數(shù)字電壓表的設計 課程設計

1、一 . 系統(tǒng)硬件電路圖1.1 系統(tǒng)原理框圖選擇at89c51作為單片機芯片，選用四位8段共陰極led數(shù)碼管實現(xiàn)電壓顯示，利用adc0809作為數(shù)模轉換芯片。將數(shù)據(jù)采集接口電路輸入電壓傳入adc0809數(shù)模轉換元件，經(jīng)轉換后通過d0至d7與單片機p0口連接，把轉換完的模擬信號以數(shù)字信號的信號的形式傳給單片機，信號經(jīng)過單片機處理從led數(shù)碼顯示管顯示。p2口接數(shù)碼管位選，p1接數(shù)碼管，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，如圖4.1所示。at89c51p1 p0p3 p2ad0809d0d7in0in7vref+vref- clkoest、ale四位數(shù)碼管位選段選控制線數(shù)據(jù)待測電壓圖4.1 系統(tǒng)原理框圖 1.2at

2、89c51的結構 at89c51單片機是一種帶4k字節(jié)flash存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃速存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c51單片機為很

3、多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。 1.3at89c51內(nèi)部結構概述 1 4k字節(jié)可編程flash存儲器2 壽命：1000寫/擦循環(huán)3 數(shù)據(jù)保留時間：10年4 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz5 三級程序存儲器鎖定6 1288位內(nèi)部ram7 32可編程i/o線8 兩個16位定時器/計數(shù)器9 5個中斷源10 可編程串行通道11 低功耗的閑置和掉電模式1.4 cpu結構cpu 是單片機的核心部件。它由運算器和控制器等部件組成。1.運算器 運算器以完成二進制的算術/邏輯運算部件alu為核心。它可以對半字節(jié)（4）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進行操作。例如，能完成加、減、乘、除、加

4、1、減1、bcd碼十進制調(diào)整、比較等算術運算，完成與、或、異或、求反、循環(huán)等邏操作，操作結果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器。運算器還包含有一個布爾處理器，用以處理位操作。它以進位標志位c為累加器，可執(zhí)行置位、復位、取反、位判斷轉移，可在進位標志位與其他可位尋址的位之間進行位數(shù)據(jù)傳誦等操作，還可以完成進位標志位與其他可位尋址的位之間進行邏輯與、或操作。2.程序計數(shù)器pcpc是一個16位的計數(shù)器，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kb，pc有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1。3.指令寄存器 指令寄存器用于存放指令代碼。cpu執(zhí)行指令時，由程序存儲器中讀取的指令代碼送如指令

5、寄存器，經(jīng)指令譯碼器譯碼后由定時有控制電路發(fā)出相應的控制信號，完成指令功能。 1.5 存儲器和特殊功能寄存器1. 存儲器（memory）是計算機系統(tǒng)中的記憶設備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。2.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（sfr）的地址范圍為80hffh。在mcs51中，除程序計數(shù)器pc和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這sfr塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶號的可位尋址。特殊功能寄存器

6、反映了8051的狀態(tài)，實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于cpu psw便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關，另一類作片內(nèi)功能的控制用。與芯片引腳有關的特殊功能寄存器是p0p3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個i/o口一個），每個鎖存器附加有相應的輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器就構成了一個并行口。mcs51共有p0p3四個這樣的并行口，可提供32根i/o線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器a、標志寄存器psw、數(shù)據(jù)指針dptr等的功能前已提及。1.6 p0-p3口結構p0口功能 ：p0口具有兩種功能：第一，p0口可以作為通

7、用i/o接口使用，p0.7p0.0用于傳送cpu的輸入/輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)時可以得到鎖存，不需外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖。第二，p0.7p0.0在cpu訪問片外存儲器時用于傳送片外存儲器de低8位地址，然后傳送cpu對片外存儲器的讀寫p1口 功能 ：p1口的功能和p0口de第一功能相同，僅用于傳遞i/o輸入/輸出數(shù)據(jù)。 p2口的功能 ：p2口的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，即它可以作為通用i/o使用。它的第二功能和p0口引腳的第二功能相配合，作為地址總線用于輸出片外存儲器的高8位地址。 p3口功能 ：p3口有兩個功能：第一功能與其余三個端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每

8、個引腳都不同。 表4.1 p3口第二功能引腳名稱功能p3.0rxd串行數(shù)據(jù)接收口p3.1txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送口p3.2int0外中斷0輸入p3.3int1外中斷1輸入p3.4t0計數(shù)器0計數(shù)輸入p3.5t1計數(shù)器1計數(shù)輸入p3.6wr外部ram寫選通信號p3.7rd外部ram讀選通信號1.7時鐘電路和復位電路1.時鐘電路單片機的時鐘一般需要多相時鐘，所以時鐘電路由振蕩器和分頻器組成。 mcs-51內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的可控高增益反向放大器。兩個引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。在片外跨接一晶振和兩個匹配電容c1、c2如圖2.5所示。就構成一個自激振蕩器。振蕩頻率根據(jù)實

9、際要求的工作速度，從幾百千赫至24mhz可適當選取某一頻率。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，xtal2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 匹配電容c1、c2要根據(jù)石英晶體振蕩器的要求選取。當晶振頻率為12mhz時,c1c2一般選30pf左右。圖2.5中pd是電源控制寄存器pcon.1的掉電方式位，正常工作方式pd=0。當pd=1時單片機進入掉電工作方式，是一種節(jié)能工作方式。上述電路是靠mcs-51單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生振蕩的。也可以由外部振蕩器或時鐘直接驅(qū)動mcs-51。 圖4.3 復位電路的內(nèi)部及外部方式2.復

10、位電路復位是單片機的初始化操作。其功能主要是將程序計數(shù)器(pc)初始化為0000h，使單片機從0000h單元開始執(zhí)行程序，并將特殊功能寄存器賦一些特定值。復位是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)一種操作。復位是上電的第一個操作，然后程序從0000h開始執(zhí)行。在運行中，外界干擾等因素可能會使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛”。要使其進入正常狀態(tài)，唯一辦法是將單片機復位，以重新啟動。復位后，程序計數(shù)器(pc)及各特殊功能寄存器(sfr)的值如表4.2所示。 程序計數(shù)器及各特殊功能寄存器的復位值寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)pc0000hth100hacc00hp0p3ffhpsw00hipx

11、x000000bsp07hie0xx00000bdptr0000htmod00htcon00hscon00htl000hsbuf不定th000hpcon0xxx0000btl100hrst引腳是復位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續(xù)兩個機器周期以上的高電平，單片機復位。rst引腳內(nèi)部有一個斯密特st觸發(fā)器(圖2.10)以對輸入信號整形，保證內(nèi)部復位電路的可靠，所以外部輸入信號不一定要求是數(shù)字波形。使用時，一般在此引腳與vss引腳之間接一個8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間接一個約10f的電解電容，即可保證上電自動復位。圖4.4自動和手動復位電路圖上電或手動復位要求電源接通后，單片機自動復位

12、，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。上電后，由于電容c3的充電和反相門的作用，使rst持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵k后松開，也能使rst為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或手動復位的操作。 1.8 分頻器adc0809的時鐘頻率是640k,現(xiàn)在單片機的晶振是11mhz。故需要采用分頻，分頻就是用同一個時鐘信號通過一定的電路結構轉變成不同頻率的時鐘信號。四分頻就是通過有分頻作用的電路結構，在時鐘每觸發(fā)4個周期時，電路輸出1個周期信號。比如用一個脈沖時鐘觸發(fā)一個計數(shù)器，計數(shù)器每計4個數(shù)就清零一次并輸出1個脈沖，那么這個電路就實現(xiàn)了四分頻功能。下圖為四分頻電

13、路。1.9 量程轉換電路電壓表所需的量程是20mv-200v，所以要根據(jù)電壓的不同采取量程轉換電路。-2-如上圖通過電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)電壓衰減測量的輸入阻抗約為r，r1，r2，r3，r4。s1至s4單獨合上時vout的大小分別為s1單獨合上vout=vin*1 s2vout=vin*(r2+r3+r4)/(r1+r2+r3+r4) s3vout=vin*(r3+r4)/(r1+r2+r3+r4)選擇r1r2r3r4由式中可以看出vout在一定范圍時電阻網(wǎng)絡衰減程度越大其可輸入電壓vin范越大只要把r1，r2，r3，r4的參數(shù)選好然后由s1，s2，s3，s4選擇測量電壓輸出端即完成量程選擇例如表頭dv

14、m輸入電壓為05伏設dvm輸入阻抗無窮大，計算出r1,r2,r3,r4,r5,分別為9m,900k,90k,9k,1k. 1.10 顯示器本次設計中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管，led點陣，1602液晶，12864液晶等。1. 數(shù)碼管是最常用的一種顯示器件，它是由幾個發(fā)光二極管組成的8字段顯示器件，其特點是價格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅(qū)動每光，發(fā)光響應時間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長。但數(shù)碼管只能是顯示09的數(shù)據(jù)。不能夠顯示字符。這也是數(shù)碼管的不足之處。2. led點陣顯示器件是由好多個發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視

15、角大，壽命長，耐濕，冷，熱等特點，led點陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英文字符，中文字符等。3. 1602液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16*2即32個字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。使用時直接編寫軟件程序按一定的時序驅(qū)動即可。它的特點是顯示字跡清楚，價格相對便宜。4. 12864液晶也是一種工業(yè)字符型液晶，它不僅能夠顯示1602液晶所可以顯示的字符，數(shù)字等信息，而且還可以顯示8*4個中文漢字和一些簡單的圖片，顯示信息也非常的清楚。使用時也直接

16、編寫軟件程序按一定的時序驅(qū)動即可。不過它的價格比1602液晶貴了很多。綜合上述，根據(jù)本設計的要求和價格的考慮，選擇數(shù)碼管顯示器。單位數(shù)碼管如圖4.4所示，四位共陰極數(shù)碼管如圖4.5所示。圖4.4 單位數(shù)碼管圖4.5 四位共陰極數(shù)碼管1.11 模數(shù)（a/d）芯片a/d轉換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機通過a/d轉換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。a/d轉換的常用方法有：計數(shù)式a/d轉換，逐次逼近型a/d轉換，雙積分式a/d轉換， v/f變換型a/d轉換。在這些轉換方式中，記數(shù)式a/d轉換線路比較簡單，但轉換速度較慢，所以現(xiàn)在很少應用。雙積分式a/d轉換精度高，多用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較

17、高的場合，如5g14433（31/2位），ad7555（41/2位或51/2位）等，但速度更慢。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號的a/d轉換器，以滿足不同應用場合的需要。如果按照轉換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式a/d轉換器、逐次逼近式a/d轉換器和并行式a/d轉換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。(1)a/d芯片的比較 雙積分式a/d轉換器具有抗干擾能力強、轉換精度高、價格便宜等優(yōu)點，比如icl71xx系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分相比，逐次逼近式a/d轉換的轉換速度更快，而且精度更高，比如adc0808、adc0809等，它們通

18、常具有8路模擬選通開關及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機進行分析和顯示。1. ad0809是8位逐次逼近型a/d轉換器，它是由一個8路的模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個a/d 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用a/d 轉換器進行轉換。些a/d轉換器是的特點是8位精度，屬于并行口，如果輸入的模擬量變化大快，必須在輸入之前增加采樣電路。2. ad0832也是8位逐次逼近型a/d轉換器，可支持致命傷個單端輸入通道和一個差分輸入通道。它易于和微處理器接口或獨立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選通各輸入通道。

19、3. tlc2543c是12位開關電容逐次逼近a/d轉換，每個器件有三個控制輸入端，片選，輸入/輸出時鐘以及地址輸入端。它可以從主機高速傳輸轉換數(shù)據(jù)。它有高速的轉換，通用的控制能力，具有簡化比率轉換，刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離，耐高溫等特點。綜合上述，逐次逼近型a/d轉換既照顧了轉換速度，有具有一定的精度，這里選用的是逐次逼近型的a/d轉換芯片adc0809。圖4.6 adc0809內(nèi)部結構 圖4.6 adc0809引腳圖（2）adc0809 的工作原理 1.in0in7：8 條模擬量輸入通道 adc0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放

20、大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條。ale 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a， b，c 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。a，b 和c 為地址輸入線，用于選通in0in7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表4.3所示。表4.3 adc0809通道選擇表2.數(shù)字量輸出及控制線：11 條 st 為轉換啟動信號。當st 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d 轉換；在轉換期間，st 應保持低電平。eoc 為轉換結束信號

21、。當eoc 為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行a/d 轉換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。oe1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；oe0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0 為數(shù)字量輸出線。 clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz， vref（），vref（）為參考電壓輸入。 3. adc0809 應用說明 adc0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51 單片機直接相連。 初始化時，使st 和oe信號全為低電平。 送要轉換的哪一通道的地址到a，b，c 端口上。 在st 端給出

22、一個至少有100ns 寬的正脈沖信號。 是否轉換完畢，我們根據(jù)eoc 信號來判斷。 當eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe 為高電平，轉換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。ad0809的啟動方式為脈沖啟動方式，啟動信號start啟動后開始轉換，eoc 信號在start 的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待eoc無效后再開始查詢，轉換完成后，eoc 輸出高電平，再由oe 變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D換數(shù)據(jù)。我們在設計程序時可以利用eoc 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動ad0809 后經(jīng)適當?shù)难訒r再讀入已轉換的數(shù)據(jù)。at89s51的輸出頻為晶振頻的1/6（2mhz），at

23、89s1 與sun7474連接經(jīng)與7474的st腳提供ad0809 的工作時鐘。ad0809 的工作頻范圍為10khz-1280khz,當頻率范圍為500khz 時，其轉換速度為128us。 系統(tǒng)原理圖 輸入電路a/d轉換器單片機顯示器邏輯控制器時鐘脈沖 數(shù)字電壓表基本組成框圖二， 程序流程圖與源程序2.1 程序流程圖 初始化開始st、oe端口拉低st上升沿清除ad緩存器clk提供ad工作的時鐘信號st下降沿，ad開始轉換轉換結束？p1口讀取數(shù)據(jù)，存儲在地址70h數(shù)據(jù)除以51，商為電壓整數(shù)部分，儲存在地址71h余數(shù)乘以10后，再除以51，為電壓小數(shù)相應位部分，分別儲存在地址72h74h電壓小數(shù)

24、相應位加5調(diào)整余數(shù)25?四位處理完？nyp2口為位選延時1.5msp0分別賦地址71h74h里的值，p0口為段選查詢數(shù)碼管顯示表四位顯示完？返回程序開始圖 5.1 程序流程圖ny開始ad采集函數(shù)數(shù)據(jù)處理函數(shù)顯示函數(shù)圖5.2主函數(shù)流程圖2.2 存儲空間定義安排（1）70h用于存放a/d轉換結果，71h、72h、73h、74h分別存儲顯示用的三位數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1存儲空間定義表70h用于存放a/d轉換結果71h電壓值整數(shù)部分72h74h電壓值小數(shù)部分（2）地址30h39h存放顯示在數(shù)碼管上09的數(shù)。如表5.2所示。 表5.2 數(shù)碼管表存儲數(shù)據(jù)地址存儲值數(shù)碼顯示值30h3fh031h06h132h5bh233h4fh334h66h435h6dh536h7dh637h07h738h7fh839h6fh9 三 數(shù)字電壓表的介紹模擬電壓表具有電路簡單、成本低、測量方便等特點，但測量精度較差，特別是受表頭精度的限制，即使采用0.5級的高靈敏度表頭，讀測時的分辨力也只能達到半格。再者，模擬式電壓表的