基于51單片機的電壓表的設(shè)計

1、引言在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應(yīng)用1。 傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，進度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時代的需要。采用單片機的數(shù)字電壓表，將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，從而精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，

2、還可與PC實時通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)2。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表。目前，由各種單片機和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路（IC）和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的類型3。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化（IC化），另一方面，精度也從0.01%-0.005%。目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D

3、轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個方面4。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計為研究內(nèi)容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51再對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行運算處理，最后驅(qū)動輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號5。1 設(shè)計總體方案1.1設(shè)計要求：完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計；采用匯編或C語言編程；采用Proteus、KeilC等軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真調(diào)試。1.2設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計要求，選擇AT89C51單片機為核心控制器件。A/D轉(zhuǎn)換采用AD

4、C0808實現(xiàn)，與單片機的接口為P1口和P2口的高四位引腳。電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。1.3 設(shè)計方案主要設(shè)計如圖1.1：電壓采集模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機處理數(shù)碼管顯示圖1.1 設(shè)計方案主控芯片選用單片機AT89C51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0808實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。顯示部分選用一個四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管。1.4電路設(shè)計原理模擬電壓經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路篩減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換。然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。同時通過串行通

5、訊與上位通信。硬件電路及軟件程序。而硬件電路又大體可分為A/D轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路，程序的設(shè)計使用C語言編程，利用Keil和PROTEUS 軟件對其編譯和仿真。一般I/O接口芯片的驅(qū)動能力是很有限的，在LED顯示器接口電路中，輸出口所能提供的驅(qū)動電流一般是不夠的尤其是設(shè)計中需要用到多位LED，此時就需要增加LED驅(qū)動電路。在本設(shè)計中采用RESPACK上拉電阻來增加驅(qū)動能力。數(shù)據(jù)處理及控制模塊AT89C51P1P3顯示模塊4位一體LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)采集模塊ADC0808控制信號輸出顯示AnalogDigitalLED位控制信號P2P0圖1.2 原理電路本實驗采用AT89C51單片機芯片配合AD

6、C0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一個簡易的數(shù)字電壓表，原理電路如圖1.2所示。該電路通過ADC0808芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0D7傳送給AT89C51芯片的P1口。AT89C51負責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼，并通過其P0口傳送給數(shù)碼管。同時它還通過其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅。P3.0控制ADC0808的啟動端(START)和地址鎖存端（ALE）；P3.1控制ADC0808的輸出允許端(OE)；P3.2控制ADC0808的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號

7、(EOC)。2 程序設(shè)計2.1 程序設(shè)計總方案 根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖2.1所示。開始初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序結(jié)束圖2.1 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖2.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計2.2.1 初始化程序所謂初始化，是對將要用到的MCS_51系列單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等。2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流

8、程圖如圖2.2所示。開始啟動轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖2.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。在本設(shè)計中，為了簡化硬件設(shè)計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現(xiàn)11s定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。3 硬件電路設(shè)計3.1數(shù)字芯片A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)電路原理圖如圖3.1所示

9、，三個地址位ADDA,ADDB,ADDC均接地，因而所需測量的外部電壓可由ADC0808的IN0端口輸入。51系列單片機數(shù)字顯示A/D轉(zhuǎn)換 輸入電壓 圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換原理圖在A/D轉(zhuǎn)換開始之前，逐次逼近寄存器的SAR的內(nèi)容為0，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，SAR存放“試探”數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后，它的內(nèi)容即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字量。3.1.1 ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片簡介ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片如圖3.2。 圖3.2 ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信

10、號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換，實際使用時采用ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。引腳功能（外部特性）ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。各引腳功能如下： 15和2628（IN0IN7）：8路模擬量輸入端。 8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。 22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 6（START）： AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 7（EOC）： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信

11、號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10（CLK）：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：參考電壓輸入端 11（Vcc）：主電源輸入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。3.2 單片機的數(shù)據(jù)處理技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換完畢后，單片機的P1.6口接收到一高電平，立馬通過P3將OE置1，ADC0808的三態(tài)輸出鎖存器被打

12、開，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號經(jīng)過與D0D7相連的P0口進入AT89C51。AT89C51根據(jù)公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量，然后利用程序獲取模擬量的每一位，分別通過P2口輸出到LED上。與此同時，AT89C51會通過P2.0P2.3口選擇用哪一段LED顯示所傳出的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)P2.0P2.3=1110，則LED接收到的數(shù)據(jù)會在第四段LED上顯示。 另外，AT89C51一旦獲得了數(shù)據(jù)后便會將ST置0，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，知道LED獲得新的數(shù)據(jù)并顯示出來，ST才會重新置1。由于AT89C51轉(zhuǎn)換速率很快（微妙量級），所以不會影響其接收新的數(shù)據(jù)。3.2.1 AT89C51單片機簡介AT89C51單片機如圖3

13、.3。圖3.3 AT89C51單片機AT89C51是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8為單片機。將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C51有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。3.2.2主要功能特性：低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。兼容MCS51指令系統(tǒng)，8K可反復(fù)擦寫（>1000次）Flash ROM。3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，時鐘頻率0-24MHz。32個雙向I/O口，256B內(nèi)部RAM。2個

14、串行中斷，可編程UART串行通道。2個外部中斷源，共6個中斷源。2個讀寫中斷口線，3級加密位。3.3單片機控制的數(shù)碼管顯示技術(shù)3.3.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段，其中7個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖3.4所示:圖3.4 LED引腳排列3.3.2

15、 LED顯示器的選擇在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，數(shù)碼管有兩種：一種共陰極、另一種為共陽極，本次課程設(shè)計用的是共陰極。在本設(shè)計中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。如圖3.5所示，是一個共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中a,b,c,d,e,f,g為4位LED各段的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點引出端，4位一體LED數(shù)碼顯示管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后，引出到器件的外部

16、。圖3.5 共陰極4位一體數(shù)碼顯示管 3.3.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式，對于LED數(shù)碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序。本設(shè)計采用的是共陰極LED，其對應(yīng)的字符和字段碼如下表3.6所示。表3.6 共陰極字段碼表 顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH 4 硬件連接4.1 模擬輸入電路模擬輸入電路如圖4.1所示圖4.1模擬輸入電

17、路通過可變電阻一端接電源+5V，一端接地GND，在并聯(lián)一個標(biāo)準(zhǔn)電壓表，通過改變電阻的阻值，從而改變所測電壓值，實現(xiàn)電壓的模擬信號輸入。4.2 ADC0808芯片與單片機接口電路ADC0808芯片與單片機接口電路如圖4.2圖4.2ADC0808芯片與單片機接口電路ADC0808的輸出接到P1口，OUT1對應(yīng)的是最高位，START與ALE可以接在一起。在這里，START接P3.0，OE接P3.1，EOC接P3.2，ClOCK接P3.4。4.3 顯示電路顯示電路如圖4.3。圖4.3顯示電路通過P0口控制四位共陰極數(shù)碼管段選，通過P2口的低四位控制位選。值得注意的是P0需要接上拉電阻，否則P0會處于高

18、阻態(tài)。4.4 總電路設(shè)計原理：將模擬量通過IN0輸入，經(jīng)過ADC0808芯片轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量輸出到單片機P0口，經(jīng)過單片機處理后，送到四位共陰極數(shù)碼管上顯示。5 仿真5.1軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。Proteus軟件可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完

19、成單片機系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計，更為顯著點的特點是可以與u Visions3 IDE工具軟件結(jié)合進行編程仿真調(diào)試。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是匯編語言，用Keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C。5.2顯示結(jié)果及誤差分析仿真結(jié)果如下：當(dāng)輸入電壓在0-5V時，輸入電壓為2.60，顯示結(jié)果為2.658，如圖5.1所示，誤差為+0.058。圖5.1輸入電壓2.60顯示結(jié)果當(dāng)輸入電壓大于5V時，發(fā)光二極管會閃爍，LED燈則總顯示5.097，如圖5.2（）（）。(a)(b)圖5.2輸入電壓大于5V顯示結(jié)果誤差分析由于使用ADC08

20、08本身存在5/255的誤差，所以使得數(shù)碼管顯示的電壓值和輸入電壓顯示在標(biāo)準(zhǔn)電壓表上的電壓值存在誤差。結(jié) 論經(jīng)過一段時間的努力，畢業(yè)論文-基于51單片機的數(shù)字電壓表的設(shè)計基本完成。但設(shè)計中的不足之處仍然存在。這次設(shè)計是我第一次設(shè)計電路，并用Proteus實現(xiàn)了仿真。在這過程中，我對電路設(shè)計，單片機的使用等都有了新的認識。通過這次設(shè)計學(xué)會了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計和電路圖的仿真的設(shè)計流程，積累了不少經(jīng)驗?；趩纹瑱C的數(shù)字電壓表使用性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、外接元件少。測量電壓準(zhǔn)確，精度高。系統(tǒng)功能、指標(biāo)達到了課題的預(yù)期要求

21、、系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮了可擴展性，經(jīng)過一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計主要實現(xiàn)了數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能，詳細說明了從原理圖的設(shè)計、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。通過本次設(shè)計，我對單片機這門課有了進一步的了解。無論是在硬件連接仿真方面還是在軟件編程方面。本次設(shè)計采用了AT89C51單片機芯片，與以往的單片機相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。設(shè)計中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808，以前在學(xué)單片機課程時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設(shè)計，對它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識學(xué)得不夠扎實，對電路的仿真方面也不夠熟練

22、。總之這次電路的設(shè)計和仿真，基本上達到了設(shè)計的功能要求。在以后的實踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計方面的理論知識，并理論聯(lián)系實際，爭取在電路設(shè)計方面能有所提升。致謝經(jīng)過兩周時間的不懈努力，本次課程設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，由于是初次嘗試設(shè)計電路，知識及經(jīng)驗的匱乏，難免遇到很多困難，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)以及同學(xué)們的支持，很難順利的完成此次課程設(shè)計。從開始選題到論文的順利完成，都離不開老師、同學(xué)、朋友給以的幫助，在這里請接受我的謝意!首先，在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，從構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導(dǎo)，使我對課程的多方面的知識有了深刻的認識，使我得以最終完成課程設(shè)計，在此表示衷心感謝。其次，

23、感謝一起做課程設(shè)計的組員，還有幫助我的同學(xué)們，感謝你們給我的鼓勵，感謝你們在我遇到困難時所給的幫助，正是有了你們的幫助和鼓勵，此次課程設(shè)計才得以順利的完成。最后，本次設(shè)計得以順利完成，也要感謝導(dǎo)師組的楊老師，他們在本文寫作階段給出了許多寶貴意見。導(dǎo)師們的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學(xué)精神將永遠激勵著我。堅持下去一定會找出解決問題的方法。再次感謝給我鼓勵和幫助的老師和同學(xué)們，謝謝大家！參考文獻1于殿泓、王新年.單片機原理與程序設(shè)計實驗教程.西安電子科技大學(xué)出版社，2007年5月2謝維成、楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計實例.電子工業(yè)出版社，2006年3月3魏立峰.單片機原理及應(yīng)用技術(shù).北京大學(xué)出版社，2005年4宋鳳娟，孫軍，李國忠.基于89C51單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計J .工業(yè)控制計算機，2007年5張靖武、周靈彬，單片機系統(tǒng)的Proteus設(shè)計與仿真M，北京：電子工業(yè)出版社，2007年附錄1設(shè)計程序如下：#include<absacc.h>#inclu