基于51单片机的简易数字电压表的设计单片机.docx
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基于51单片机的简易数字电压表的设计单片机
甘肃畜牧工程职业技术学院
毕业设计
题目：
基于51单片机的简易数字电压表的设计
系部：
电子信息工程系
专业：
信息工程技术
班级：
学生姓名：
学号：
指导老师：
日期：
毕业设计任务书
学生姓名
专业班级
信息工程技术08.2
指导教师
论文题目
基于51单片机的简易数字电压表的设计
研究的目标、内容及方法
目标：
基于MCS—51单片机，对设计硬件电路和软件程序使用的设计，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。
分阶段完成的工作
1、2010年9月1日之前查阅资料，进行功能分析、完成总体方案设计。
2、2010年9月15日之前完成各单元电路的设计。
3、2010年10月1日之前完成各模块软件的设计。
4、2010年10月15日之前完成系统仿真及调试。
5、2009年10月25日之前进行排错、改进，完成设计报告的撰写。
6、离校顶岗实习之前进行设计答辩。
系（部）主任意见
开题报告
一、课题来源
来源于毕业设计：
基于51单片机简易数字电压表的设计
二、设计目的和意义
（一）研究的目的：
随着我国现代化建设的发展，电子检测产品日新月异，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。
数字电压表则利用单片机技术结合A/D转换芯片，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示仪表。
目前，有各种单片机转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智出了一种以AT80C51为核心的单片机构成数字电压表的看法。
AT80C51芯片是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读程序存储器128bytes的随机存储数据存储器（RAM），器件采用高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用中央处理器和flash存储单元。
因此，在此基础上进行了数字电压表的工作，给出数字电表的软件和硬件的设计。
考虑到存在的各种干扰对系统的影响，从软件和硬件设计方面进行分析，采用相应的措施以增强系统的抗干扰能力。
三、数字电压表的现状和发展趋势
随着我国现代化建设的发展，电子检测产品日新月异，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。
数字电压表则利用单片机技术结合A/D转换芯片，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示仪表。
目前，有各种单片机转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出了强大的生命力。
根据对出口、消费、投资等带
二是明年数字奥运建设对电子信息产业的拉动效应将明显显现，特别是数字电视和新一代移动通信的启动，将创造巨大的国内电子信息产品市场。
随着和谐社会的构建，中西部和农村地区的市场前景日益看好。
三是今年电子信息产业投资势头迅猛，多个超过10亿元的元器件大项目陆续投产，将在明年推动产业新一轮的规模扩张。
因此从总体上判断，明年电子信息产业将保持平稳发展，特别在下半年可能出现增长高峰，呈现出“低开高走”的态势。
中国数字电压表产业发展研究报告阐述了世界数字电压表产业的发展历程，分析了中国数字电压表产业发展现状和差距，开创性地提出了“新型数字电压表产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数字电压表产业”及替代产品的内涵。
根据“新型数字电压表产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国数字电压表产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的数字电压表产业发展进行了全面的研究。
新型数字仪表的发展主要方向：
（1）广泛采用新技术，不断开发新产品,向模块化发展
（2）显示清晰直观，读数准确
传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。
数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果是唯一的。
（3）扩展能力强，测量速度快，抗干扰能力强
数字电压表，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要；数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。
它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期；5位以下的DVM大
多采用双积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。
高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB
（4）分辨率高，测量范围宽
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。
分辨力随显示位数的增加而提高。
分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）和最大数字的百分比。
多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。
（5））输入阻抗高，集成度高，微功耗
数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。
并且新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。
四、设计内容、途径、技术指标
㈠研究内容及要求：
1.了解A/D转换器ADCO809的基本性能。
2.掌握单片机的基本使用及伟福编程软件的使用。
3.掌握ADC0809和单片机的接口方法及编程方法。
㈡研究途径：
一片ADC0809必要的外围器件和AT80C51进行接口连接，设计一个数字电压表，要求能对IN0所输入的模拟电压进行识别，将其转换成相应的二进制数并以发光二级管的形式显示；用万用表测量IN0输入的模拟电压值，并和转换结果进行对比，计算测量误差。
㈢技术指标：
1.ADC0809基本性能的实现。
2.51单片机的各引脚功能的测试。
3.74LS373和74LS04的使用。
五、设计工作的进度
1.2010年9月10日之前查阅资料，完成总体方案的论证、比较、选择。
2.2010年10月1日之前完成各单元电路的设计、计算及电路图绘制。
3.2010年10月25日之前完成设计报告的编写。
4.2010年10月30日之前进行排错、改进，完善设计报告。
5.2010年11月10日进行设计答辩。
六、最终目标及完成时间
通过自己的设计，掌握毕业设计的流程，正确的认识并检测元件，连接线路，最终利用51单片机设计出一个简易数字电压表。
最终的完成时间于2010年10月底。
七、协作单位及要解决的主要问题
协作单位：
学院电子实训基地。
所要解决本课题的主要问题是：
控制策略的开发，以及硬件的设计、制作和调试。
提供实验设计中所需要的各种器件及工具。
八、指导教师审核意见
指导教师签名
年月日
九、系毕业设计（论文）领导小组意见
组长签名
年月日
摘要
随着我国现代化技术建设的发展，电子检测技术日新月异,本此设计基于80C51单片机的一种8路输入电压测量电路，该电路采用ADC0809A/D转换元件,实现数字电压表的硬件电路和软件设计。
该系统的数字电压表电路简单,可以测量0～5V的电压值,并在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。
所用的元件较少,成本低,调节工作可实现自动化。
还可以方便地进行8路A/D转换量的测量,远程测量结果传送等功能。
Withtheconstructionofmoderntechnology,electronicdetectiontechnologyadvances,the80C51microcontrollerforthisdesignisbasedonan8-inputvoltagemeasurementcircuitthatusesADC0809A/Dconversioncomponents,digitalvoltagemeterhardwareandsoftwaredesign.Thesystem'sdigitalvoltmetercircuitissimple,canmeasurethevoltage0~5V,andthefourturnsontheLEDdigitaldisplayorasingleselectShow.Fewercomponentsusedinlowcost,regulationworkcanbeautomated.Youcanalsoeasily8A/Dconversionvolumemeasurement,remotemeasurementtransferfunctions.
关键词
数字电压表单片机A/D转换AT80C51
DigitalvoltmetermicrocontrollerA/DconversionAT80C51
引言
数字电压表简称DVM，它是采用了数字化测量技术，把连续模拟量（直流输入电压）转换成不连续，离散的数字形式加以现实的仪表。
传统的指针是电压表功能单一，精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成方便，不可和PC进行实时通信。
目前由各种单片机A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛的使用为电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。
数字电压表是诸多数字化仪表的核心和基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式，并加以显示，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉的疲劳，目前数字电压表的核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。
本设计主要分为两部分：
硬件电路及软件程序。
而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用汇编语言编程，利用纬福软件对其编译，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。
第一章A/D转换器
1．1A/D转换原理
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换器的工作原理
主要介绍以下三种方法：
（1）.逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。
图1.1逐次逼近法原理
逐次逼近法转换过程是：
初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Ｖo，和送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。
然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Ｖo再和Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。
（2）双积分法
采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
如图1.2所示。
基本原理是将输入电压变换成和其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。
双积分法
图1.2 双积分式A/D转换的原理框
双积分法A/D转换的过程是：
先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通和Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。
Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。
计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。
（3）电压频率转换法
采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定的
时钟门控制信号组成，如图1.3所示:
图1.3电压频率转换法原理
电压频率转换法的工作过程是：
当模拟电压V/I加到V/F的输入端，便产生频率F和Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。
1.2ADC性能参数
目前的实时信号处理机要求ADC尽量靠近视频、中频甚至射频，以获取尽可能多的目标信息。
因而，ADC的性能好坏直接影响整个系统指标的高低和性能好坏，从而使得ADC的性能测试变得十分重要，表征ADC性能的参数，由于尚无统一的标准，各主要器件生产厂家在其产品参数特性表中给出的也不完全一致。
一般来说，可以分为静态特性和动态特性参数。
1．2．1ADC静态特性
ADC的静态特性是指其和时间特性无关的特性，主要包括以下几类：
1）分辨率
ADC的分辨率定位为二进制末位变化1所需的最小输入电压和参考电压的比值，即ADC能够分辨的最小的模拟量的变化。
2）量化误差
量化电平定义为满量程电压（或满度信号值）UFSR和2的N次幂的比值，其中N位被数字化的数字信号的二进制位数。
量化电平一般用Q表示。
3）全输入范围和动态范围
全输入范围是指允许输入模拟信号的最大值和最小值之差；动态范围是指全输入范围和ADC最小可分辨的量值之比。
4）偏置误差和增益误差
ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC的输入电压和理论上使最低位被置成“1”状态时的输入电压之差。
当偏置误差高速为零之后，输出为全1时对应的实际输入电压和理想输入电压之差。
1.2.2ADC动态特性
高速ADC的动态特性是指输入为交变简谐信号时的性能技术指标，它是和ADC的操作速度有关的特性。
其主要技术指标如下：
1）转换时间、采集时间
转换时间是指从信号开始转换到可获得完整的信号输出所用的时间，它是高速ADC的一项重要指标。
采集时间是指采样保持电路在采样模式下能够保证其在随之到来的保持模式输出在采样保持转换时，相对该时刻存在的输入电平之间的误差将会限制在一定的误差范围内所需的时间。
2）频率响应
它是冲击响应的傅立叶变换，其最佳表达方式是幅频和相频曲线，从系统辨识的角度看这是在频域对ADC动态线性特性的非参数模型描述。
3）动态积分非线性误差和动态微分非线性误差
动态积分非线性误差（INL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC实际转换特性曲线之间的最大偏差。
每个数码的偏差都是由那个数码的中心值来度量的。
动态微分非线性误差（DNL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC实际转换特性的码宽（1LSB）和理想代码宽度之间的最大偏差，单位为LSB。
为了保证ADC不失码，通常规定在25oC时最大DNL为1/2LSB。
4）信噪比、信噪失真比和有效位数
信噪比（SNR）是信号电平的有效值和各种噪声（包括量化噪声、热噪声、白噪声等）有效值之比的分贝数。
其中信号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值（除谐波分量和直流分量外）。
5）小信号带宽和全功率带宽
ADC的模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FFT分析得到的基波频谱下降到3dB处的带宽（不考虑谐波失真和噪声影响）。
根据输入信号幅值不同，模拟带宽又可以分为小信号带宽（SSBW，一般指1/10满量程）和全功率带宽（FPBW，指满量程）。
1.2.3ADC性能测试
ADC测试方法主要有两种：
模拟方法和数字方法。
前者是将A/D采集的数字信号经D/A转换位模拟信号再用传统的测试方法对其进行测试，优点是易于理解，缺点是许多A/D采集卡本身不带D/A，即或有，D/A的性能也将影响A/D指标的测试；
1．3常用ADC芯片概述
A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
第二章8OC51单片机引脚
图2.180C51引脚
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。
第三章ADC0809
3.1ADC0809引脚功能
ADC0809的引脚如图所示，下面对引脚功能做简要说明:
图3.1ADC0809引脚
IN0~IN7：
8个模拟量的输入端。
D0~D7：
8位数字量输出端。
START：
启动A/D转换，加正脉冲后A/D转换开始。
EOC：
转换结束信号。
转换开始时，EOC信号变低电平；转换结束时，EOC信号返回高电平。
该信号可以作为CPU查询A/D转换是否完成的信号，也可以作为向CPU发出中断申请的信号。
OE：
输出允许信号，输入高电平有效。
OE端的电平由低变高时，转换结果被送到数据线上。
此信号有效时，CPU可以从ADC0809中读取数据，同时也可以作为ADC0809的片选信号。
CLK：
实时时钟，频率范围为10KHZ~1280KHZ，典型值为640KHZ。
ALE:
通道地址锁存允许信号，输入高电平有效。
在ALE=1时，锁存ADDA~ADDC,选中模拟量输入。
ADDC~ADDC：
通道地址选择输入，其排列顺序从低到高依次为ADDA、ADDB、ADDC。
该地址和8个模拟量输入，通道的对应关系如表1所示:
VREF+、VREF-正负参考电压。
一般情况下，VREF+接+5V,VREF-接地。
此时的转换关系如表2所示：
VCC\GND：
工作电源和接地
表1ADC0809的输入输出关系
输入模拟电压
输出数字量
输入模拟量
输出数字量
0
00000000B
...
...
...
...
5
1111
2.5
10000000B
表2地址和模拟量通道之间的对应关系
ADDC
ADDB
ADDA
选中通道
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
3.2ADC0809内部结构
图3.2ADC0809内部结构
ADC0809的内部结构如图所示，它包含以下几部分：
（1）8路模拟量选择开关
根据地址锁存和译码装置所提供的地址，从8个输入的0V~5V模拟量中选择一个输出。
（2）8位A/D转换器
能对所选择的模拟量进行A/D转换。
（3）3位地址码的锁存和译码装置
对所输入的3位地址码进行锁存和译码，并将地址选择结果送给8路模拟量选择开关。
（4）三态输出的锁存缓冲器
是TTL结构，负责输出转换的最终结果。
此结果可直接连接到单片机的数据总线上。
3.3ADC0809和80C51的接口
图3.380C51和ADC0809的接口图
ADC0809和80C51的接口满足ADC0809转换时序的要求，电路如图3.3所示：
（1）地址线和数据线的连接
ADC0809内部输出电路有三态缓冲器，所以8位输出数据线可以直接和80C51的P0口相连。
它的通道地址选择信号ADDA~ADDC均经过74LS373锁存，和80C51的P0口中的任意3根I/O口线连接（图中和P0.0、P0.1、P0.2相连）。
（2）时钟信号的连接
ADC0809必须外接时钟。
该电路中借用80C51的ALE输出。
如果80C51的晶振频率太高，则需要对ALE所输出的脉冲进行分频处理。
例如，晶振频率采用12MHz时，ALE的频率为2MHz，经过4分频后为500KHz，才能和ADC0809的CLK时钟端相连。
（3）控制信号的连接
由于ADC0809的ALE和START均为正脉冲，而且基本同步，所以可以由80C51的P2.0和WR“或非”而成。
同理，OE信号也可以由80C51的P2.0和RD“或非”而成。
EOC信号经“非”门和80C51的INTI相连，可申请中断。
3.4ADC0809的使用指导
3.4.1ADC0809使用说明
（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以和AT89S51单片机直接相连。
（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
3.4.2ADC0809转换结束的判断方法
在ADC0809编写程序时，首要问题是如何判断一次A/D转换何时结束，在此基础上才能正确读取转换结果。
常用的判断一次A/D转换结束时间的方法有三种。
（1）软件延时法
软件延时法是指用软件延时等待一次A/D转换结束。
延时时间取决于计算和调试而获得的ADC完成一次转换所需要的时间。
（2）中断法
中断法利用EOC作为向80C51申请中断信号。
在主程序中启动A/D转换，在继续执行主程序。
在中断服务程序中读取转换结果。
（3）查询法
查询法将EOC接至80C51的某端口I/O口线。
启动A/D转换后，利用查询该I/O口线引脚电平是否为0的方法读取转换结果。
3.4.3ADC0809编程方法
使用ADC0809进行程序设计时，一般要包含以下基本步骤：
（1）初始化
设置ADC0809的IN0~IN7通道地址，设置存放结果的首单元地址和通道数。
（2）启动ADC0809
先送通道地址到ADDA~ADDC，由ALE锁存通道号地址，再让START有效启动A/D转换，
即执行一条“MOVX@DPTR,A”指令产生WR信号,使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。
（3）判断A/D转换是否结束
（4）读取转换结果
A/D转换完成后，EOC端会发出一个正脉冲，接着执行“MOVXA，@DPTR”指令产生RD信号,使OE端有效,打开锁存器三态门,8位数据就读入单片机中。
第四章硬件设计分析
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