基于51單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1、五邑大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于51單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)學(xué) 院：信息工程學(xué)院專 業(yè)：交通工程（交通控制與管理）班 姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)老師：完成日期：2015年01月05日目錄1 引言12 設(shè)計(jì)方案13 元器件34 實(shí)際電路85 單片機(jī)程序106 電路板制作15 7總結(jié)168附錄169參考文獻(xiàn)17 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 1引言 在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)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

2、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。 傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，進(jìn)度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需要。采用單片機(jī)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(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC實(shí)時(shí)通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)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(jī)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。 目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精

3、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(gè)方面。 本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51再對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號(hào) 2 設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求 以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表。采用中斷方式，對2路05V的模擬電壓進(jìn)行循環(huán)采集，采集的數(shù)據(jù)送LED顯示，并存入內(nèi)存。超過界限時(shí)指示燈閃爍。為了稍微增加一點(diǎn)難度，我加入測量溫度的功能。 2.2 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求

4、，選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件。A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實(shí)現(xiàn)，與單片機(jī)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。2.3 設(shè)計(jì)方案將被測電壓輸入ADC0808的電壓輸入端口，進(jìn)行采集。接著，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后，通過控制單片機(jī)的內(nèi)部程序，讓單片機(jī)系統(tǒng)按照規(guī)定的時(shí)序來采集ADC0808輸入的數(shù)字信號(hào)，并通過算法計(jì)算出被測電壓的值。最后，單片機(jī)再將計(jì)算好的電壓值，按照一定的時(shí)序送入LED數(shù)碼管中，讓其顯示。同時(shí)，設(shè)置監(jiān)測電路，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。

5、2.4 流程圖 圖1：設(shè)計(jì)方案流程圖 3 元器件3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊一個(gè)n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于位數(shù)和時(shí)鐘周期，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實(shí)際中廣泛使用。3.1.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器及控制電路組成。它利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位一次開始逐位試探比較。轉(zhuǎn)換過程如下：開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上

6、述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量5。其原理框圖如圖2所示：順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器ADC電壓比較器輸入電壓輸入數(shù)字量圖2 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖3.1.2 ADC0808 ADC0808是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，帶有使能控制端，與微機(jī)直接接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于ADC0808設(shè)計(jì)時(shí)考慮到若干種模/數(shù)變換技術(shù)的長處，所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域5。ADC0808主要特性:8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位；具有鎖存

7、控制的8路模擬開關(guān)；易與各種微控制器接口；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；轉(zhuǎn)換時(shí)間：128s；轉(zhuǎn)換精度：0.2%；單個(gè)+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0- +5V，無需外部零點(diǎn)和滿度調(diào)整；低功耗，約15mW6。3.1.3 ADC0808的外部引腳特征 ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖3所示。 圖3 ADC0808引腳圖下面說明各個(gè)引腳功能:IN0-IN7（8條）：8路模擬量輸入線，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。地址輸入控制（4條）：ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，為地址輸入線，用于選擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進(jìn)行A

8、/D轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線，用于選擇8路模擬輸入中的一路，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示：表1 ADC0808通道選擇表地址碼 對應(yīng)的輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START：START為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC: EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。D1-D8：數(shù)字量輸出端，D1為高位。

9、OE：OE為輸出允許端，高電平能使D1-D8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。REF+、REF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。Vcc、GND: Vcc為主電源輸入端，GND為接地端，一般REF+與Vcc連接在一起，REF-與GND連接在一起. CLK:時(shí)鐘輸入端。3.1.4 ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程ADC0808由8路模擬通道選擇開關(guān)，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖4 ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中：（1）8路模擬通道選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)從8路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進(jìn)行

10、比較。（2）地址鎖存與譯碼器用于當(dāng)ALE信號(hào)有效時(shí)，鎖存從ADDA、ADDB、ADDC 3根地址線上送來的3位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號(hào)，從8路模擬通道中選擇當(dāng)前模擬通道。（3）比較器，8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路組成8位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)START信號(hào)有效時(shí)，就開始對當(dāng)前通道的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到8位三態(tài)鎖存器，同時(shí)通過引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。（4）三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng)OE信號(hào)有效時(shí)，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。ADC0808的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器從

11、8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。（2）送START一高脈沖，START的上升沿使逐次寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號(hào)為低電平。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使EOC信號(hào)回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。（4）當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時(shí)，使OE為高電平，則從輸出端D0-D7讀出數(shù)據(jù)。3.2. LED數(shù)碼管 3.2.1 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(jià)格便宜、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)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

12、8個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段，其中7個(gè)長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)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5所示: 圖5 LED數(shù)碼管引腳排列 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(dòng)電路的設(shè)計(jì)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口作為輸出口德驅(qū)動(dòng)能力，使得LED能按照正常的亮度顯示出數(shù)字，如圖6所示 圖6LED與單片機(jī)接口間的設(shè)計(jì)3.3.MCS-51系列單片機(jī)AT89C51 這是本次設(shè)計(jì)的核心器件，

13、主要負(fù)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LED顯示段碼，同時(shí)，它還通過其四位I/O口，產(chǎn)生位選信號(hào)控制數(shù)碼管的亮滅。3.3.1總線型DIP40引腳封裝電源引腳（2個(gè)）VCC：接+5V電源。GND：接地端。外接晶體引腳（2個(gè)）XTAL1：外接晶振輸入端（采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地）。XTAL2：外接晶振輸入端（采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)輸入端）。并行輸入/輸出引腳（32個(gè)）P0.0P0.7：通用I/O引腳。P1.0P1.7：通用I/O引腳。P2.0P2.7：通用I/O引腳或數(shù)據(jù)低8位地址總線復(fù)用引腳。P3.0P3.7：通用I/O引腳或第二功能引腳（RXD、TXD、INT0

14、、INT1、T0、T1、WR 、 RD）?？刂埔_（4個(gè)）RST/VPD：復(fù)位信號(hào)輸入引腳/備用電源輸入引腳。ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳/編程脈沖輸入引腳。EA/VPP：內(nèi)、外存儲(chǔ)器選擇引腳/片內(nèi)EPROM(或Flatiron)編程電壓輸入引腳。PSEN：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出引腳。 4 實(shí)際電路4.1電路設(shè)計(jì)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下圖所示。此電路的工作原理是：+5V模擬電壓信號(hào)通過變阻器VR1分壓后由ADC0808的IN0通道進(jìn)入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低電平），經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)

15、生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0-D7傳送給AT89C51芯片的P1口，AT89C51負(fù)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)碼管的顯示段碼傳送給四位LED，同時(shí)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(hào)控制數(shù)碼管的亮滅。此外，AT89C51還控制ADC0808的工作,此外，我們還可以通過編程來實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，就可以選取相應(yīng)的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細(xì)地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在pr

16、otues軟件仿真后的電路圖是4.2電路分析 我們開始的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)就是一個(gè)數(shù)字電壓表，而最后我們新添加一個(gè)測量溫度的功能。按鈕1是切換兩個(gè)測量電壓的通道，按鈕2是切換電壓和溫度的通道。首先，+5V模擬電壓信號(hào)通過變阻器VR1分壓后由ADC0809的通道進(jìn)入,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D0-D7傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制ADC0809.然后單片機(jī)負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字信號(hào)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，并且傳送給四位數(shù)碼管，同時(shí)通過單片機(jī)四位I/O口產(chǎn)生位選信號(hào)控制數(shù)碼管的亮滅。此外，我們通過編寫程序，利用18b20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測，將溫度數(shù)據(jù)傳

17、送給單片機(jī)處理，由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并在LED數(shù)碼管中顯示溫度數(shù)據(jù)。 5 單片機(jī)程序#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code LEDData=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f ,0x40;uchar code LEDData1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xef,0xef ;/帶小數(shù)點(diǎn)的0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 用于百位的顯示sbit OE = P

18、26; /ADC輸出允許端口sbit AT = P30; / 通道選擇端口sbit ST = P25; / ADC啟動(dòng)端口 sbit P35 =P36; / LED 端口 sbit P36 =P37; /揚(yáng)聲器端口sbit CLK=P27;sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;sbit EOC=P24;sbit DQ=P31; /溫度傳感器信號(hào)線 unsigned char flag;unsigned char WD;void delay(uint t) /1ms延時(shí)函數(shù) uint i; while(t-) for (i=0;i

19、0;i-) /讀取8位數(shù)據(jù) DQ = 0; /數(shù)據(jù)線置低電平 dat=1; /讀出的數(shù)據(jù)最低位再最前面，這樣剛好一個(gè)字節(jié)在dat里 DQ = 1; /將數(shù)據(jù)線拉到高電平 if(DQ) dat|=0x80; Tdelay(4); return(dat); /返回?cái)?shù)據(jù) WriteOneChar(uchar dat) /寫一個(gè)字節(jié) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; Tdelay(5); DQ = 1; dat=1; uint ReadTemperature(void) /讀取溫度 uchar a=0; uchar b=0; uin

20、t t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); WriteOneChar(0x44); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); WriteOneChar(0xBE); a=ReadOneChar(); b=ReadOneChar(); /*t=b;t255) b+; /如果低8位大于255，向高8位進(jìn)1t=b;t=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*10+0.5; delay(11) ; t=b;t=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*10+0.5; del

21、ay(11) ; return(t*10); void display(uchar L1,uchar L2,uchar L3) /溫度數(shù)據(jù)顯示程序 P21=0;P0=L1;delay(1); P21=1; P22=0;P0=L2;delay(1); P22=1; P23=0;P0=L3;delay(1);P23=1; if(flag=1)P20=0;P0=0x40;delay(1);P20=1; void Display_Result(uchar d) /電壓顯示部分uchar t;uchar s; uchar w; /采集的數(shù)值為duchar y;t=d/51; /分出百位s=d%51;/余

22、數(shù)存入s中w=s/5;/分出十位y=s%5; /分出個(gè)位P23 = 0;P0 = LEDDatay;delay(1);P23=1;P22 = 0; /顯示個(gè)位十位百位數(shù)值，其中百位調(diào)用有小數(shù)點(diǎn)的代碼P0 = LEDDataw;delay(1); P22 = 1;P21=0; P0 = LEDData1t; delay(1); P21=1;P20=0;P0 = LEDData0; delay(1); P20=1;void main() uchar i,d,temp,s;EA=1; EX0=1;IT0=1; /2個(gè)中斷開啟，都采用跳沿觸發(fā)EX1=1; IT1=1;AT=0; /初始選擇通道INT0

23、WD=0; /初始選擇讀取電壓while(1)CLK=0;TMOD=0x10;TH1=(65536-100)/256; TL1=(65536-100)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1;ST = 0; ST = 1; /開啟ADC轉(zhuǎn)換ST = 0; while(1) if(WD=0)do while(!EOC);OE = 1;/ADC輸出允許 d=P1; for(i=0;i8;i+) temp=tempi;if(s&0x01)temp=temp|0x01; d=temp;Display_Result(d);/顯示數(shù)值 if(AT=0)/當(dāng)選擇通道INT0時(shí) if(d0x80)/電

24、壓超過2.5V P35=0; / 揚(yáng)聲器響，LED亮P36=0;delay(10); /延時(shí)后LED滅，實(shí)現(xiàn)LED閃爍P35=1;delay(10); elseP35=1; /電壓未超過1.25V時(shí)，揚(yáng)聲器不響，LED也不亮P36=1;else /若選擇通道INT1if(d0xC0) /電壓超過3.75V時(shí)P35=0; / 揚(yáng)聲器響，LED亮P36=0;delay(10);P35=1; /延時(shí)后LED滅，實(shí)現(xiàn)LED 閃爍delay(10); elseP35=1; /電壓未超過2.5V時(shí)，揚(yáng)聲器不響，LED也不亮P36=1;OE = 0; /輸出允許關(guān)閉ST = 0;ST = 1; /開啟ADC

25、轉(zhuǎn)換ST = 0; else uint i; P35=1; / 揚(yáng)聲器不響，LED也不亮 P36=1; i=ReadTemperature(); display(LEDDatai/1000,LEDData1i%1000/100,LEDDatai%100/10); void INTT0() interrupt 0 WD=!WD; /功能選擇 的中斷程序 void INTT1() interrupt 2 AT=!AT; /通道選擇 的中斷程序 void T1ZD()interrupt 3 TH1=(65536-100)/256; TL1=(65536-100)%256; CLK=CLK; 6硬件制造流程6.1 PCB圖6.2制板流程洗板熱轉(zhuǎn)印鉆孔腐蝕銅板除碳涂松脂焊元器件 7 總結(jié)通過這次比較完整的設(shè)計(jì)，使我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)