數(shù)字電壓表課程設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1、<p>　　單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　專 業(yè)： XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX</p><p>　　班 級： XXXXXXXXXXXXX </p><p>　　姓 名： XXXXXXXXXXXX </p><p>　　學(xué) 號：

2、 XXXXXXXXXXX </p><p>　　指導(dǎo)教師： XXXXXXXXXXXX </p><p>　　XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX</p><p>　　2013 年 3 月 14 日</p><p>　　基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)</p><p>&

3、lt;b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了一種基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0808來完成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量在傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89C51來完成，其負(fù)責(zé)把ADC0808傳送來的數(shù)字量經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行

4、顯示；此外,它還控制著ADC0808芯片工作。</p><p>　　該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和可靠性較高。此數(shù)字電壓表可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過一個四位一體的7段數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　關(guān)鍵詞:單片機(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　Design of Simple Digital

5、 Voltmeter Based on Single-chip Microcontroller </p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　This paper which introduces a kind of simple digital voltmeter is based on single-chip microcontr

6、oller design. The circuit of the voltage meter is mainly consisted of three mould pieces: A/D converting mould piece, A/D converting is mainly completed by the ADC0808, it converts the collected analog data into the digi

7、tal data and transmits the outcome to the manifestation controlling mould piece. Data processing is mainly completed by the AT89C51 chip, it processes the data produced by the ADC0808</p><p>　　The voltmeter

8、features in simple electrical circuit, lower use of elements, low cost, moreover, its measuring precision and reliability. The voltmeter is capable of measuring voltage inputs from 1 route ranging from 0 to 5 volt, and d

9、isplaying the measurements though a digital code tube of 7 pieces of LED.</p><p>　　Keywords :Single-chip microcontroller,Digital voltmeter,A/D converter</p><p>　　1、引言

10、 </p><p>　　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。與此同時，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提到了一個更高的水平。本設(shè)計(jì)主要用A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構(gòu)成的基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的工作原理。目

11、前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力理。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)的一種電壓測量電路，該電路采用ADC0808。本文介紹一種基于A/D轉(zhuǎn)換電路，測量范圍直流 0-5V的4路輸入電壓值，并在四位LED數(shù)碼管上顯示或單路選擇顯示。測量最小分辨率為0.019V，測量誤差約為正負(fù)0.02V。<

12、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)以AT89C51系列單片機(jī)為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓。ADC0808采用1路模擬量輸入，能夠測量0-5V之間的直流電壓值。電壓顯示屏采用4位一體的LED數(shù)碼管顯示，能夠顯示三位小數(shù)。設(shè)計(jì)盡量使用較少的元器件。 </p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)方案及原理</b></p><p><b>　　2.

13、1、設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　硬件電路設(shè)計(jì)由4個部分組成：A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)、LED顯示系統(tǒng)以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　2.2、數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)原理</p><p>　　利用A/D轉(zhuǎn)換電路將待測的模擬

14、信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過相應(yīng)換算后將測試結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來。在高精度數(shù)字電壓表中，常采用由積分式和比較式相結(jié)合起來的復(fù)合式A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，以逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808、LED四位數(shù)碼管為主體。</p><p><b>　　3、硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1、AT89C51的功能介紹</p>&

15、lt;p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51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(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，A

16、T89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排如圖2所示。 </p><p>　　圖2 AT89C51芯片模型</p><p>　　3.1.1、AT89C51芯片的各引腳功能</p><p>　　P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第

17、一種情況是AT89C51不帶外存儲器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。</p><p>　　P1口：這8個引腳和P0口的8個引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸

18、出數(shù)據(jù)。</p><p>　　P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　P3口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，</p&g

19、t;<p>　　Vcc為+5V電源線，Vss接地。</p><p>　　ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時，AT89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，AT89C51自動在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。</p><p>

20、;　　/EA:片外存儲器訪問選擇線，可以控制AT89C51使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內(nèi)ROM, 若/EA=0，則只使用片外ROM。</p><p>　　/PSEN：片外ROM的選通線，在訪問片外ROM時，AT89C51自動在/PSEN線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。</p><p>　　RST：復(fù)位線，可以使AT89C51處于復(fù)位(即初始

21、化)工作狀態(tài)。通常AT89C51復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。</p><p>　　XTAL1和XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接AT89C51片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時反饋回路。</p><p>　　Vcc為+5V電源線，Vss接地。</p><p>　　3.2、ADC0808的引腳及功能介紹</p>

22、;<p>　　ADC0808是一種典型的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC 0808和ADC 0809除精度略有差別外(前者精度為8位、后者精度為7位)，其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件，不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而又把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回檢測和過程控制、運(yùn)動控制中應(yīng)用十分廣泛。它是由8位

23、A/D轉(zhuǎn)換器，一個8路模擬量開關(guān)，8位模擬量地址鎖存譯碼器和一個三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成；+5V單電源供電，轉(zhuǎn)化時間在100us左右；內(nèi)部沒有時鐘電路，故需外部提供時鐘信號。芯片模型如圖3所示。</p><p>　　圖3 ADC0808芯片模型</p><p>　　3.2.1、引腳簡介 </p><p>　　(1)IN0~IN7：8路模擬量輸入端。</p>

24、;<p>　　(2)D0~D7：8位數(shù)字量輸出端口。</p><p>　　(3)START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。</p><p>　　(4)ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。</p><p>　　(5)EOC：輸出允許控制信號，高電平有效。</p><p>　　(6)OE：輸出允許控制信號，高電平有效。</p&g

25、t;<p>　　(7)CLK：時鐘信號輸入端。</p><p>　　(8)A、B、C：轉(zhuǎn)換通道地址,控制8路模擬通道的切換。A、B、C分別與地址線或數(shù)據(jù)線相連，三位編碼對應(yīng)8個通道地址端口，A、B、C=000~111分別對應(yīng)IN0~IN7通道的地址端口。</p><p>　　3.2.2、ADC0808的轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　ADC0808采用逐

26、次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。ADC0808完成一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，它具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到AT89C51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚珹DC0808可對0~5V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　3.3、LED顯示器的選擇</p><p>　　在應(yīng)用系統(tǒng)中，

27、設(shè)計(jì)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,在本設(shè)計(jì)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。</p><p>　　4-LED顯示器引腳如圖4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，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(diǎn)引出端

28、，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(dú)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。</p><p>　　對于這種結(jié)構(gòu)的LED顯示器，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計(jì)要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式顯示。</p><p>　　圖4 4位LED引腳</p><p>　　3.4、LED顯示器與單片機(jī)

29、接口設(shè)計(jì)</p><p>　　由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負(fù)載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)是一個非常重要的問題。</p><p>　　為了簡化數(shù)字式直流電壓表的電路設(shè)計(jì)，在LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

30、上，可以利用單片機(jī)P0口上外接的上拉電阻來實(shí)現(xiàn)，即將LED的A-G段顯示引腳和DP小數(shù)點(diǎn)顯示引腳并聯(lián)到P0口與上拉電阻之間，這樣，就可以加大P0口作為輸出口的驅(qū)動能力，使得LED能按照正常的亮度顯示出數(shù)字。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　主程序的內(nèi)容包括：起始地址、中斷服務(wù)程序的起始地址、有關(guān)內(nèi)存單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序的調(diào)用等。

31、根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出如圖5所示的主程序流程圖。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)：模數(shù)轉(zhuǎn)換采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。A/D轉(zhuǎn)換程序的功能是采集數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)置好后,當(dāng)輸入為高電平則轉(zhuǎn)換完成，將轉(zhuǎn)換的數(shù)值顯示輸出。若輸入為低電平，則繼續(xù)掃描。程序流程圖如圖6所示。</p><p>

32、　　圖5 主程序流程圖</p><p>　　圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖</p><p>　　4.1、顯示子程序

33、 </p><p>　　顯示子程序采用動態(tài)掃描實(shí)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(jìn)行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，為了簡化硬件設(shè)計(jì)，使結(jié)

34、構(gòu)圖簡單、明確，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實(shí)現(xiàn)11μs定時，通過軟件延時程序來實(shí)現(xiàn)5ms的延時。</p><p>　　4.2、總體電路設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)過程，可設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的簡易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 硬件電路總圖</p><p>　　5、系統(tǒng)仿真及

35、其調(diào)試</p><p><b>　　5.1、顯示結(jié)果</b></p><p>　　(1)當(dāng)IN0口輸入電壓值為1.50V時，顯示結(jié)果如圖8所示，測量誤差為0.009V。</p><p>　　圖8 1.5V顯示結(jié)果 圖9 5.0V顯示結(jié)果</p><p>　　(2)當(dāng)IN0口

36、輸入電壓值為5.00V時，顯示結(jié)果如圖9。測量誤差為0.002V。</p><p><b>　　5.2、誤差分析</b></p><p>　　由于單片機(jī)AT89C51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255，因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為0.0196V(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，從上表可看到，測試電壓

37、一般以0.01V的幅度變化。</p><p>　　從仿真可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上與標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏離0-0.01V，這可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決。因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。若要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計(jì)算程序的除數(shù)進(jìn)行調(diào)整就可以進(jìn)行其他電壓值得測量了。</p><p><b>

38、　　6、總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過一段時間的努力，課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)計(jì)中還是有許多的不做之處。這次是我第一次設(shè)計(jì)電路，并用Proteus實(shí)現(xiàn)了仿真。在這過程中，我對電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的原理和使用等都有了新的認(rèn)識。通過這次設(shè)計(jì)，我學(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(jì)、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。&

39、lt;/p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，我對單片機(jī)這門課有了進(jìn)一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設(shè)計(jì)采用了AT89C51單片機(jī)芯片，與以往的單片機(jī)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(jì)中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808，以前在學(xué)單片機(jī)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(jì)，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

40、實(shí)，對電路的仿真方面也不夠熟練。在以后的實(shí)踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方面的理論知識，并理論聯(lián)系實(shí)際，爭取在電路設(shè)計(jì)方面能有所提升。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王思明,張金敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.</p><p>　　[2]李華,王思明.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M

41、].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2001</p><p>　　[3]唐穎,任條娟.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2008 </p><p>　　[4]謝維成,楊加國.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

42、 </p><p>　　[5]宋鳳娟,孫軍,李國忠.基于89C51單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)[J].上海:工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　源程序代碼</b></p><p>　　#inc

43、lude<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char#define uint unsigned int</p><p>　　#define AD_data P3 </p><p>　　//AD0808 數(shù)據(jù)輸出端#define LED_port P0 //數(shù)碼管段#define LE

44、D_pos P1 //數(shù)碼管位</p><p>　　sbit START=P2^5;sbit O E=P2^6;sbit EOC=P2^7; sbit ALE=P2^2;</p><p>　　uint DCtemp=0; //電壓臨時數(shù)據(jù)</p><p>　　uchar code LED_seg[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

45、0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; uchar code pos[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};function: input: output:explain: 延時函數(shù)，void Delay(uchar t) //延時函數(shù) { uchar i,j,k; for(i=0;i<t;i++) for(j=0;j<20;j++) for

46、(k=0;k<20;k++) ;}function: input: output: //采集到的數(shù)值explain: //AD0808控制，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換uchar AD_get(){ uchar DCdata; START=0; ALE=1; </p><p>　　//因?yàn)槟M輸入只采用一路，地址段直 </p><p>　　接接地，使用I

47、N0作為輸入端 START=1; START=0; ALE=0; while(EOC==0) ; OE=1; DCdata=AD_data; OE=0; Delay(10); return DCdata;}function: input: output:explain: </p><p>　　//將ADC0808讀取數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓值(擴(kuò)大了100倍)void

48、AD_shift(uchar DCdata){ uchar i; float DC=0; for(i=0;i<8;i++) { if(DCdata&1<<i) { DC+=(1<<i)*19.6; } } DCtemp=(int)DC; }function: shift input: output:explain: </p>&

49、lt;p>　　//將電壓值的每一位放到數(shù)組中void value_shift(uchar value[]){ value[0]=DCtemp/1000; value[1]=DCtemp/100%10; value[2]=DCtemp/10%10; value[3]=DCtemp%10;}function: display input: output:explain: //數(shù)碼管顯示void Displa

50、y(uchar value[]){ uchar i; for(i=0;i<4;i++) { LED_pos=pos[i]; //位控制 if(i==0) LED_port=LED_seg[value[i]]+0x80; //段碼 </p><p>　　input: output:explain: void main() els

51、e LED_port=LED_seg[value[i]]; Delay(1</p><p>　　} }function:</p><p>　　{ uchar value[4]; </p><p>　　while(1) { AD_shift(AD_get()); value_shift(value); Display(value)

52、; }</p><p><b>　　}</b></p><p>　　input: output:explain: void main(){ uchar value[4]; </p><p>　　while(1) { AD_shift(AD_get()); value_shift(value); Displa