单片机优秀课程设计数字电压表.doc

目 录
1 引言 1
2设计原理及要求 2
2.1数字电压表实现原理 2
2.2数字电压表设计要求 2
3软件仿真电路设计 3
3.1设计思绪 3
3.2仿真电路图 3
3.3设计过程 4
3.4 AT89C51功效介绍 4
3.4.1简单概述 4
3.4.2关键功效特征 5
3.4.3 AT89C51引脚介绍 5
3.5 ADC0808引脚及功效介绍 7
3.5.1芯片概述 7
3.5.2 引脚介绍 8
3.5.3 ADC0808转换原理 8
3.6 74LS373芯片引脚及功效 9
3.6.1芯片概述 9
3.6.2引脚介绍 9
3.7 LED数码管控制显示 9
3.7.1 LED数码管模型 9
3.7.2 LED数码管接口介绍 10
4系统软件程序设计 10
4.1 主程序 10
4.2 A/D转换子程序 11
4.3 中止显示程序 12
5电压表调试及性能分析 13
5.1 调试和测试 13
5.2 性能分析 14
6电路仿真图 14
7总结 15
参考文件 16
附录1 源程序 17
附录2 仿真原理电路 23

1 引言
伴随微电子技术不停发展，微处理器芯片集成程度越来越高，单片机已能够在一块芯片上同时集成CPU、存放器、定时器／计数电路，这就很轻易将计算机技术和测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采取数字化测量技术，把连续模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散数字形式并加以显示仪表。和此同时，由DVM扩展而成多种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提升到崭新水平。本章关键介绍单片机A/D 转换器和由它们组成基于单片机数字电压表工作原现在，由多种单片A/D 转换器组成数字电压表，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，示出强大生命力理。
本设计AT89C51单片机一个电压测量电路,该电路采取ADC0808一个基于A/D转换电路，测量范围直流 0～5V 4路输入电压值，并在四位LED数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019V，测量误差约为正负0.02V。

2设计原理及要求
此次设计思绪是利用单片机AT89C51和ADC0808设计一个数字电压表，测量0－5V之间直流电压值，然后经过四位数码显示，为了设计简单化我使用元器件数目较少。
2.1数字电压表实现原理
ADC0808是8位A/D转换器。当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（0FFH），所以最大分辨率为0.0196（5/255）。ADC0808含有8路模拟量输入端口，经过3位地址输入端能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮番改变3位地址输入端地址，就能依次对8 路输入电压进行测量。LED数码管显示采取软件译码动态显示。经过按键选择可对8路循环显示，也可单路显示，单路显示可经过按键选择显示通道数。
2.2数字电压表设计要求
能够测量0～5V范围内3路直流电压值。在4位LED数码管上轮番显示各路电压值或单路选择显示，其中3位LED数码管显示电压值，显示范围为0.00V～5.00V，1位LED数码管显示路数,3路分别为0-2。要求测量最小分辨率为0.02V。

3软件仿真电路设计
3.1设计思绪
多路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和按键处理电路组成，因为ADC0808在进行A/D转换时需要有CLK信号，本试验中ADC0808CLK直接由外部电源提供为500kHz方波。因为ADC0808参考电压VREF＝VCC，所以转换以后数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示电压值(D/256*VREF) ADC0808采取逐次迫近法转换，把模拟电压转换成16进制D，因为是对直流电压0～5V进行采集，所以D对应电压为V0 ，我们目标就是要把V0显示在LED显示器上，因为单片机不好进行小数点计算，所以有：V0=2*D扩大了100倍，扩大100倍后结果高八位放寄存器B，低八位放寄存器A，分寄存器B为0或不为0情况进行存取数据，得到结果个位放入R0，十位放入R1，经过查表使之显示在LED显示器。
3.2仿真电路图
用Protues软件仿真设计电路图3-1所表示。

图3-1 仿真电路
3.3设计过程
简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。电路原理图见附录2。A/D转换由集成电路0808完成。0808含有8路模拟输入端口，地址(23-25)脚可决定对哪路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出许可控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。10脚为0808时钟输入端，由外部信号源提供。单片机P1、P3.0-P3.3端口作为四位LED数码管现实控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0808A/D转换控制。
3.4 AT89C51功效介绍
3.4.1简单概述
AT89C51是一个带4K字节闪存可编程可擦除只读存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器，AT89C2051是它一个精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。外形及引脚排列图3-2所表示。

图3-2 AT89C51芯片模型
3.4.2关键功效特征
(1) 4K字节可编程闪烁存放器。
(2) 32个双向I/O口；128×8位内部RAM 。
(3) 2个16位可编程定时/计数器中止，时钟频率0-24MHz。
(4) 可编程串行通道。
(5) 5个中止源。
(6) 2个读写中止口线。
(7) 低功耗闲置和掉电模式。
(8) 片内振荡器和时钟电路。
3.4.3 AT89C51引脚介绍
89C51单片机多采取40只引脚双列直插封装(DIP)方法，下面分别简单介绍。
(1)电源引脚
电源引脚接入单片机工作电源。
Vcc(40引脚）：+5V电源。
GND(20引脚)：接地。
(2)时钟引脚
XTAL1(19引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。
XTAL2(20引脚)：片内振荡器反相放大器输出端。

图3-3 电源接入方法
(3)复位RST(9引脚)
在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。
(4)/Vpp(31引脚)
为外部程序存放器访问许可控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存放器，在PC值超出0FFFH后将自动转向外部程序存放器。当它为低电平时，只限定在外部程序存放器，地址为0000H~FFFFH。Vpp为该引脚第二功效，为编程电压输入端。
(5)ALE/(30引脚)
ALE为低八位地址锁存许可信号。在系统扩展时，ALE负跳沿江P0口发出第八位地址锁存在外接地址锁存器，然后再作为数据端口。为该引脚第二功效，在对片外存放器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。
(6)(29引脚)
片外程序存放器读选通信号。在单片机读片外程序存放器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读片外程序存放器选通信号。
(7) pin39-pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口。
P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流方法驱动八个LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存放器时，P0口是分时转换地址(低8位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。
(8)Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻8位双向I/0口。P1口能驱动4个LSTTL负载。
(9)Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口。
P2口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存放器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存放器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址外部数据存放器时其引脚上内容在此期间不会改变。
(10)Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口。
P3口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门第二功效。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存放器编程时，接控制信息。
3.5 ADC0808引脚及功效介绍
3.5.1芯片概述
ADC0808是一个经典A/D转换器。它是由8位A/D转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成； +5V单电源供电，转化 时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。芯片模型图3-4所表示。

图3-4ADC0808芯片模型
3.5.2 引脚介绍
(1) IN0~IN7：8路模拟量输入端。
(2) D0~D7：8位数字量输出端口。
(3) START：A/D转换开启信号输入端。
(4) ALE：地址锁存许可信号，高电平有效。
(5) EOC：输出许可控制信号，高电平有效。
(6) OE： 输出许可控制信号，高电平有效。
(7) CLK：时钟信号输入端。
(8)A、B、C：转换通道地址,控制8路模拟通道切换。A、B、C分别和地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，A、B、C=000~111分别对应IN0~IN7通道地址端口。
3.5.3 ADC0808转换原理
ADC 0808 采取逐次比较方法完成A/D转换，由单一+5V电源供电。片内带有锁存功效8路选1模拟开关，由A、B、C编码来决定所选通道。ADC0809完成一次转换需100μs左右，它含有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到AT89C51数据总线上。经过合适外接电路，ADC0808可对0~5V模拟信号进行转换。
3.674LS373芯片引脚及功效
3.6.1芯片概述
74LS373是一个带有三态门8D锁存器，其在本设计中是锁存P0口低8位地址，芯片模型图3-5所表示。
图3-5 74LS373芯片模型

3.6.2引脚介绍
(1) D0～D7:8位数据输入线；
(2) Q0～Q7:8位数据输出线
(3) G:数据输入锁存选通信号。当加到该引脚信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。
(4):数据输出许可信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线上，当该信号为高电平时，输出线为高阻态。
3.7 LED数码管控制显示
3.7.1 LED数码管模型
LED数码管模型图3-6所表示。
图3-6 LED数码管模型

3.7.2 LED数码管接口介绍
LED 段码端口A～G分别接至AT89C51P1.0～P1.7口，位选端1～4分别接至P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，图3-7所表示。

图3-7LED和AT89C51硬件连线

4系统软件程序设计
多路数字电压表系统软件程序关键有主程序、A/D转换子程序和中止显示程序组成。
4.1 主程序
主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和对应外部0中止显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00H位经过单路、循环按键控制。步骤图图4-1所表示。
开始
显示子程序
A/D转换子程序
初始化
图4-1主程序步骤图

4.2 A/D转换子程序
A/D转换子程序用于对ADC08084路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换数值存入4个对应存放单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，图4-2所表示。

进行十六进制调整
开始A/D转换
调用延时
存转换后十六进制数
数据指针加一
入栈保护
4路转换次数减一
显示电压值
N
Y
图4-2转换子程序步骤图

判定是否为0

4.3 中止显示程序
设计中采取中止方法来读取转换完成数据能节省CPU资源
当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中止0，然后在中止中读取转换数值，处理数据并送数码管显示输出。
LED 数码管采取软件译码动态扫描方法。在中止程序中包含多路循环显示程序和单路显示程序，多路循环显示程序把4个存放单元数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对目前选中一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制BCD码，放于4个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示经过标志位00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键判定。

数字量送P1口
取段码地址
P3.1=1？

调用循环显示程序
调用单路显示程序
显示是第4路
重新调用显示程序
N
Y
N
Y
图4-3中止显示程序步骤图

5电压表调试及性能分析
5.1 调试和测试
本设计应用Proteus6及KEIL51软件,首先依据自己设计电路图用Proteus6软件画出电路模型，相关这个软件使用经过查部分资料和自己探索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写程序进行编译、链接，假如没有错误和警告便可生成程序hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最终进行端口电压对比测试，测试第一路对比见图4-1中标准电压值采取Proteus6软件中模拟电压表测得。
图4-1数字电压表和标准电压表比较

从图中能够看出，简易数字电压表和“标准”数字电压表测得绝对误差均在0.02V以内，这和采取8位A/D转换器所能达成理论误差精度相一致，在通常应用场所能够完全满足要求。
5.2 性能分析
因为单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH）所以单片机最大数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表最大分辨率（精度）只能达成0.0196V。测试时电压数值改变通常以0.02V电压幅度改变，如要取得更高精度要求，应采取12位、13位A/D转换器。
简易数字电压表测得值基础上均比标准值偏大0.01-0.02V。这能够经过校正0808基准电压来处理，因为该电压表设计时直接用7805供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外能够用软件编程来校正测量值。
ADC0808直流输入阻抗为1M欧姆，能满足通常电压测试需要。另外，经测试ADC0808可直接在2MHz频率下工作，这么可省去分频率14024。

6电路仿真图
图6-1为4路通道用模拟电压表测得理论值。

图6-1模拟电压表测量结果

图6-2为进行模拟仿真时电路图

图6-2仿真时电路图

7总结
经过一周努力最终设计成功，LED显示结果和直接用数字电压表测试模拟量输入所得结果几乎一致，误差完全在合理范围之内。因为仪器误差，LED显示最大值只能是4.9V，离标准最大值5.0V已经不远，达成预期目标，设计成功。
本设计参考了教材上第十一章89C51和ADC0809转换接口连线，设计出电路图连线，从并中了解了很多基础知识和接线方法，在程序设计和电压表调试过程中中碰到了很多问题，刚开始时四个数码管根本不显示，以后发觉用是共阳极数码管，而设计是共阴极，更换后数码管最终显示，但问题又出现了，单路显示和循环显示开关不能控制电路单路显示和循环显示，经过仔细地检验电路和修改程序，采取中止方法，产生一次外部中止0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换模拟通道对应加一，假如按下循环按键就返回循环显示程序，功夫不负有心人，最终最终调试成功。
在此再次向率领我们这次课程设计老师说声：谢谢！

参考文件
[1] 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:
年1月第2次印刷
[2] 8051试验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技
[3] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理和设计(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版
社,
[4] 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践和应用[M].北京:清华大学出版社,
[5] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间一个方法［J］.电子技术应用.1993.第一期
[6] 高峰.单片微型计算机和接口技术[M].北京科学出版社,.
[7] 刘伟,赵俊逸,黄勇.一个基予C8051F单片机SOC型数据采录器设计和实现
[8]《新型AT89S52系列单片机及其应用》 孙育才 北京：清华大学出版社
-5
[9]《MCS-51系列单片机系统及其应用》 蔡美琴 高等教育出版
[10]《过程控制和仪表》 陈乐 中国计量学院出版社，-3

附录1 源程序
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP PINT0
MAIN:MOV 50H,#19H
MOV 54H,#78H
MOV DPTR,#7FF8H
MOV 51H,DPH
MOV 52H,DPL
MOV R0,#04H
MOV 53H,#00H
MOV R7,#00H
SETB EA
SETB IT0
SETB EX0
L4: MOV R1,#00H ;R1存放十六进制转换成十进制后低两位
MOV R2,#00H ;R2存放十六进制转换成十进制后高两位
MOV R3,#0FFH ;循环显示十进制数
MOV R4,#00H ;存放A/D转换后十六进制数
MOV R5,#00H ;存放0.5相加后数
MOVX @DPTR,A ;开始A/D转换
LCALL DELAY ;调用延时大于A/D转换时间
MOVX A,@DPTR ;取A/D转换后十六进制数
INC DPTR ;A/D转换芯片地址加一
PUSH DPL ;压入堆栈
PUSH DPH
DEC R0 ;4路转换次数减一
JZ SB2 ;判定是否是0V
MOV R4,A

L1:MOV A,R1 ;进行十六进制到十进制调整
ADD A,50H ;每次加19
DA A
MOV R1,A
JC L2 ;假如溢出则跳转到L2
MOV A,R5 ;进行0.5V相加
ADD A,54H
DA A
MOV R5,A
JC L3 ;假如溢出则跳转到L3
SB1:DJNZ R4,L1 ;判定十六进制数是否转换完成，假如没有则循环
MOV A,R5
SWAP A
ANL A,#0FH
MOV B,R1
ADD A,B
DA A
MOV R1,A
SB2:LCALL DISP
LCALL DJW
DJNZ R3,SB2
POP DPH
POP DPL
MOV A,53H
INC A
MOV 53H,A
CJNE R0,#00H,L4
LJMP MAIN
L2: CLR C
MOV A,R2
ADD A,#01H
DA A
MOV R2,A
LJMP SB1
L3: CLR C ;0.5V相加溢出后进位
MOV A,R1
ADD A,#01H
DA A
MOV R1,A
LJMP SB1
DISP:MOV A,R1 ;显示电压子程序
SWAP A
ANL A,#0FH
MOV DPTR,#TAB1
MOVC A,@A+DPTR
CLR P3.0
MOV P1,A
LCALL DELAY
SETB P3.0
MOV A,R2
ANL A,#0FH
MOV DPTR,#TAB1
MOVC A,@A+DPTR
CLR P3.1
MOV P1,A
LCALL DELAY
SETB P3.1
MOV A,R2
SWAP A
ANL A,#0FH
MOV DPTR,#TAB2
MOVC A,@A+DPTR
CLR P3.4
MOV P1,A
LCALL DELAY
SETB P3.4
RET
DJW:MOV A,53H ;显示第几路转换电压子程序
MOV DPTR,#TAB1
MOVC A,@A+DPTR
CLR P3.5
MOV P1,A
LCALL DELAY
SETB P3.5
RET
INTV: PUSH ACC ;只显示其中一路中止
PUSH 53H
MOV 53H,#00H
CX2: MOV R1,#00H
MOV R2,#00H
MOV R3,#0FFH
MOV R4,#00H
MOV DPH,51H
MOV DPL,52H
MOVX @DPTR,A
LCALL DELAY
MOVX A,@DPTR
MOV R4,A
JZ SB22
L11: MOV A,R1
ADD A,50H
DA A
MOV R1,A
JC L22
MOV A,R5 ;进行0.5V相加
ADD A,54H
DA A
MOV R5,A
JC L33
SB11:DJNZ R4,L11
MOV A,R5
SWAP A
ANL A,#0FH
MOV B,R1
ADD A,B
DA A
MOV R1,A
SB22:LCALL DISP
LCALL DJW
JNB P3.3,EXIT
DJNZ R3,SB22
JNB P3.2,CX1
LJMP CX2
L22:CLR C
MOV A,R2
ADD A,#01H
DA A
MOV R2,A
LJMP SB11
L33:CLR C
MOV A,R1
ADD A,#01H
DA A
MOV R1,A
LJMP SB11
CX1:INC R7
MOV A,53H
INC A
MOV 53H,A
MOV DPH,51H
MOV DPL,52H
INC DPTR
MOV 51H,DPH
MOV 52H,DPL
CJNE R7,#04H,CX2
MOV R7,#00H
MOV 53H,#01H
MOV DPTR,#7FF8H
MOV 51H,DPH
MOV 52H,DPL
LJMP CX2
EXIT:POP 53H
POP ACC
RETI
DELAY:MOV R6,#1H ;延时子程序
D1:MOV R5,#50H
D2:NOP
NOP
DJNZ R5,D2
DJNZ R6,D1
RET
TAB1:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;码表
DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH
TAB2:DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H ;小数点段码表
DB 0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH
END

原理电路