简易直流电压表Word格式.docx
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A、主要设计框图：
电压采集
0809
单片机处理
数码管显示
B、设计方案论述
ADC转换：
本次使用的单片机是带ADC转换的逐次比较型的ADC，ADC换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速转换器。
本次设计使用P1.0口作模拟电压输入，ADC将模拟电压转化为相应的数字量。
数据处理并LCD显示：
ADC转换得到的二制数只是二进制数，还需要进一步处理得到十进数，并且进行精度处理，也就是课题要求的四位有效数据。
对数据的处理按下公式
式中D为ADC的转换的二进数，V为显示的数据。
V设为浮点型数，乘以1000输入电压
ADC转换数据处理并送LCD显示后强制转换为整型。
则得到四位有效数据。
再依次除于1000取商则得个位，取余除于100取商则得十分位，再取余除10则得百分位，取余则得千分位将各位加0x30转化为ASCII码后送LCD显示。
C、硬件设计框图：
D、软件流程图
E、元器件确定
1）AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
主要功能特性：
低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。
兼容MCS51指令系统，8K可反复擦写（>
1000次）FlashROM。
3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0—24MHZ。
32个双向I/O口，256B内部RAM。
2个串行中断，可编程UART串行通道。
2个外部中断源，共6个中断源。
2个读写中断口线，3级加密位。
2）ADC0809模数转换芯片
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A/D模数转换器。
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内部逻辑结构图
主要功能特性:
8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
具有转换起停控制端。
转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）。
单个+5V电源供电。
模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
工作温度范围为-40～+85摄氏度。
低功耗，约15mW。
引脚说明
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
D0～D8：
8位数字量输出端。
D0～D7均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为最高位。
A、B、C：
3位地址输入线，A为低地址，C为高地址，用于选通8路模拟输入中的一路。
具体通道选择如表1所示。
本次设计使用的通道是IN0，故A、B、C均需接地。
ALE：
地址锁存允许信号，输入高电平有效。
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
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。
ADC0809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。
VREF（+）、VREF（-）：
基准电压。
用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
VCC：
电源，单一+5V。
GND：
接地。
通道选择表
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式:
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以点击浏览下一页信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
3）四位共阴数码管
4-LED显示器引脚如图所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
本设计使用的驱动方式是动态驱动，四位共阴数码管的段码输入依次由并行端口P0产生，位码输入用并行端口P2高四位产生。
4）P0口上拉电阻
一般作单键触发使用时，如果IC本身没有内接电阻，为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在IC外部另接一电阻。
数字电路有三种状态：
高电平、低电平、和高阻状态，有些应用场合不希望出现高阻状态，可以通过上拉电阻或下拉电阻排阻消除高阻状态。
九排上拉电阻
本次设计中使用的上拉电阻是一个九位排阻（如图所示）。
顾名思义，排阻就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。
所以如果一个排阻是由n个电阻构成的，那么它就有n+1只引脚，一般来说，最左边的那个是公共引脚,它在排阻上一般用一个色点标出来。
由于排阻引脚众多，所以排阻比若干只固定电阻更为方便。
本次设计中九位排阻在依次连接单片机P0口各引脚的同时并依序连接数码管各引脚（上拉电阻VCC端接单片机VCC端）。
上拉电阻既能为单片机提供部分电压能力，同时也能起到预防线路中电流过大的作用。
1.4模拟仿真结果
A、总体电路设计
B、部分电路设计
1）晶振及复位电路
接12M晶振，根据数据手册，并联30pF微调电容构成并联谐振，帮助稳定输出波形。
AT89C51单片机要求至少两个高电平，以便单片机做好准备。
当上电时，由于电容的电压不能突变，会输出高电平，当电容充电到一定程度，就会输出低电平，单片机利用输出高电平的这段时间复位。
选择20uF的电容，10k电阻。
2）模拟输入电路
模拟输入信号则由IN0直接输入。
0—5V0—50V
P3.6接VCC，P3.7接GNDP3.6接GND，P3.7接VCC
2、实际制作和调试
2.1测试方法和测试仪器
仿真平台为Proteus软件。
硬件调试采用小系统板（51+数码管+573+138+排阻）、星研集成环境软件，调试过程用到学生用安全电源（5V）、万用表。
2.2软件调试
Proteus软件是世界上著名的EDA工具，能完成原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
程序清单：
#include<
reg52.h>
unsignedcharcode
dispbitcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//不带小数点的
dispbitcode2[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};
//带小数点的
unsignedchardispbuf[4];
unsignedinti;
unsignedintj;
unsignedchargetdata;
unsignedinttemp;
unsignedinttemp1;
unsignedcharcount;
unsignedchard;
sbitST=P3^0;
sbitOE=P3^1;
sbitEOC=P3^2;
sbitCLK=P3^3;
sbitP25=P2^5;
sbitP26=P2^6;
sbitP27=P2^7;
sbitP07=P0^7;
sbitP24=P2^4;
voidTimeInitial（）;
voidDlay（unsignedinti）;
voidTimeInitial（）
{
TMOD=0x10;
TH1=（65536-200）/256;
TL1=（65536-200）%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
}
voidDelay（unsignedinti）
unsignedintj;
for（;
i>
0;
i--）
{
for（j=0;
j<
125;
j++）
{;
}
voidDisplay（）
{if（P24==0）//大量程
{P0=dispbitcode[dispbuf[3]];
P25=0;
P26=1;
P27=1;
Delay（10）;
P0=0x00;
P0=dispbitcode[dispbuf[2]];
P27=0;
P0=dispbitcode2[dispbuf[1]];
P26=0;
P0=dispbitcode[dispbuf[0]];
else//小量程
P0=dispbitcode2[dispbuf[2]];
P0=dispbitcode[dispbuf[1]];
voidmain（）
TimeInitial（）;
while
（1）
ST=0;
//st正脉冲启动
OE=1;
//输出允许
ST=1;
while（EOC==0）;
//eoc给出1转换完成
getdata=P1;
OE=0;
temp=（getdata*1.0/255）*500;
dispbuf[0]=temp%10;
//取0.0x
dispbuf[1]=temp/10%10;
//取0.x
dispbuf[2]=temp/100%10;
//取个位
dispbuf[3]=temp/1000;
//取十位
Display（）;
voidt1（void）interrupt3using0
CLK=~CLK;
2.3硬件调试
用面包板完成0809外围电路的搭建，用星研配套仿真器装载程序开始调试。
硬件连接图
面包板实物图
0—5V硬件电路测量结果示例
0—50V硬件电路测量结果示例
2.4调试中的问题记录
1）装载程序后，通电运行，发现怎么改变电压都没有变化且显示0
根据星研软件的调试结果发现单片机根本就没有处理数据，拔了仿真器和不拔仿真器一样的结果数码管都会显示一个0，调试过程根据程序运行流程发现，0809没有将采集到的数据在中断的作用下传给单片机，后来改了程序还是没有正确的结果，下载点亮所有数码管的程序到仿真器，发现正常运行，排除了单片机和数码管是坏的的可能性，怀疑0809没有完成数据的转换，经过测量相关管脚的电压也排除了这一可能，后来通过研究电路板发现程序中用P2控制138时所用的引脚与实际电路板上P2和138之间的引脚连接不一致。
数码管显示的数字比较闪
更改程序将延迟的时间增大就解决了这一问题。
2）0—50V量程测量结果误差较大
经过调节电位器，测量结果得到改善。
3、测试结果分析
0—5V量程通过实际电压表测量后，误差基本保持在0.01V，测量结果误差小，0—50V电压源与所制作电压表结果误差保持在0.2V，误差较大，经过电位器调节后，得到改善。
4、课程设计总结
本次课程设计温习了单片机的基本原理，功能以及构造，以及ADC0809的基本原理，学会了使用Protuse和星研集成环境仿真、查错。
利用C语言进行编程实现所需要的功能，同时在Protuse软件上画电路图并进行仿真，通过硬件电路搭建提高了动手能力和分析问题的能力。
软件部分的编程，主要是通过看资料参考范例编写，弄清楚基本的工作原理，实现方案以及所需要注意的地方，其实一切开始了就会发现没有想象中那么那么难。
对于硬件部分，利用Keil烧程序到单片机中，懂得将程序下载到单片机的方法和原理。
对一些基本电路检测问题，做到自己分析再和组员交换意见相互协作共同实验。
仿真结果比较理想，但是由于没有注意到程序和最小系统电路板的匹配，导致各种不出结果，然后各种换器件都没有用，一度怀疑硬件有问题是坏的，但实际发现是程序编写端口与硬件板子端口不对应导致，通过改变程序，现象便出现了。
【参考文献】
1、郭天祥编著，新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、扩展全攻略，电子工业出版社，2009年1月
2、翟朝霞等编著，《单片机原理与应用》实验及课程设计指导书，大连海事大学出版社，2013年3月
3、蔡美琴等编著，MCS—51系列单片机系统及其应用，高等教育出版社，2012年6月
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