简易直流电压表设计.docx
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简易直流电压表设计
目录
1设计方案1
2设计总体框图1
2.1硬件部分1
2.2软件部分2
2.2.1主程序设计2
2.2.2A/D转换子程序3
2.2.3数据处理子程序4
3设计单元电路5
3.1模数转换单元5
3.1.1ADC0808引脚说明5
3.1.2ADC0808通道选择6
3.1.3ADC0808的工作原理：
6
3.2数据处理及控制单元7
3.34位一体七段数码管8
4电路原理说明9
4.1模数转换9
4.2数据处理及控制10
5参考文献11
6结论及心得11
7附录12
7.1调试报告12
7.2元器件清单16
简易直流电压表的设计
1设计方案
本设计主要采用AT89C51芯片和ADC0808芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0～5V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.02V。
该电压表的测量电路主要由三个模块组成：
A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。
A/D转换主要由芯片ADC0808来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。
数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0808传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着ADC0808芯片的工作。
显示模块主要由7段数码管组成，显示测量到的电压值。
2设计总体框图
2.1硬件部分
本实验采用AT89C51单片机芯片配合ADC0808模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表，原理电路如图1所示。
该电路通过ADC0808芯片采样输入口IN7输入的0～5V的模拟量电压，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P0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，并通过其P1口传送给数码管。
同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。
另外，AT89C51还控制着ADC0808的工作。
其ALE管脚为ADC0808提供了1MHz工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0808的地址锁存端（ALE）；P2.4控制ADC0808的启动端（START）；P2.5控制ADC0808的输出允许端（OE）；P3.7控制ADC0808的转换结束信号（EOC）。
系统框图如图2所示。
图1电路图原理
图2系统框图
2.2软件部分
2.2.1主程序设计
本设计采用C语言编程。
首先是初始化，主要是针对定时器T0，设置其工作方式，装入计数初值，允许中断等。
准备工作做好后便启动ADC0808对IN7脚输入进的0～5V电压模拟信号进行数据采集并转换成相对应的0～255十进制数字量。
在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将0～255十进制数字量转换成0.00～5.00V的数据，输出到显示子程序进行显示。
整个主程序就是在A/D转换，数据处理及显示程序循环执行。
整个程序流程框图如图3所示。
图3主程序流程图
2.2.2A/D转换子程序
启动ADC0808对模拟量输入信号进行转换，通过判断EOC（P1.6引脚）来确定转换是否完成，若EOC为0，则继续等待；若EOC为1，则把OE置位，将转换完成的数据存储到AT89C51中。
程序流程图如图4所示。
图4数据处理子程序流程图
2.2.3数据处理子程序
3设计单元电路
3.1模数转换单元
此处采用ADC0808模块实现，它是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，主要由8路模拟开关、地址所存译码电路、逐次逼近寄存器SAR、树状模拟开关、256R电阻分压器、电压比较器及三态输出锁存器等组成。
3.1.1ADC0808引脚说明
ADC0808芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚如图5所示，
图5ADC0808的引脚图
（1）IN0～IN7：
8路模拟量输入通道。
（2）A、B、C：
模拟通道地址线。
这3根地址线用于对8路模拟通道的选择，其译码关系如表1-1所示。
其中，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
（3）ALE：
地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
（4）START：
转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0808；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
本信号有时简写为ST。
（5）D7～D0：
数据输出线。
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位，D7为最高。
（6）OE：
输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
（7）CLK：
时钟信号。
ADC0808的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号。
（8）EOC：
转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
（9）Vcc：
+5V电源，GND：
地。
（10）Vref：
参考电压。
参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=0V）。
3.1.2ADC0808通道选择
表1ADC0808通道选择表
C（ADDC）
C（ADDB）
C（ADDC）
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D转换器进行转换。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存与译码，如表1所示。
3.1.3ADC0808的工作原理：
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6ADC0808信号的时序配合
3.2数据处理及控制单元
此处采用AT89C51，它所需要实现的功能，一是将模数转换后的数据经过处理并显示于4位一体的LED上，二是提供LED的位控信号，选择所应显示数据的一位8段数码管，三是提供高电平将ADC0808的锁存器打开，使得数字信号能够输出给单片机。
图7AT89C51的引脚
AT89C51的引脚说明如下：
（1）VCC：
电源电压；
（2）GND：
接地；
（3）P0口：
P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，每位引脚可驱动8个TTL逻辑门路口
管脚写“1”时，被定义为高阻抗输入。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，它可以被定
义为数据总线和地址总线的低八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口；当FLASH
进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
（4）RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（5）/PSEN：
外部程序存储器的选通信号
（6）XTAL1：
片内高增益反向放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（7）XTAL2：
片内高增益反向放大器的输出端。
3.34位一体七段数码管
本实验的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管构成，用于显示测量到的电压值。
它是一个共阴极的数码管，每一位数码管的原理图如图所示。
每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89C51的P0口产生的显示段码。
1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收AT89C51的P1口产生的位选码。
图8为一位数码管的原理图。
图8一位数码管的原理图。
4电路原理说明
4.1模数转换
如图1电路原理图所示，三个地址位ADDA,ADDB,ADDC均接高电平+5V电压，因而所需测量的外部电压可由ADC0808的IN7端口输入。
由于ADC0808在进行A/D转换时需要有CLK信，本设计中利用AT89C51的定时中断产生一个100KHZ的脉冲，由P1.4口送给ADC0808的时钟端，通过软件给其输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。
在软件设计中，由于我们对单片机知识还没能很熟练的掌握，用中断方式较复杂，且这个程序CPU工作量不大，查询方式对速度不会产生影响，所以我们采用查询方式，确保仿真的进度和准确度。
在A/D转换开始之前，逐次逼近寄存器的SAR的内容为0，在A/D转换过程中，SAR存放“试探”数字量，在转换完毕后，它的内容即为A/D转换的结果数字量。
逻辑控制与定时电路在START正脉冲启动后工作，没来一个CLK脉冲，该电路就可能告知向SAR中传送一次试探值，对应输出U0与U1比较，确定一次逼近值，经过8次逼近，即可获得最后转换的结果数字量。
此处，EOC端口的信号显示ADC0808的状态，开始A/D转换时，EOC为低电平，转换结束后，输出高电平。
4.2数据处理及控制
A/D转换完毕后，单片机的P1.6口接收到一高电平，立马通过P1将OE置1，ADC0808的三态输出锁存器被打开，转换完的数字信号经过与D0~D7相连的P0口进入AT89C51。
AT89C51根据公式1-1将数字信号转换为模拟量，然后利用程序获取模拟量的每一位，分别通过P0口输出到LED上。
与此同时，AT89C51会通过P1.0~P1.3口选择用哪一段LED显示所传出的数据。
例如，当P1.0~P1.3=1110，则LED接收到的数据会在第四段LED上显示。
另外，AT89C51一旦获得了数据后便会将ST置0，即模数转换器停止转换，知道LED获得新的数据并显示出来，ST才会重新置1.由于AT89C51转换速率很快（微妙量级），所
以不会影响其接收新的数据。
最终显示如下图所示。
图9运行中的电路图
5参考文献
[1]胡乾坤,李广斌,李玲,喻红.单片微型计算机原理与应用.华中科技大学出版社,2005
[2]朱清慧,张凤瑞,翟天嵩,王志奎.Proteus教程.清华大学出版社,2008
[3]李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社,1994
[4]谭运光.单片机开发手册.华龄出版社,1994
6结论及心得
我选择的是简易直流电压表，这个所用到的芯片都是我们比较熟悉的，89c51和0808模/数转换器。
总的来说，这次课设完成得还算顺利，因为老师给的题目都很经典，加之所要实现的功能也很简单，因而我们能够获得的资源就比较丰富。
一开始我在网上查了一些资料，但是大部分都是汇编的，而且相当长，所连接的图也是极其复杂。
由于汇编部分的知识掌握得不太好，考虑到运行有问题不便修改，我最终决定放弃这些现有的程序，转去研究C。
C的程序一目了然，并不像汇编那样涉及到口地址，存储单元什么的，因而结合起电路图来看很快就能弄清楚各个芯片端口的作用。
然而课设的过程中仍然遇到了一个大问题——中断，定时。
这个是最令人头疼的部分，怎么计算定时时间，怎么设置控制字，方式字，何时开中断，怎样开中断，如何选择定时器的工作方式等等，对于概念倒还能敷衍过去，但到了实地操作却是相当茫然。
一开始本打算请教同学，毕竟若是看课本的话，得费上好些时间，而且这个设计里也没涉及到太多的定时（后来分析知道，其实只是为0808模/数转换提供脉冲而已）。
可是左问右问的之后，发觉其他同学也称自己不太清楚。
没办法，最后只能是“自己动手，丰衣足食”。
中断的响应过程，中断控制，定时/计数器的TCON，TMOD，以及各种工作方式，特别是应用程序设计那一块的例子，我一一详尽地看了一遍，并在与同学的讨论中对该部分的重难点大致有了个了解，然后便开始对该C程序的一步步分析。
现在看来，整个课设的过程中，读程序那一段时是受益最多的了。
其实一开始也尝试过用汇编，但是网上现成的程序放入仿真后，LED没有任何显示，经过同学们的多番讨论与修改后，其显示仍然与参考电压表不一致，最终只好作罢。
在跟同学的讨论过程中，我是强烈地感觉到“书到用时方恨少，事非经过不知难”，平常看似简单的问题，遇到复杂的调用程序就能难住我们一大片人，比如说，程序的执行顺序，函数调用后如何返回，返回至哪里，RET与RETI有什么区别，如果两个定时器同时工作应该选用什么方式，计数器与定时器的区别，某一段语句执行完共用了多长时间等等。
其实这些都不难，究其原因，还是我们平常的基础知识掌握得不够牢固。
貌似这是大学里的最后一次课设了，其实一直觉得这种形式的学习很不错，同学们在设计的过程中都会有种主动学习的欲望。
但是在看程序，连电路的过程中，我们还是能够学习那些编程人的思路的这一点对于加深我们对于每个知识点的理解非常有帮助。
另外，由于是仿真，假如在读程序的时候有某些地方看不明白，不知道它是用来干嘛的，那我们可以将其去掉然后观察结果并与正确结果对比，大约就可以有些头绪了。
比如说我这个C里，一开始我也不清楚中断是干嘛用的，分析了半天，然后在网上查了些资料，貌似是为0808提供工作脉冲的。
为了进一步确定，我将程序中有关中断的部分都删掉再放入89C51中，并直接给0808提供一个100KHZ的CLOCK后运行，结果完全正确。
由此证明了最初的猜测。
7附录
7.1调试报告
由于此次设计的程序较简单，因而其在keil里运行的时候很顺利。
但是当将程序加入连接好的电路中并开始仿真时，LED没有任何显示。
在仔细检查了程序中调用显示函数的子程序并确定其无误后，我开始检查电路的各个接口。
原来是4位一体的数码管选择错误，程序里本来用的是公阴级，而我却选择了CA的共阳极。
将正确元件换上后，LED有了显示，但是显示极其不稳定。
我推想应该是程序中某些参数设置得不够恰当，于是摸索着分别将定时器的计数初值改为TH0=（65536-500）/256，TH0=（65536-300）/256，TH0=（65536-100）/256，并试着改变延迟_nop_（）函数的个数，直到最后发觉LED已能稳定显示为止。
当我移动可变电阻改变输入电压时，发现电源+15V用得不对，因为利用0808设计的电压表的量程只有+5V.，超过了就显示不出来了，所以最终选择了+5V的电源。
再次调试，运行结果正确，LED的显示与参照电压表的示数一致。
源程序如下：
#include
#include"intrins.h"//调用_nop_（）;延时函数用
unsignedcharcodedispbitcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//共阴数码管7段值
unsignedchardispbuf[4];
unsignedchargetdata;
unsignedinttemp;
sbitCLK=P1^4;
sbitST=P1^5;
sbitOE=P1^7;
sbitEOC=P1^6;
sbitP10=P1^0;
sbitP11=P1^1;
sbitP12=P1^2;
sbitP13=P1^3;
sbitP07=P0^7;
voidTimeInitial（）;
voidDelay（unsignedinti）;
voidTimeInitial（）
{TMOD=0x01;//定时器T0工作在方式1，16位定时器/计数器
TH0=（65536-100）/256;//装入计数初值高位
TL0=（65536-100）%256;//装入计数初值低位
EA=1;//开中断
ET0=1;//允许T0中断
TR0=1;//启动定时器T0
}
voidDelay（unsignedinti）//延时子程序
{
unsignedintj;
for（;i>0;i--）
{
for（j=0;j<100;j++）
{;}
}
}
voidDisplay（）//显示子程序
{
P0=dispbitcode[dispbuf[3]];//将电压值的十位在第一只数码管上显示
P10=0;
P11=1;
P12=1;
P13=1;
Delay（10）;//避免闪烁
P0=0x00;//关闭一下，否则显示不全
P0=dispbitcode[dispbuf[2]];//将电压值的个位在第二只数码管上显示
P07=1;
P10=1;
P11=0;
P12=1;
P13=1;
Delay（10）;
P0=0x00;
P0=dispbitcode[dispbuf[1]];//将电压值的十分位在第三只数码管上显示
P10=1;
P11=1;
P12=0;
P13=1;
Delay（10）;
P0=0x00;
P0=dispbitcode[dispbuf[0]];//将电压值的百分位在第四只数码管上显示
P10=1;
P11=1;
P12=1;
P13=0;
Delay（10）;
P0=0x00;
}
voidmain（）
{
TimeInitial（）;
while
（1）
{
ST=1;//启动A/D转换
_nop_（）;//延迟一个指令周期
_nop_（）;
ST=0;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
while（EOC==0）;//等待转换
OE=1;
getdata=P2;
OE=0;
temp=getdata*1.0/255*500;
dispbuf[0]=temp%10;
dispbuf[1]=temp/10%10;
dispbuf[2]=temp/100%10;
dispbuf[3]=temp/1000;
Display（）;
}
}
voidt0（void）interrupt1//定时器/计数器0中断服务程序
{
TH0=（65536-100）/256;
TL0=（65536-100）%256;
CLK=~CLK;//输出取反
}
7.2元器件清单
1.AT89C51芯片1块
2.ADC0808芯片1块
3.4位一体数码1个
4.6MHz晶振1个
5.33pF电容2个
6.10uF电解电容2个
7.10KΩ电位器1个
8.510Ω电阻8个
9.导线若干
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