行输出显示。而A/D转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，器基本结构是由采样保持，量化，编码等几部分组成。因此AD转换是此次设计的核心元件。输入的模拟量经过AD转换器转换，再由驱动器驱动显示器输出，便得到测量的数字电压。

2、基本功能要求：

1.可以选择测量测量8路0-5V的8路输入电压值；

2.可轮流显示或单路选择显示（可选）；

3.测量显示最小分辨率为0.01V;测量误差约为0.02V；

4. 具有电压过低、过高声光报警功能，报警限可独立设置；

拓展功能：

（1）：测量电压范围扩大，可测量小电压和大电压；可测量显示0-2mA电流；

（2）：带通讯功能，电压测量值可在PC机上显示；

（3）：带实时存储记忆和复现功能；

3、设计时间及进度安排：

1、学分：3分

2、时间安排：3周

计划安排：

第17周任务布置，确定分组。任务分析，方案，绘制原理图：

第18周进行设计方案的确认，提交原理图，元器件清单何预定价格，进行购买；第18周硬件焊接，调试；软件编程，联合硬件的调试；

第19周撰写课程实际报告，分组验收答辩；

二设计内容：

2.1 元器件选型：

A/D转换器芯片ADC0809，AT89C52单片机，1602液晶显示器；

2.2 系统方案确定：

按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换采用ADC0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其他A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。数字电压表系统设计方案框图如图。

P0：地址数据低8位口 P1：普通I/O口 P2：地址高8位口 P3：特殊功能口

晶振电路保证信号传输同步，串口通信是与外界进行信息交换的一种方式，按键电路中一个按键是单路和轮流显示的选择，一个按键是单路时的通道选择。

实现过程：

当外部0～5V的模拟信号输入时，首先通过ADC8090转换模块进行转换，转换成数字信号并进入通道进行选择后，将信号传入AT89C52单片机时，单片机通过按键电路中的一个按键来选择单路还是8路，另一个按键作单路显示时选择通道，当选择完毕后将数据送入到显示器，通过P3特殊功能口经三极管驱动输出控制位。

2.3 51单片机相关知识

51单片机是对目前所有兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的８为单片机之一。

单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器／计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。51系列单片机内包含以下几个部件：一个８位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；

4KB的ROM程序存储器；

一个128B的RAM数据存储器；

寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；

32条可编程的I/O口线；

两个16位定时／计数器；

一个可编程全双工串行口；

５个中断源、两个优先级嵌套中断结构。51系列单片机如下图：

图1 51单片机引脚图

引脚功能：

Vcc: 电源电压

GND:地

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或

输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入.flash 编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX＠DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX＠RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上位电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次RSEN信号。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA

端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

2.外部时钟：输入端接在XTAL1

输出端接在XTAL2

晶体可以在1.2mhz-12mhz之间任选，电容可以在20-60uf之间选择。

3.74ls244：是一个缓冲输入口，同时也是一个单向驱动器一减轻总线负担。

4.mc14024：用与二进制计数。

5.ADC0809：A/D转换器：

2.4 AD转换器相关知识

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式ＡＤ转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8

路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

1．主要特性

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

2 内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

3．外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START： A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基准电压。

Vcc：电源，单一＋5V。

GND：地。

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC 变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

图2 ADC0909引脚

三数字电压表系统设计

3.1系统设计框图

此次设计的是数字电压表，要求的电压范围是0~5v，而设计扩展的量程为0~25v。系统

设计主要包括四个部分：分别是电源模块、AD模数转换部分、51单片机最小系统部分、1602液晶显示部分。首先由单片机初始化ADC0809模数转换芯片和1602液晶显示，当外接被测电压后，ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号输入到单片机的I/O口，通过单片机处理后将电压的大小显示在1602液晶上面。如下是本次设计作品的框图：

图3 系统框图

3.2 单片机电路

单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出，而且四个I/O口都已经用排阵引出，方便外接I/O扩展用。

图4 单片机最小系统

3.3 ADC采样电路

由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000~111分别选中IN0~IN7。ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC 的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。CLK为输入时钟，为AD

转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，是转换后的数字量从D0~D7输出。EOC为转换结束信号，启动转换后EOC变为低电平，转换完成后EOC编程高电平。

图5 ADC模数转换

3.4显示电路

以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。 1602字符型通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线 VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样：

图6 1602引脚图

3.5供电电路和参考电压

由于此次系统的芯片工作电压为+5v，所以用常用的三端稳压器LM317和LM337构成的电源系统供电，其中ADC0809要提供一个准确的参考电源才能正常的工作，而LM317正好能够达到要求。

图7 系统供电部分

3.6 数字电压表系统电路原理图

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，电路原理图如图所示。A/D转换由集成电路0809完成。0809具有8路模拟输入端口，地址线（23~ 25脚）可决定对哪一路模拟输入作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0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、P3.0~P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。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0809的A/D转换控制。

图8 数字电压表总原理图

MC14024：二进制计数器

74LS244：是一个缓冲输入口,同时也是一个单向驱动器以减轻总线负担

四软件部分：

主程序：

在刚上电时，系统默认为循环显示8个通道的电压值状态。当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间为1S左右。主程序在调用显示子程序和测试之程序之间循环，主程序流程图见图。

显示子程序：

显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数

据放在70H~77H内存单元中，测量数据在显示时需转换成10进制BCD

码放在78H~7BH单元

中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。

以下是简易数字电压表的单片机控制源程序：

#include

#include //延时函数用

#define addata P0 //模拟电压数据采集入口

#define Disdata P1 //显示数据段码输出口

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit START=P2^4; //启动一次转换位

sbit ALE=P2^3; //地址锁存位

sbit OE=P2^5; //0809输出控制位

sbit EOC=P3^7; //A/D转换结束标志位sbit DISX=Disdata^0; //LED小数点控制位

sbit k1=P3^5; //循环/单路选择控制位

sbit k2=P3^6; //显示通道控制位

sbit A=P2^0;

sbit D=P2^1;

sbit C=P2^2;

uchar code dis_7[11]={0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,0x41,0x1F,0x01,0x09,0xFF}; /*共阳8段LED数码管段码表0.1.2.3.4.5.6.7.8.9.不亮*/

uchar code scan_con[4]={0xf1,0xf2,0xF4,0xF8};

//四位数码管数值动态扫描显示控制

uchar data ad_data[8]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

//定义8个数据内存单元

uint data dis[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

//定义4个显示数据单元和1个数据存储单元

/**********1ms延时子函数***********/

delaylms(uint t) //t=1

{

uint i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<100;j++)

;

}

/************显示扫描子函数***************/

scan()

{

uchar k,n;

int h;

dis[3]=1; //通道初值为1

for(n=0;n<8;n++) //每次显示8个数据

{

if(k2==0) break;

dis[2]=ad_data[n]/51;

dis[4]=ad_data[n]%51; //余数暂存

dis[4]=dis[4]*10; //计算十位

dis[1]=dis[4]/51;

dis[4]=dis[4]%51;

dis[4]=dis[4]*10; //计算百分位

dis[0]=dis[4]/51;

for(h=0;h<100;h++)

//每个通道显示时间控制约为一秒

{

if(k2==0) break;

for(k=0;k<4;k++) //4位LED扫描控制

{

if(k2==0) break;

Disdata=dis_7[dis[k]];

if(k==2)

{

DISX=0;

}

P3=scan_con[k]; //P3.0-P3.3控制四个数码管的输出

delaylms(3);

P3=0xff;

}

}

if(k2==1) dis[3]++;

if(dis[3]>=8) dis[3]=0;

}

}

/*************通道选择函数*********************/

tongdao()

{

uint m,i,n;

dis[2]=ad_data[n]/51;

dis[4]=ad_data[n]%51; //余数暂存

dis[4]=dis[4]*10; //计算十分位

dis[1]=dis[4]/51;

dis[4]=dis[4]%51;

dis[4]=dis[4]*10; //计算百分位

dis[0]=dis[4]/51;

for(m=0;m<100;m++) //每个通道显示时间控制约为一秒

{

if(k2==0) break;

for(i=0;i<4;i++) //4位LED扫描控制

{

Disdata=dis_7[dis[i]];

if(i==2)

{

DISX=0;

}

P3=scan_con[i]; //P3.0-P3.3控制四个数码管的输出

delaylms(3);

P3=0xff;

}

}

}

/*************0809A/D转换子函数*******************/ test()

{

uchar m;

for(m=0;m<8;m++)

{ switch (m)

{

case 0:{A=0;D=0;C=0;break;}

case 1:{A=1;D=0;C=0;break;}

case 2:{A=0;D=1;C=0;break;}

case 3:{A=1;D=1;C=0;break;}

case 4:{A=0;D=0;C=1;break;}

case 5:{A=1;D=0;C=1;break;}

case 6:{A=0;D=1;C=1;break;}

case 7:{A=1;D=1;C=1;break;}

}

START=1;

ALE=START; //转换通道地址锁存

_nop_();

_nop_();

START=0;

ALE=0; //开始转换命令

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();//延时8US

while(EOC==0)

{

_nop_();

} //等待转换结束

OE=1;

ad_data[m]=addata;

delaylms(1);

OE=0;

}

}

/************************主函数***************************/

main()

{

uint n,m;

P0=0xff; //初始化窗口

P1=0x00;

P3=0xff;

while(1)

{

if(k2==0)

{

while(1)

{

test();

for(m=0;m<250;m++)

{

n=k2;

tongdao();

if(k1==0) break;

if(k2==0) break;

}

if(n==1)

{

if(k2==0) dis[3]++;

}

if(dis[3]>=8) dis[3]=0;

if(k1==0) break;

}

}

else

{

while(1)

{

test();

scan();

if(k2==0) break;

}

}

}

五数字电压表电路仿真

5.1 仿真总图

为了验证此次设计原理图的正确性，在制作实物之前用专业软件做了仿真，在Proteus 软件中设置AT89C51单片机的晶振频率为12 MHz。本电路EA接高电平，没有扩展片外ROM。如下图是此次系统仿真的总原理图部分：

图8 仿真总图

通过用protues软件的仿真发现此次设计的系统原理图能够实现电压的正确测量，而且电压的误差较小，1602液晶屏能够正确显示出测量出来的结果。

5.2 仿真结果显示

如下图为此次仿真的测量电压的结果的截图：

图9 仿真结果显示

六系统性能分析

通过理论分析和电路仿真，现在对此次课程设计的数字电压表系统设计结果进行总结。通过仿真我们可以看到仿真结果和理论分析是相符合的，也即此次设计的系统能够在一定的条件下达到课程设计目的，实现对外接电压的测量，电路结构简单，但是可以看出在系统的稳定性及可靠性方面做得不够。具体体现在以下几个方面：

（1）数字电压表系统中对于外界被测电压的变化反应不够灵敏，变化比较慢，主要是因为ADC模数转换芯片的转换速率不够；

（2）数字电压表系统测量的外界电压不够准确，跟用示波器或者高精度的电压表测量的结果有偏差，主要是因为ADC芯片的位数不够；

（3）而且ADC的参考电压不准确也会造成测量结果的不准确；

（4）另外很重要的影响因素是因为AD芯片的测量输入电压最大为5v，而设计的是25v，量程扩大了五倍，运用的是电阻分压网络，如果用精密电阻可以做到很高的精度，而设计中用的是5%误差的碳膜电阻，温度系数高，而且不稳定，这是很重要的一个影响因素。

针对上述问题，理论上可以用一下方法进行改进：

（1）在换用高精度的ADC芯片能够改善测量精度的问题，一般用12位AD既能满足要求；

（2）制作高精度电压参考源，通过提高ADC模数转换芯片的参考电压的精度来提高测量的电压精度；

（3）运用高精度的金属膜电阻构成分压网络，能够最大限度提高精度；

（4）通过查阅书籍可以找到ADC0809的误差系数和碳膜电阻的温度系数，然后在编程的时候进行软件的补偿和参数校正，能够最优化的用软件来补偿硬件的误差问题，这个在编程思想中是很重要的。

虽然时间紧迫，最终按照仿真成功的原理图焊接实物，并调试，调试成功！而且在老师的指点下，使系统得到了最大优化的提高。

七心得体会

通过三周的简易数字电压表的课程设计，是我与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务是设计、组装并调试一个数字电压表测量系统。需要我们综合运用单片机等课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。

在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的高频电路知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个很好的训练。通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。

同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。

还有就是每次在组团做试验都会感觉特别的充实，我们可以按照自己设计的电路去完成，老师也不是死板的要求我们怎么怎么，而是给了我们尽可能大的自己决定的余地，这次的元器件都是按照我们设计出来的电路参数给定的，而且每位老师都很耐心的为我们解决试验中所出现的问题，最后真心的感谢老师对我们课程设计的建议和帮助，我们才得以圆满的完成这次课程设计！