简易电压表设计

《单片机原理与接口技术》课程设计报告设计题目：简易数字电压表设计

专业班级：电信1202 学号：2012001452

学生姓名：庞宏平

同组人：万培石一雄

指导教师：武娟萍

太原理工大学

课程设计任务书

注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺

指导教师签名：日期：2015.6

简易数字电压表设计

目录

1．引言 (4)

1.1设计任务 (4)

1.2 设计要求 (5)

2．硬件电路设计 (5)

2.1 系统的硬件构成及功能 (5)

2.2 AT89S51单片机及其引脚说明 (6)

2.3 ADC0808引脚及功能说明 (7)

2.4 ADC0808的外部引脚特征 (8)

2.5 ADC0808的内部结构及工作流程 (9)

3.LCD显示系统以及74LS373 (10)

3.1 LCD显示系统设计 (10)

3.2 74LS373引脚图及功能 (11)

3.3 总体电路设计 (13)

4．程序设计 (14)

4.1 程序设计总方案 (14)

4.2 系统子程序设计 (15)

5 .软件测试及仿真 (16)

5.1 软件调试 (16)

5.2 显示结果及误差分析 (17)

5.3 附加功能 (18)

结论 (19)

附录程序代码 (20)

第1章引言

本次课程设计利用单片机技术来实现一台简易数字电压表，具有性能可靠、电路简单、成本低等特点。

1.1数字电压表概述

电压表应用十分广泛，但大部分是模拟电压表，而由于其特性，反应速度慢，读数麻烦并且误差较大，所以为适应不断快速的高速信号领域，已经广泛使用数字电压表。本实验设计是基于51单片机开发平台实现的一种数字电压表系统。该设计采用AT89S51单片机为核心，以ADC0809为模数转换数据采样，实现被测电压的采样。

1.2此次设计任务

1.2.1设计任务

设计制作一个简易数字电压表，该直流电压表能测直流电压

目标：基于MCS—51单片机，对设计硬件电路和软件程序应用的设计，使用发光二极管来显示所要测试模拟电压的数字电压值。

内容：设计符合要求的原理图，完成硬件电路设计，设计符合要求的软件。方法：分阶段，分模块设计，先自己查找相关资料，熟悉设计要达到的目标，然后进行硬件电路的设计，最后实现软件设计，并且书写规范的设计论文。

1.2.2设计要求

基本要求

6.能测量3路电压0到5V。

7.在四位LED数码管或者液晶显示屏上显示

8.能够轮流显示也能单路显示

9.单片机源代码使用汇编语言

10.偏差0.02V

发挥部分

3.测试交流电压

4.按键控制通道转换

5.系统错误后有复位功能

第2章简易数字电压表硬件设计

2.1 系统的硬件构成及功能

根据项目要求，确定该系统的设计方案，下图为该系统的结构框图。硬件电路有6部分组成，即单片机、时钟电路、复位电路、显示电路、A\D转换和测量电压输入电路

单片机选择AT89S51单片机，A\D转换选择使用ADC0808来代替ADC0809、显示电路用LCD显示来代替LED显示更加具体

2.2AT89S51单片机及其引脚说明

总线型DIP40引脚封装电源引脚（2个）

VCC：接+5V电源。 GND：接地端。外接晶体引脚（2个）

XTAL1：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚接地）。XTAL2：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号输入端）。

并行输入/输出引脚（32个）

P0.0~P0.7：通用I/O引脚。

P1.0~P1.7：通用I/O引脚。

P2.0~P2.7：通用I/O引脚或数据低8位地址总线复用引脚。

P3.0~P3.7：通用I/O引脚或第二功能引脚（RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR 、 RD）

控制引脚（4个）

RST/VPD：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。

ALE/PROG：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。

EA/VPP：内、外存储器选择引脚/片内EPROM(或Flatiron)编程电压输入引脚。

PSEN：片外程序存储器读选通信号输出引脚

2.3 ADC0808引脚及功能说明

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域[5]。ADC0808主要特性:8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW[6]。

2.4ADC0808的外部引脚特征

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。

下面说明各个引脚功能:

IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。

地址输入控制（4条）：

ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：

START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。

EOC: EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器

D1-D8：数字量输出端，D1为高位。

OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。

REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。

Vcc、GND: Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc 连接在一起，REF-与GND连接在一起.

CLK:时钟输入端。

2.5 ADC0808的内部结构及工作流程

ADC0808由8路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图4所示。

ADC0808的工作流程为：

（1）输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中，经地址译码器从8路模拟通道中选通1路模拟量送给比较器。

（2）送START一高脉冲，START的上升沿使逐次寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使EOC信号为低电平。

（3）当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器中，并使EOC 信号回到高电平，通知CPU已转换结束。

（4）当CPU执行一读数据指令时，使OE为高电平，则从输出端D0-D7读出数据。

第3章LCD显示系统以及74LS373

3.1 LCD显示系统设计

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

字符的显示

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

3.2 74LS373引脚图及功能

（1)1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q1)、5(Q2)、6(Q3)、9(Q4)、12(Q5)、15(Q6)、16(Q7)、19(Q8)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)。

(2)当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q1)、5(Q2)、6(Q3)、9(Q4)、12(Q5)、15(Q6)、16(Q7)、19(Q8)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.

锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q1~Q8输出，OE为高电平时，输出悬空

(3)74LS373真值表

0——低电平； 1——高电平； X——不定态；

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——数据锁存控制端，与80C51ALE连高电平，畅通无阻低电平，关门锁存。OE——使能端，接地。

当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。

(4) 74ls373在单片机系统中的应用

当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q1~Q8 状态与输入端D1~8状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D1~D8 数据锁入Q1~Q8。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端D1~D8接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。

3.3 总体电路设计

此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC 均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道

D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D转换，P2.5检测A/D转换是否完成，转换完成后，P2.7置高从P1口读取转换结果送给LCD显示出来3]。

第4章程序设计

4.1 程序设计总方案

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。

4.2 系统子程序设计

4.2.1 初始化程序

所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等[9]。

4.2.2 A/D转换子程序

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图13所示。

图13 A/D转换流程图

4.2.3 显示子程序

显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动

态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms[10]。

在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。

第五章软件测试及仿真

5.1 软件调试

软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与u Visions3 IDE工具软件结合进行编程仿真调试[8]。

本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil 软件将程序写入单片机。

5.2显示结果及误差分析

5.2.1 显示结果

1.当IN0口输入电压值为1.5V时，显示结果所示，测量误差为0V。

2.当IN0输入电压为0V时，显示结果如图所示。测量误差为0V。

3.当IN0口输入电压值为3.50V时，显示测量误差为0.01V

5.2.2 误差分析

通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表4所示：

由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0808输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般以0.01V的幅度变化。

从上表可以看出，简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01V，这可以通过校正ADC0808的基准电压来解决。因为该电压表设计时直接用5V的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。

5.3附加功能

除上述基本要求外，我们还附加了测量交流电压瞬时值功能。其作用时监控元器件的瞬时电压来判断其工作条件，如下图测量IN1输入的瞬时电压

虽然看起来误差比较大，但其实这是正常的。这是由于A\D转换需要时间，并且显示功能模块运行也需要时间

结论

经过一段时间的努力，毕业论文-基于单片机的简易数字电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil 软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。

基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。

通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。

总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。

附录

程序代码

LCD显示初始化程序

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit rs=P2^3;

sbit rw=P2^4;

sbit en=P2^5;

uchar code t1[]={"DC Voltmeter:IN "};

uchar code t2[]={" (0~ V): . V "};

void delay(uint ms)

{

uint i,j;

for(i=ms;i>0;i--)