基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)1

1、 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 學(xué) 院（系）： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 自動(dòng)化 1101 指 導(dǎo) 老師： 廖曉波 學(xué) 生 姓名： 陳德兵 學(xué) 號(hào)： 201140142 負(fù) 責(zé) 部分： adc0808 西南科技大學(xué)城市學(xué)院 citycollegeofsouthwestuniversityofcitycollegeofsouthwestuniversityof scienceandtechnologyscienceandtechnology 摘 要 本文介紹了一種基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要由三個(gè) 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

2、要由芯片 adc0808 來(lái) 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)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處 理則由芯片 at89c51 來(lái)完成，其負(fù)責(zé)把 adc0808 傳送來(lái)的數(shù)字量經(jīng)過(guò)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)行顯示；此外,它還控制著 adc0808 芯片工作。該系 統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡(jiǎn)單，所用的元件較少，成本低，且測(cè)量精度和可靠性較高。此 數(shù)字電壓表經(jīng)過(guò) proteus 軟件仿真和調(diào)試，可以測(cè)量 0-5v 的 1 路模擬直流輸入電壓值， 并通過(guò)一個(gè)四位一體的 7 段數(shù)碼管顯示出來(lái)。 關(guān)鍵詞 數(shù)字電壓表；a/d 轉(zhuǎn)換;at89c51；adc0808；proteus su

3、mmarythis paper introduces a design based on single chip microcomputer digital voltmeter.this design is mainly composed of three modules:a/d conversion module, data processing module and display module.a/d conversion is mainly competed by the chip adc0808, it is responsible for the collection to the

4、 analog conversion to the corresponding digital quantity and then transferred to the data processing module,data processing is done by chip at89c51,it is responsible for the send adc0808 to digital quantity through certain data processing,generating the corresponding display code sent to the display

5、 module,in addition, it also controls the adc0808 chip.the system of the digital voltmeter circuit is simple, the less components, low cost, and high measurement accuracy and reliability,the digital voltmeter through the proteus software simulation and debugging, can measure of 0 to 5 v analog dc in

6、put voltage value, and through a four one of the seven segment digital tube display. key wordsdigital voltmeter. a/d conversion; at89c51. adc0808; proteus 目 錄 1 引言.1 1.1 數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.2 本課題研究的主要內(nèi)容.1 2 設(shè)計(jì)總體方案.2 2.1 設(shè)計(jì)要求.2 2.2 設(shè)計(jì)思路.2 2.3 設(shè)計(jì)方案.2 3 硬件電路設(shè)計(jì).3 3.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊.3 3.1.1 逐次逼近型 a/d 轉(zhuǎn)換器原理.3 3.1.2

7、adc0808 主要特性.3 3.1.3 adc0808 的外部引腳特征.4 3.1.4 adc0808 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程.5 3.2 單片機(jī)系統(tǒng).7 3.2.1 at89c51 性能.7 3.2.2 at89c51 各引腳功能.7 3.3 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路.10 3.3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì).10 3.3.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì).10 3.4 led 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì).11 3.4.1 led 基本結(jié)構(gòu).11 3.4.2 led 顯示器的選擇.11 3.4.3 led 譯碼方式.12 3.4.4 led 顯示器與單片機(jī)接口設(shè)計(jì).13 3.5 電壓調(diào)節(jié)電路及聲光報(bào)警電路.13 3.5.1 電壓調(diào)節(jié)電路

8、.13 3.5.2 聲光報(bào)警電路.14 3.6 總體電路設(shè)計(jì).14 4 程序設(shè)計(jì).16 4.1 程序設(shè)計(jì)總方案.16 4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì).16 4.2.1 初始化程序.16 4.2.2 a/d 轉(zhuǎn)換子程序.16 4.2.3 顯示子程序.17 4.3 仿真.17 4.3.1 軟件調(diào)試.17 4.3.2 顯示結(jié)果及誤差分析.18 參考文獻(xiàn).21 附錄.21 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 0 頁(yè) 1 引言 1.1 數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀 在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)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(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電

9、壓表就成為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表簡(jiǎn)稱 dvm，它是采用數(shù)字化測(cè)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(cè)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(jìn)度低，容易引起視差和視覺(jué)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)2。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

10、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。 最近的幾十年來(lái)，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(cè)量技術(shù)也有了巨大的進(jìn)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。數(shù)字電壓表從 1952 年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了不斷改進(jìn)的過(guò)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 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

11、低成本這兩個(gè) 方面。 1.2 本課題研究的主要內(nèi)容 本文是以數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)為研究?jī)?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(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，控制核心 at89c51 再對(duì)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)。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 1 頁(yè) 2 設(shè)計(jì)總體方案 2.1 設(shè)計(jì)要求 以 mcs-51 系列單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流數(shù)字電壓表。 采用 1 路模擬量輸入，能夠測(cè)量 0-5v 之間的直流電壓值。 電壓顯示用 4 位一體的 led 數(shù)碼管顯示，至少能夠

12、顯示兩位小數(shù)。 盡量使用較少的元器件。 2.2 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，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 硬件電路設(shè)計(jì)由 6 個(gè)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)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及測(cè)量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖 2.1 所示。 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 a/d 轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電壓輸入 顯示

13、系統(tǒng) at89c51 p1 p2 p2 p0 圖 2.1 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 2 頁(yè) 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊 現(xiàn)實(shí)世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 （a/d 轉(zhuǎn)換器） ，a/d 轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種 a/d 芯 片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式 a/d 轉(zhuǎn)換器具有抗干擾 能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。與雙積分相比，逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 速度更快，而且精度更高，比如 adc0809、adc0808 等，它們通常具有 8 路模擬選通開(kāi) 關(guān)及地址譯碼、鎖

14、存電路等，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機(jī)進(jìn)行 分析和顯示。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(kāi)始逐位試探比較。 轉(zhuǎn)換過(guò)程如下： 開(kāi)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

15、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)上述過(guò)程直 至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。其原理框圖如 圖 3.1 所示： 順序脈沖 發(fā)生器 主次逼近 寄存器 adc 輸入數(shù)字量輸入電壓 電壓 比較器 圖 3.1 逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器原理圖 3.1.2 adc0808 主要特性 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(kāi)關(guān)，可以對(duì) 8 路 0-5v 輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí) 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 3 頁(yè) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于 adc0808 設(shè)計(jì)

16、時(shí)考慮到若干種模/數(shù)變換技術(shù)的長(zhǎng)處，所以該芯片非常 適應(yīng)于過(guò)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；具有鎖存控制的 8 路模擬開(kāi)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(wú)需外部零點(diǎn)和滿度調(diào)整；低功耗，約 15mw。 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 3.2 所示。 圖 3.2 adc0808

17、引腳圖 下面說(shuō)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/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(duì)應(yīng)關(guān)系 如表 3.1 所示： 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 4 頁(yè) 表 3.1 adc0808 通道選擇表 start：start 為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線上正脈沖由 cpu 送來(lái)，寬度應(yīng)大于 100ns，

18、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。 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(kāi)關(guān)，地址鎖存與

19、譯碼器，比較器，8 位開(kāi)關(guān)樹(shù)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 3.3 所示。 地址碼 c b a 對(duì)應(yīng)的輸入通道 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 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 5 頁(yè) 圖 3.3 adc0808 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 其中： （1）8 路模擬通道選擇開(kāi)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、add

20、b、addc 3 根 地址線上送來(lái)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(kāi)關(guān)樹(shù)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(kāi)始對(duì)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(guò)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 8 路

21、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。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 6 頁(yè) （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 單片機(jī)系統(tǒng) 3.2.1 at89c51 性能 at89c51 是美國(guó) atmel 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 cmos8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4kb 的可反復(fù)擦寫的

22、只讀程序存儲(chǔ)器和 128 字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。該器件采用 atmel 高密度 非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel 的 at89c51 是一種高效微控制 器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 at89c51 功能性能:與 mcs-51 成品指令系統(tǒng)完全兼容；4kb 可編程閃速存儲(chǔ)器；壽 命：1000 次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年；全靜態(tài)工作：0-24mhz；三級(jí)程序存儲(chǔ) 器鎖定；128*8b 內(nèi)部 ram；32 個(gè)可編程 i/o 口線；2 個(gè) 16 位定

23、時(shí)/計(jì)數(shù)器；5 個(gè)中斷源； 可編程串行 uart 通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式。 3.2.2 at89c51 各引腳功能 at89c51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4kb 的 flash 閃速存儲(chǔ)器，128b 內(nèi)部 ram，32 個(gè) i/o 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口， 片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)，at89c51 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可 選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 cpu 的工作，但允許 ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信 口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存 ram 中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他 所有工作直到下一個(gè)硬

24、件復(fù)位。at89c51 采用 pdip 封裝形式，引腳配置如圖 3.4 所示。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 7 頁(yè) 圖 3.4 at89c51 的引腳圖 at89c51 芯片的各引腳功能為： p0 口：這組引腳共有 8 條，p0.0 為最低位。這 8 個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別 適用于不同的情況，第一種情況是 89c51 不帶外存儲(chǔ)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(shí)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；第二種情況是 89c51 帶片外存儲(chǔ)器，p0.0-p0

25、.7 在 cpu 訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址， 然后傳送 cpu 對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。p0 口為開(kāi)漏輸出，在作為通用 i/o 使用時(shí)， 需要在外部用電阻上拉。 p1 口：這 8 個(gè)引腳和 p0 口的 8 個(gè)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(shí)，p1.0-p1.7 的功能和 p0 口的第一功能相同，也用于傳送 用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 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(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存

26、儲(chǔ)器單元，但并不是像 p0 口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 8 頁(yè) p3 口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功 能，每個(gè)引腳并不完全相同，如下表 2 所示： p3 口各位第二功能 p3.0 rxt（串行口輸入） p3.1 txd（串行口輸出） p3.2 /int0（外部中斷 0 輸入） p3.3 /int1(外部中斷 1 輸入) p3.4 t0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入） p3.5 t1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入） p3.6 /wr（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許） p3.7 /rd（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許） 表 3.

27、2 p3 口各位的第二功能 vcc 為+5v 電源線，vss 接地。 ale：地址鎖存允許線，配合 p0 口的第二功能使用，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，89c51 的 cpu 在 p0.0-p0.7 引腳線去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問(wèn)片外存 儲(chǔ)器時(shí)，89c51 自動(dòng)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(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。 /ea:片外存儲(chǔ)器訪問(wèn)選擇線，可以控制 89c51 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。 /psen：片外 rom 的選通線，在訪問(wèn)片外

28、rom 時(shí)，89c51 自動(dòng)在/psen 線上產(chǎn)生一 個(gè)負(fù)脈沖，作為片外 rom 芯片的讀選通信號(hào)。 rst：復(fù)位線，可以使 89c51 處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常 89c51 復(fù)位有自 動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。 xtal1 和 xtal2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來(lái)外接石英晶體和微調(diào)電容， 即用來(lái)連接 89c51 片內(nèi) osc(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 9 頁(yè) 3.3 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 3.3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使 cpu 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的 初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。mc

29、s-51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 rst,采用施密特觸 發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí) 器件復(fù)位1。復(fù)位完成后，如果 rst 端繼續(xù)保持高電平，mcs-51 就一直處于復(fù)位狀態(tài)， 只要 rst 恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自 動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖 3.5 是 51 系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電 路，只要 vcc 上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，它們都能很好的工作。 圖 3.5 復(fù)位電路 3.3.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)中 cpu 每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié) 拍進(jìn)行，而這個(gè)

30、時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。cpu 執(zhí)行一條指令的各個(gè) 微操作所對(duì)應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。mcs-51 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相 放大器，用于構(gòu)成震蕩器，xtal1 為該放大器的輸入端，xtal2 為該放大器輸出端，但 形成時(shí)鐘電路還需附加其他電路1。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路 簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)晶振和 2 個(gè)電容即可，如圖 3.6 所示。 圖 3.6 時(shí)鐘電路 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 10 頁(yè) 電路中的器件選擇可以通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)， 電路中，電容器 c1 和 c2 對(duì)震蕩頻率

31、有微調(diào)作用，通常的取值范圍是 3010pf，在這 個(gè)系統(tǒng)中選擇了 33pf；石英晶振選擇范圍最高可選 24mhz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生 的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是 12mhz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為 12mhz。 3.4 led 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.4.1 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(jiǎn)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 6。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 8 個(gè)發(fā)光二極管 組成顯示字段，其中 7 個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形

32、，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(guò)不同的組合可用來(lái)顯示各種數(shù) 字。led 引腳排列如下圖 3.7 所示: 圖 3.7 led 引腳排列 3.4.2 led 顯示器的選擇 在應(yīng)用系統(tǒng)中，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(hào)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，簡(jiǎn)稱“4-led” 。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個(gè)位，后兩位顯示電 壓的小數(shù)位。 4-led 顯示器引腳如圖 3.8 所示，是一個(gè)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

33、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 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 11 頁(yè) 端，dp 是小數(shù)點(diǎn)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(gè)單獨(dú)的 led 組 成，每個(gè) led 的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后，引出到器件的外部。 圖 3.8 4 位 led 引腳 對(duì)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(dòng)態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選 線并聯(lián)在一起，用一個(gè) i/o 接口控制）顯示。 3.4.3 led 譯碼方式 譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的字

34、段碼的方式，對(duì)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(lái)實(shí)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(guò)譯碼程序來(lái)得到要顯示的字符的字段碼， 譯碼程序通常為查表程序3。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中為了簡(jiǎn)化硬件線路設(shè)計(jì)，led 譯碼采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本設(shè)計(jì) 采用的是共陰極 led，其對(duì)應(yīng)的字符和字段碼如下表 3.3 所示。 表 3.3 共陰極字段碼表 顯示字符共陰極字段碼 03fh 106h 25bh 34fh 466h 56dh 67dh 707h 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 12 頁(yè) 87fh 96fh 3.4

35、.4 led 顯示器與單片機(jī)接口設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動(dòng) led 顯示器，所以，在一般情況下，必須采用 專用的驅(qū)動(dòng)電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作7。如果驅(qū)動(dòng)電 路能力差，即負(fù)載能力不夠時(shí)，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動(dòng)電路長(zhǎng)期在超負(fù)荷下運(yùn)行 容易損壞，因此，led 顯示器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。 為了簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)能力，使 得

36、 led 能按照正常的亮度顯示出數(shù)字，如圖 3.9 所示。 圖 3.9 led 與單片機(jī)接口間的設(shè)計(jì) 3.5 電壓調(diào)節(jié)電路及聲光報(bào)警電路 3.5.1 電壓調(diào)節(jié)電路 通過(guò)滑動(dòng)電阻器調(diào)節(jié)電壓，在儀表上顯示出來(lái)，調(diào)節(jié)電路如圖 3.10： 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 13 頁(yè) 圖 3.10 3.5.2 聲光報(bào)警電路 當(dāng)任一一個(gè)電壓表獲得的電壓值超過(guò)設(shè)定閥值，本電路中閥值為 1v，揚(yáng)聲器和二極管會(huì)工作， 揚(yáng)聲器發(fā)出一定頻率的“嗶哱”聲音，同時(shí)二極管發(fā)光。如圖 3.11 圖 3.11 3.6 總體電路設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)以上的設(shè)計(jì)過(guò)程，可設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如 圖 3.12

37、 所示。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 14 頁(yè) 圖 3.12 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表 proteus 仿真 此電路的工作原理是：+5v 模擬電壓信號(hào)通過(guò)變阻器 vr1 分壓后由 adc08008 的 in7 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(guò)模/數(shù) 轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)其四位 i/o 口 p2.0、p2.1、p2.2、p2.3 產(chǎn)

38、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。其中，單片機(jī) at89c51 通過(guò)定 時(shí)器中斷從 p2.4 輸出方波，接到 adc0808 的 clock,p2.6 發(fā)正脈沖啟動(dòng) a/d 轉(zhuǎn)換， p2.5 檢測(cè) a/d 轉(zhuǎn)換是否完成，轉(zhuǎn)換完成后，p2.7 置高從 p1 口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給 led 顯示出來(lái)3。 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(duì)電壓的測(cè)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。 單片

39、機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 15 頁(yè) 4 程序設(shè)計(jì) 4.1 程序設(shè)計(jì)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(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，如圖 4.1 所示。 開(kāi)始 調(diào)用a/d轉(zhuǎn)換子程序 調(diào)用顯示子程序 結(jié)束 初始化 圖 4.1 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖 4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 4.2.1 初始化程序 所謂初始化，是對(duì)將要用到的 mcs-51 系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)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(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開(kāi)中斷 和打開(kāi)定時(shí)器等。 4.2.2 a/d 轉(zhuǎn)換子程序 a/d 轉(zhuǎn)換子程

40、序用來(lái)控制對(duì)輸入的模塊電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入 相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖 4.2 所示。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 16 頁(yè) 啟動(dòng)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 4.2 a/d 轉(zhuǎn)換流程圖 4.2.3 顯示子程序 顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式 時(shí)，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(shí)，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔 10ms 對(duì) led 進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位 led 的顯示時(shí)間為 1ms。 在本設(shè)

41、計(jì)中，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，主要采用軟件定時(shí)的方式，即用定時(shí)器 0 溢出 中斷功能實(shí)現(xiàn) 11s 定時(shí)，通過(guò)軟件延時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn) 5ms 的延時(shí)。 4.3 仿真 4.3.1 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯(cuò)誤，錯(cuò)誤主要包括邏輯和功能錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤有些 是顯性的，而有些是隱形的，可以通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。proteus 軟件可以 對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸 開(kāi)始 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 17 頁(yè) 如 led/lcd、鍵盤、rs232 終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。proteus 支持 的微處理芯片包括 8051 系

42、列、avr 系列、pic 系列、hc11 系列及 z80 等等。proteus 可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、pcb 設(shè)計(jì)，更為顯著點(diǎn)的特點(diǎn)是可以與 u visions3 ide 工具軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試8。 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(yǔ)言，用 keil 軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。 4.3.2 顯示結(jié)果及誤差分析 顯示結(jié)果 1.當(dāng) in0 輸入電壓值為 3.50v 時(shí)，顯示結(jié)果如圖 4.3 所示。測(cè)量誤差為 0.02v。 圖 4.3 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 18 頁(yè) 圖 4.4 2.

43、 當(dāng) in0 口輸入電壓值為 2.50v 時(shí)，顯示結(jié)果如圖 4.4。測(cè)量誤差為 0.02v。輸入電 壓為 3.50v 時(shí)，led 的顯示結(jié)果為 3.48v，輸入電壓為 3.50v 時(shí)，led 的顯示結(jié)果為 3.48v，在多次試驗(yàn)中，電路中儀表的值總與 led 屏顯示的值有一定的差值，因?yàn)樵跀?shù) 模轉(zhuǎn)換及 led 屏限流電阻上的電壓損耗，使到達(dá)最終 led 的電壓有略微降低是正常的， 在誤差范圍之內(nèi)。 實(shí)物運(yùn)行圖：系統(tǒng)通電后，兩個(gè)電壓數(shù)據(jù)交替循環(huán)顯示，時(shí)間間隔為 1s。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 19 頁(yè) 結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)過(guò)這一段時(shí)間的努力，課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)

44、計(jì)中 的一些細(xì)微之處不是很完善。在電路中用 proteus 軟件實(shí)現(xiàn)了仿真，在這過(guò)程中，使 我對(duì)電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)的使用等都有了新的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)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)、功能模塊的劃分、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)。 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表使用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、外接元件少。在實(shí)際應(yīng) 用工作應(yīng)能好，測(cè)量電壓準(zhǔn)確，精度高。系統(tǒng)功能、指標(biāo)達(dá)到了課題的預(yù)期要求、系 統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了可擴(kuò)展性，經(jīng)過(guò)一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計(jì)主 要實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電壓表測(cè)量一路電壓的功能，詳細(xì)說(shuō)明了從原理圖的設(shè)計(jì)、電路

45、圖的仿 真再到軟件的調(diào)試。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)這門課有了進(jìn)一步的了解。無(wú)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(shí)只是對(duì)其理論知識(shí)有了初步的理解。通過(guò)這次 設(shè)計(jì)，對(duì)它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，最后和老師同 學(xué)一步一個(gè)腳印解決了一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題。 這次電路的設(shè)計(jì)和仿真，基本上達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的功能要求。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(shí)，并理論聯(lián)系實(shí)際，爭(zhēng)取在電路設(shè)計(jì)方面 能有所提升。 單片機(jī)數(shù)字電壓表-西南科技大學(xué)城市學(xué)院 第 20 頁(yè) 參考文獻(xiàn) 1 胡健.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 年 10 月 2 于殿泓.單片機(jī)原理與程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程.西安電子科技大學(xué)出版社，2007 年 5 月 3 謝維成、楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及 c51