单片机数字电压表Word格式文档下载.docx

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第3章系统方框图与工作原理

3.1系统方框图

基于单片机系统的电压表的基本结构如下图所示

单片机部分作为控制系统，显示部分显示测量结果，模数转换采集电压以及电阻值发送到单片机，通过改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压表的值。

3.2工作原理

A/D转换由集成电路0808完成，0808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2μS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转换数据从端口输出10脚为0808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0808的A/D转换控制。

第4章各单元硬件设计说明

4.1单片机功能及选用

系统设计使用MCS-51单片机8051芯片。

8051芯片由以下部分组成：

中央处理器、256单元的部数据存储器、4KB的程序存储器、定时器/计数器、四个八位的I/O口，中断控制系统及时钟电路。

图4.1所示为采用双列直插式封装的8051AH芯片管脚图。

P0.0-P0.7接ADC0808的OUT1-OUT8，作为数字量的输入端口，P1.0-P1.7接数码显示管，P2.0接ADC0808的时钟信号。

图4.1AT80C51单片机的引脚图

4.2时钟电路与复位电路的设计

时钟电路是计算机最核心的部分，它控制着计算机的工作MCS-51单片机允许的时钟频率典型值为12MHZ。

80C51单片机部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。

在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。

通常，OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ~16MHZ，典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。

调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。

单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。

复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。

图4-2所示是51系列单片机常用的上电复位电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。

复位以后，单片机各部件恢复到初始状态。

电阻电容器件的参考值:

R1=200Ω,R2=1KΩ,C3=22μF。

RET按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。

电路图如图4-2所示。

图4-2时钟电路与复位电路

4.3LED显示电路设计与器件选择

单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。

这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果。

显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。

LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的P1，P2口驱动，实验证明可行。

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。

在我们的设计中，选择4位一体的共阳极时钟型LED显示器，采用动态显示方式。

图4-2为本系统LED显示电路，采用P1口作为LED的段码输出信号，P2口的低四位作为LED位码的输出控制信号。

图4-3LED显示原理图

4.4A/D转换电路和测量电路设计

1.ADC0808引脚功能

图ADC0808引脚图

IN0～IN7：

8路模拟量输入。

A、B、C：

3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。

ALE：

地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到部的地址锁存器。

D0～D7：

八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。

OE：

允许输出信号。

当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。

START：

启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清ADC0808的部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。

EOC：

转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明部A/D转换已完成。

ADC0808部结构图

图ADC0808部结构

逐次逼近型A/D转换器ADC0808由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、D/A转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。

A/D转换电路设计

图ADC0808与单片机的连接

第5章软件设计与说明

5.1系统软件设计（流程图）

图5.1为程序软件设计流程图其中（a）为主程序流程图，（b）为A/D转换子程序流程图。

图中A/D转换子程序是将0808转化后的数字量，需通过转化子程序转化成工程量并通过查表送到P1口送给LED显示。

5.2程序设计

（1）初始化程序

系统上电时，初始化程序将70H～77H存单元清0，P2口置0。

（2）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子程序之间循环，主程序流程图见图5-1

图5-1主程序流程图

（3）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存单元中，测量数据在显示时需转换成为十进制BCD码放在78H～7BH存单元中，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。

（4）模/数转换测量子程序

模/数转换测量子程序用来控制对0808八路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H～77H存单元。

第6章系统仿真与调试

简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在0.2V以。

在进行电路的局部调试之后，我又进行了系统整机调试。

首先为ADC0808接上+51V的电压，为其它芯片接上+5V的工作电压。

另外还要输入待测的模拟电压，该电压从0V电压开始输起，依次增大，直到达到待测电压的上限50V为止，记录测量数据并分析系统性能。

6.1系统仿真

调好程序后将目标程序导入Proteus进行软硬件调试，基于单片机实现的数字电压表测试值见表6-1所示。

表6-1　测试值与真实值

标准电压值/V

0.00

5.10

10.2

20.4

25

30

40.2

45.4

50.0

简易电压表测得值/V

5.20

30.1

40.3

绝对误差/V

+0.00

+0.1

从表中可以看出，电压表测得值误差均在0.2V以，这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相比较接近，因此在一般的应用场合都可以满足要求。

6.2性能分析

（1）由于单片机为8位处理器，当输入电压为51V时，输出数据值为255（FFH），因此单片机最大的数值分辨率为0.2V（51/255）。

这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.2V。

测试时电压数值的变化一般以0.2的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的A/D转换器。

（2）简易电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.1～0.2V。

这可以通过校正0809的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。

另外可以用软件编程来校正测量值。

6.3调试结论

仿真测试表明，系统性能良好，测量读数稳定易读、更新速度合理，直流电压测量围为0～51V，最小分辨率为0.2V，满足任务书指标要求。

但是，该系统也存在一定程度的不足，例如：

1、输入电压易发生干扰不稳定，且驱动能力可能存在不足，需在被测信号的输入端加上一部分驱动电路，比如将量程转换电路改成带放大能力的自动量程转换电路，将幅值较小的信号经适当放大后再测量，可显著提高精度；

2、输出量可用平均值算法来改善，使测量准确度更高。

3、若能将测量的电压值实时保存，使用时将更方便。

4、ADC0808可实现对8个通道的输入信号轮流转换，本设计仅仅使用了其中一个通道，造成了较大的资源浪费。

若能对电路稍加改进，实现对多路信号的轮流测量并自动保存相应结果，其应用价值将会更大。

第7章设计总结

两周的单片机课程设计很快就过去了。

在这短短的两周中，我们完成了课题的选择到查找相关资料、确定设计方案、硬件设计、编写程序、调试程序到最后运行成功。

虽然期间遇到了很多问题，经历了不少挫折，但是我们最后尝到了成功的甜。

最重要的是，我们充分运用了所学知识，也学到了很多书本外的知识。

首先，我们从任务书得知本次设计是做一个简易数字电压表，测量围是0-51V，可以通过A/D转换把模拟量转换成数字量。

然后我参照《单片机应用与实践》，把程序分为初始化程序，A/D转换子程序和显示子程序三个大的部分，一个一个的编写，分别调试和仿真。

第一次的程序有很多错误，我利用我所学到的单片机知识认真排查错误，同时也向同学请教，终于能够运行成功。

在连电路图的时候由于自己的不细心，使得出现了很多本不应该出现的错误，比如刚刚开始发现LED显示管怎么也不亮，我把程序反复研究也没发现问题，最后终于找到原因，原来是我把显示管的电源接反了。

在这短短两个星期，虽然有过郁闷、烦躁、苦恼的时候，但最重要的是我们都克服了。

我们不仅强化了理论知识，也增强了独立思考问题和团结协作的能力。

通过这次课程设计，同时也开阔了我们的视野，加强了我们合作的意识，为我们以后从事相关工作增强了自信心以及经验。

在此，我要感我搭档的帮助和支持，当然还有老师的指导。

第8章参考文献

1、《51系列单片机应用与实践教程》周向红编北航

2、《单片机应用系统设计》何立民编北航

3、《单片机原理及应用》王迎旭主编机械工业

4、《51系列单片机设计实例》楼然苗等编北航

5、《51单片机应用系统开发典型实例》戴家等编中国电力

6、《单片微型计算机原理及接口技术》光东等编

华中科技大学

7、《单片机实用系统设计技术》房小翠编国防工业

附录A：

系统电路原理图

附录B：

程序清单

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVSP,#60H

ANLP1,#0C0H

W1:

MOVXR0,A

SETBP2.1

CALLDISP

CLRP2.1

FB:

CPLP2.0

ACALLDL

JBP3.0,ADC

SJMPFB

DL:

RET

WAIT:

JMPWAIT

ADC:

MOVXA,R0

CALLY1

MOVR1,#05H

DISP1:

DJNZR1,DISP1

JMPW1

Y1:

CLRC

MOVR5,#00H

MOVR4,#00H

MOVR3,#08H

NEXT:

RLCA

MOVR2,A

MOVA,R5

ADDCA,R5

DAA

MOVR5,A

MOVA,R4

ADDCA,R4

MOVR4,A

MOVA,R2

DJNZR3,NEXT

ADDA,R5

DISP:

MOVA,#10H

MOVP2,A

ANLA,#0FH

MOVDPTR,#TABLE1

MOVCA,A+DPTR

MOVP1,A

LCALLDELAY

MOVA,#20H

ANLA,#0F0H

SWAPA

MOVDPTR,#TABLE2

MOVA,#40H

CLRA

TABLE1:

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0D8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH

TABLE2:

DB40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,58H,00H,10H,08H,03H,46H,21H,06H,0EH

DELAY:

MOVR6,#10

DE1:

MOVR7,#248

DJNZR7,$

DJNZR6,DE1

END