数字电压表设计.docx

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数字电压表设计

单片机系统

课程设计

指导教师意见：

成绩:

签名：

年月日

1概述3

1.1研究背景3

1.2设计思想及基本功能3

2总体方案设计3

2.1方案选取3

2.1.1A/D转换模块选取3

2.1.2接口模块选取3

3硬件电路设计与实现4

3.1电压表的原理4

3.2电源的设计4

3.3A/D转换电路设计5

3.4单片机最小系统电路设计5

3.4.1复位电路部分5

3.4.2时钟电路设计5

3.5显示电路部分6

4系统软件设计7

4.1控制主程序设计7

4.2子程序设计8

4.2.1A/D转换程序8

4.2.2数据处理子程序9

4.2.3显示子程序11

4.3源程序代码12

5总结15

参考文献15

附录16

系统原理图16

元器件清单16

1概述

1.1研究背景

通过制作简易的数字电压，可以加深对我们所学专业的认识。

传统的指针式电压表用起来很直观易懂，但是数字电压表更加精确并且易读数，易修理，使用更加方便，成本低廉，生产效率等传统电压表无法比拟的优点，这使得它的开发和应用都具有良好的前景。

1.2设计思想及基本功能

该系统可由电压采集模块、A/D转换模块、主控模块和显示模块组成。

能实现的基本功能有能测量0—5V的输入电压值、测量精度为0.5V、将测量数值在4位数码管上显示出来、具有自动复位功能。

2总体方案设计

2.1方案选取

2.1.1A/D转换模块选取

方案一:

A/D转换模块可采用ICL7107型三位半显示的芯片，信号输入以后，流经取样电路取样后送到ICL7107型三位半A/D转换器，只需要很少的简单外围组件，就可以组成数字电流表模块，直接驱动三位半LED显示器显示，最后输入电压在显示部分显示。

由于我对ICL7107不熟悉，而且ICL7107做的LED数字表的最大的缺点就是数字乱跳不稳定,特别是最后的一位。

所以我决定不采用此方案。

方案二:

转换芯片采用ADC0809，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电。

具有8路模拟量输入、具有8位数字量输出功能的A/D转换器，转换时间100μs，模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准，功耗较低，约15mW。

由于具有很多模拟转换电路，通过对转换速度，精度和价格方面的综合考虑，所以选择方案二采用ADC0809为本次设计的转换芯片。

2.1.2接口模块选取

方案一：

使用数字电路译码芯片CD4543作为接口芯片，虽然这种方案可以实现功能，但是稳定性不高，结构复杂。

方案二：

采用AT89S51单片机自带接口作为系统的控制单元，通过A/D转换将被测值转换为数字量送入单片机中，再由单片机来送显。

此方案各类功能易于实现，成本低、功耗低，显示稳定。

通过对成本，方便性等综合考虑，选择方案二。

数字电压表设计框图

3硬件电路设计与实现

3.1电压表的原理

本次课程设计采用的是AT89S51单片机芯片与ADC0809A/D转换芯片构成的数字电压表。

该电路通过ADC0809单片机的采样输入口In0输入0-5V的模拟电压量，在经过A/D转换后，产生相对应的数字量并经过输出通道D0-D7传送给单片机AT89S51的P0口。

AT89S51芯片负责把收到的数字量数据处理，并产生出对应的7段数码管的显示段码，然后通过P1口经芯片SN74LS373驱动，然后传送给数码管。

然后通过P3.0、P3.1、P3.2这3个I/O接口产生位选通信号用来控制数码管的点亮与熄灭。

AT89S51也控制ADC0809。

其ALE管脚是为ADC0809提供1MHz工作的时钟脉冲，P2.3控制ADC0809的地址锁存端（ALE）；P2.4控制ADC0809的启动端（START），P2.5控制ADC0809的输出允许端（OE）；P3.7控制ADC0809的转换结束信号（EOC）。

3.2电源的设计

电源的最主要功能与任务提供稳定可靠的电压，供整个系统能正常的工作。

我国使用的是220V50Hz的交流电，而单片机的工作电压是直流+5V，因此电源要先通过一个普通的变压器降低电压，然后通过桥式整流，然后再通过7805芯片的进一步稳压，确保+5V电源的可靠和稳定。

7805集成稳压器是常用的固定输出+5V电压的集成稳压器。

它自带限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。

1引脚为输入端，2引脚为接地端，3引脚为输出端，使用十分得方便，可以在任何有交流电压的地方使用，不需另配电池。

通过整流滤波以后输出直流电压，为了确保使整个电路能正常工作，考虑到不接负载或电源电压有波动时电容能承受的耐压，必须加电容。

发光二极管D2点亮表示电源电路正常工作。

3.3A/D转换电路设计

A/D转换器一个非常重要的部分，单片机通过数模转换器把输入模拟量变成数字量再处理。

ADC如今主要分为4种，逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、并行式A/D转换器和计数比较式A/D转换器。

目前最常用的是双积分和逐次逼近式。

3.4单片机最小系统电路设计

3.4.1复位电路部分

当单片机通电时立即复位。

电容C和电阻R1具有电自动复位的功能。

3.4.2时钟电路设计

单片机工作的时钟信号的产生方式有两种，内部时钟方式和外部时钟方式。

图示是内部时钟方式。

单片机内部有一个构成振荡器的增益反相放大器，引脚XTAL1是放大器的输入端XTAL2是放大器的输出端，放大器和片外晶振一起构成自激振荡器。

电容C1和C2可取20PF，晶体的振荡频率取12MHz,晶体振荡频率高，系统的时钟频率高，单片机运行速度快。

最小系统总电路图

3.5显示电路部分

显示电路由4位一体的7段LED数码管构成，用来显示所测电压值。

该LED是一个共阳极的数码管，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，用于接收单片机芯片P1口发出的显示段码。

1，2，3，4引脚端为位选端，用于接收AT89S51的P3口产生的位选码。

采用动态扫描方式。

扫描方法为用接口电路把所有数码管的8个比划段a-g、DP同名端连在一起，单个数码管的公共极COM各自独立。

CUP从字段输出口送出字型码时，所有数码管接收到相同的字型码，哪个数码管亮，取决COM端。

COM端与单片机的I/O接口相连接，由单片机输出位位选码到I\O接口，控制何时哪一位数码管被点亮。

在轮流点亮数码管的位扫描过程中，每位数码管的点亮时间极为短暂。

但由于人的视觉暂留现象，给人的印象就是一组稳定显示的数码。

动态方式的优点是省电低功耗，在动态扫描过程中，只有一个数码管是处于工作状态的。

4系统软件设计

4.1控制主程序设计

初始化中主要对AT89S51，ADC0809的管脚和数码管的位选及所用到的内存单元70H,78H,79H,7AH进行初始化设置。

准备工作做好后便启动ADC0809对IN0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下图所示。

4.2子程序设计

4.2.1A/D转换程序

启动ADC0809芯片对模拟量的输入信号进行转换，通过判断EOC（P3.1引脚）来确定是否完成转换，若EOC为0，则继续等待；若EOC为1，则置位OE，转换完成的数据将存储到70H中。

4.2.2数据处理子程序

4.2.3显示子程序

显示子程序采用的是动态扫描法实现三位数码管的数值显示。

将测量得到的A/D转换数据存放在内存单元70H中，在显示时需把测量数据转换成10进制BCD码放在78H～7AH单元中。

寄存器R1为显示数据的地址指针。

4.3源程序代码

ORG0000H

LJMPSTART

ORG0003H

RETI

ORG000BH

RETI

ORG0013H

RETI

ORG001BH

RETI

ORG0023H

RETI

ORG002BH

RETI

ORG0030H

;初始化参数

START:

CLRA

SETBP3.7;初始化EOC

CLRP3.0;初始化LED位选，全不选中。

CLRP3.1

CLRP3.2

MOVP2,A;初始化P2口，清除ADC0809控制信号。

MOV70H,A;初始化数据采样后存储空间。

MOV78H,A;初始化数据处理后3位有效数字的存储空间（78H最高位，7AH最低位）。

MOV79H,A

MOV7AH,A

MOVA,#0FFH;初始化P0,P1口，输高电平。

MOVP0,A

MOVP1,A

;主程序

MAIN:

LCALLAD_SUB;调用A/D转换子程序，开始采样并转换。

LCALLTURN_SUB;调用数码转换子程序，将采样转换来的0-255转换成一一对应的

;0.00-5.00

LCALLDISP_SUB;调用显示子程序。

LJMPMAIN

;

====================================================================

;A/D转换子程序

AD_SUB:

CLRA

MOVP2,A;初始化P2口，清除对ADC0809的控制信号。

MOVR0,#70H

LCALLAD_ST;调用采样转换子程序

WAIT:

JBP3.7,DATASAVE;判断采样转换是否完毕,完毕则跳转到DATASAVE进行存储。

AJMPWAIT;否则继续等待。

;启动采样，送脉冲时序

AD_ST:

SETBP2.3;ALE脉冲时序

NOP

CLRP2.3

SETBP2.4;START脉冲时序（上跳清零，下跳开始转换）

NOP

CLRP2.4

NOP

RET

;采样转换的数据存储

DATASAVE:

SETBP2.5;置位OE端，允许ADC0809输出数据

MOVA,P0;将转换的数据存储到70H中

MOV@R0,A

CLRP2.5

CLRA;初始化P0,P1,P2口（P0,P1高电平，P2低电平）

MOVP2,A

MOVA,#0FFH

MOVP0,A

MOVP1,A

RET

;将0~255转换为0.00~5.00

TURN_SUB:

MOVA,@R0

MOVB,#51

DIVAB

MOV78H,A;以上这一段是整数部分（个位）放入78H

MOVA,B;余数部分放入A

CLRF0

SUBBA,#1AH;余数和51的一半即1AH比较，以便四舍五入

MOVF0,C

MOVA,#10

MULAB;余数乘以10，以便再除以51

MOVB,#51

DIVAB

JBF0,LOOP1;判断四舍五入，跳到LOOP1是“四舍”

ADDA,#5;这是“五入”

LOOP1:

MOV79H,A;十分位

MOVA,B

CLRF0

SUBBA,#1AH

MOVF0,C

MOVA,#10

MULAB

MOVB,#51

DIVAB

JBF0,LOOP2

ADDA,#5

LOOP2:

MOV7AH,A;百分位

RET

;

====================================================================

;显示子程序

DISP_SUB:

MOVR1,#78H;R1辅助寄存器，用于存放要显示的数据的地址（初始为最高位78H）

CLRA

MOVP1,#0FFH;初始化P1,P2口（P1高电平，P2低电平）

ANLP2,A

LCALLPLAY;调用显示位码子程序

CLRP1.7;显示最高位（个位）后的小数点

SETBP3.0;选中最高位LED数码管

LCALLDELAY;调用延迟子程序

CLRP3.0;取消最高位位选

INCR1;提取第二位有效数字（十分位）的数据地址（79H）

LCALLPLAY;调用显示位码子程序

SETBP3.1;选中第二位LED数码管

LCALLDELAY;调用延迟子程序

CLRP3.1;取消第二位位选

INCR1;提取最低位（百分位）的数据地址（7AH）

LCALLPLAY;调用显示位码子程序

SETBP3.2;选中最低位LED数码管

LCALLDELAY;调用延迟子程序

CLRP3.2;取消最低位位选

RET

;位码显示

PLAY:

MOVA,@R1;送偏移量

MOVDPTR,#TAB;送表首地址

MOVCA,@A+DPTR;查表得出相应LED段码

MOVP1,A;输出显示

RET

;

====================================================================

;延时程序

DELAY:

MOVR6,#10H

DL1:

MOVR7,#10H

DL2:

DJNZR7,DL2

DJNZR6,DL1

RET

;

====================================================================

;0－9段码

TAB:

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H

END

5调试

6总结

通过了两周的设计时间，我完成了单片机课程设计。

我的项目是通过AT89S51单片机主控与ADC0809数/模转换芯片结合的数字电压表。

通过本次设计，使我对单片机有了更进一步的了解。

在硬件连接方面还是在软件编程方面，都有不少的收获。

本次实验采用了AT89S51单片机芯片，与以往我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过查阅相关资料，我对其之间的区别有了一定的认识。

S51在C51的基础上增加了许多新的功能，功能更为完善，应用领域也更为广泛。

同时，由于设计能力有限，还有许多功能和技术没有充分研究，可能存在不合理的地方。

但是，一个完整的课程设计过程，让我掌握了单片机系统知识，尤其是熟悉了用protel画电路原理图和用visio画程序流程图。

这使我在动手能力方面有很大的提升，也给今后更成功、完善的设计打下坚实的基础。

参考文献

[1]张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术．北京：

国防工业出版社，2007

[2]夏路易石宗义．Protel99se电路原理图与电路板设计教程．北京：

北京希望电子出版社，2004

[3]阎石.数字电子技术基础.北京:

高等教育出版社,2009.

[4]伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书

附录

系统原理图

元器件清单

1K电阻

104电阻

10K电阻

2K电阻

R14

20PF电容

22uF电容

104电容

470UF/16V电容

470UF/25V电容

510电阻

R11

510电阻

R12

510电阻

R13

510电阻

R10

510电阻

7805三端稳压集成电路

ADC0809FN转换芯片

BRIDGE1桥式整流电路

LED发光二极管

PNP三极管

POWER

SN74LS14六路施密特触发反向器

SN74LS373具有三态输出的八路D类透明锁存器

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