基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1、.學(xué)號(hào)20xxxxxxxx單片機(jī)原理與應(yīng)用課 程 設(shè) 計(jì)（ 2010級(jí)本科）題 目： 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 系（部）院： 物理與機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 作者姓名： xxxx 指導(dǎo)教師： xxxxx 職稱： xxxxxx x 完成日期： 2013 年 12 月 15 日 .單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名xxxx學(xué) 號(hào)20xxx專業(yè)方向電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)電氣工程101題目名稱基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求（1）以單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流數(shù)字電壓表。（2）能夠測(cè)量0-5V之間的直流電壓值。（3）電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。三.

2、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排階段設(shè)計(jì)各階段名稱起止日期1熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)背景資料 12 月 1 日12月2日2查閱有關(guān)資料12 月3 日12月4日3閱讀設(shè)計(jì)要求必讀的參考資料 12 月5日12月6日4選取方案12 月7日12月8日5完成設(shè)計(jì)，進(jìn)行編程，調(diào)試 12 月9日12月12日6打印整理課程設(shè)計(jì)資料 12 月13日12月14日7答辯及成績(jī)?cè)u(píng)定 12 月15日12月16日 指導(dǎo)老師簽字：基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)摘要 本文介紹了一種基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(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)換主要由芯片ADC0808來完成，它負(fù)責(zé)把采集到的

3、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)字電壓表可以測(cè)量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過一個(gè)四位一體的7段數(shù)碼管顯示出來。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；AT89C51；ADC0808目 錄一、引言1二、設(shè)計(jì)總體方案1（一）設(shè)計(jì)要求1（二）設(shè)計(jì)思路1（三）設(shè)計(jì)方案2三、硬件電路設(shè)計(jì)2（一）A/D轉(zhuǎn)換模塊2（二）單片機(jī)系統(tǒng)4（

4、三）復(fù)位電路和時(shí)鐘電路5（四）LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)5（五）總體電路設(shè)計(jì)6四、程序設(shè)計(jì)8（一）程序設(shè)計(jì)方案8（二）部分程序代碼9五、仿真9（一）顯示結(jié)果及誤差分析9六、結(jié)論10七、參考文獻(xiàn)12附錄13.一、引言在電量的測(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。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。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。數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)

5、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。本文是以簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，采用單片機(jī)將連續(xù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，本系統(tǒng)主要包括：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芯片，單片機(jī)芯片采用 AT89C51，顯示模塊采用四個(gè)LED數(shù)碼管。二、設(shè)計(jì)總體方案（一）設(shè)計(jì)要求 （1）以單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流數(shù)字電壓表。（2）能夠測(cè)量0-5V之間的直流電壓值。（3）電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。 （二）設(shè)計(jì)思路（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件。（2）A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)端

6、口與單片機(jī)的P2口相連，控制引腳和P3口的低四位引腳。（3）電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。（4）LED數(shù)碼的段碼輸入與P1口連接。位碼輸入，用P3口高四位控制。（三）設(shè)計(jì)方案硬件電路設(shè)計(jì)由4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)以及測(cè)量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖三、硬件電路設(shè)計(jì)（一）A/D轉(zhuǎn)換模塊把模擬量轉(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，常用的 A/D轉(zhuǎn)換器有：雙積分式、逐位比較式及并行直接比較式等幾種。本設(shè)計(jì)采用ADC0808芯片。ADC0

7、808是采用CMOS 工藝制成的8位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，采用28腳DIP封裝。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開關(guān)，可以對(duì)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(zhǎng)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。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖2所示。圖2 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，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入。由低到高的正跳變有效，此時(shí)鎖存地址選擇線的狀態(tài)，從而選通相應(yīng)的模擬通道，以便進(jìn)行

8、A/D轉(zhuǎn)換。ADD A,ADD B,ADD C：模擬通道的地址選擇線，輸入。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示： 表1 ADC0808通道選擇表地址碼對(duì)應(yīng)的輸入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。為了啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在此端上應(yīng)加一個(gè)正脈沖信號(hào)，脈沖的上升沿將內(nèi)部寄存器全部清0，在其下降沿開始轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。在START信號(hào)的上升沿之后0-8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)可供讀出。OUT1-OUT8：數(shù)字輸出線，輸出。OUT

9、1為最高位，OUT8為最低位。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)OE有效時(shí)，A/D的輸出鎖存緩沖器開放，將其中的數(shù)據(jù)，放到外面的數(shù)據(jù)線上。VREF+、VREF-: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為電源輸入端，GND為接地端。（二）單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT89C51采用DIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。圖3 AT89C51的引腳圖Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許信號(hào)。EA：片外存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平

10、有效。PSEN：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。XTAL1和XTAL2：這兩個(gè)端子用來接外部石英晶體。（三）復(fù)位電路和時(shí)鐘電路80C51單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時(shí)控制元件（晶體振蕩器和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。在80C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，而在芯片外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和電容。圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖在本系統(tǒng)中選擇的時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12MHz。上述復(fù)位電路，上電自動(dòng)復(fù)位，按鍵電平復(fù)位。使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。（四）LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)在應(yīng)用

11、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。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個(gè)位，后3位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖5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，D，E，F(xiàn)，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，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5 4位LED數(shù)碼顯示管對(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)

12、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。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2所示。表2 共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH（五）總體電路設(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(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖6所示。圖6 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表電路圖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ADC08008的IN0通道進(jìn)入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,AD

13、DC均接低電平），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OUT0-OUT7傳送給AT89C51芯片的P2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P3.4、P3.5、P3.6、P3.7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。其中，單片機(jī)AT89C51通過定時(shí)器中斷從P3.3輸出方波，接到ADC0808的CLOCK,P3.0發(fā)正脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，P3.1檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，轉(zhuǎn)換完成后，P3.2置高從P1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給LED顯示出來。簡(jiǎn)易數(shù)字直流電壓表的硬件

14、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。 四、程序設(shè)計(jì)（一）程序設(shè)計(jì)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，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和顯示子程序，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7所示。圖7 主程序流程圖圖8 定時(shí)中斷程序流程圖（二）部分程序代碼ORG 000BHLJMP INTT0MAIN:MOV TMOD,#02H ;設(shè)定定時(shí)器T0工作在方式2MOV TH0,#254 ;設(shè)定時(shí)鐘頻率為500KHz

15、MOV TL0,#254MOV IE,#82H ;開定時(shí)器T0中斷SETB TR0 ;啟動(dòng)定時(shí)器T0INTT0:CPL P3.3RETI五、仿真（一）顯示結(jié)果及誤差分析系統(tǒng)仿真是在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)proteus中實(shí)現(xiàn)的，其中ADC0808的模擬通道 INT0接入可調(diào)電位器的中心抽條的分壓值，該電壓值大小可調(diào)節(jié)，以模擬被測(cè)電壓，系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，從表中的測(cè)試結(jié)果可以看出，電壓測(cè)量值和待測(cè)電壓值幾乎相等，誤差較小，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，但文中仿真結(jié)果是在比較理想的情況下進(jìn)行的，搭建實(shí)際的硬件電路時(shí)，若誤差較大，可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決，也可以通過軟件編程進(jìn)行調(diào)整

16、。表3 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對(duì)比測(cè)試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/V簡(jiǎn)易電壓表測(cè)量值/V絕對(duì)誤差/V0.000.0000.0000.100.0970.0030.250.2540.0040.500.5070.0071.351.3520.0021.551.5470.0032.102.0970.0032.852.8470.0033.353.3520.0024.254.2540.0044.304.2930.0074.454.4500.0005.005.0000.000由于單片機(jī)AT89C51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時(shí)，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255（0FFH），因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為

17、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(cè)試電壓一般以0.01V的幅度變化。從上表可以看出，簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表測(cè)得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大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(shí)直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當(dāng)要測(cè)量大于5V的電壓時(shí)，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)整就可以了。六、結(jié)論基于單片機(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

18、，經(jīng)過一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表測(cè)量一路電壓的功能，詳細(xì)說明了從原理圖的設(shè)計(jì)、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。通過本次設(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)試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識(shí)學(xué)得不夠扎實(shí)，對(duì)電路的仿真方面也不夠熟練?？傊@次電路的設(shè)計(jì)和仿真，基本上達(dá)

19、到了設(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。七、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、王新年.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張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用.第2版.北京航空航天大學(xué)出版社，2006年4邊春遠(yuǎn).MCS-51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實(shí)用子程序M .北京:人民郵電出版社.2005年9月.附錄ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP INTT0MAIN:MOV TMOD,#02H ;定時(shí)器T0工作在方式2MO

20、V TH0,#254;設(shè)定時(shí)鐘頻率為500KHzMOV TL0,#254MOV IE,#82H;開定時(shí)器T0中斷SETB TR0;啟動(dòng)定時(shí)器T0MOV DPTR,#TABSTART:SETB P3.0;start信號(hào)從高電平跳變到低電平時(shí)，開始轉(zhuǎn)換NOPCLR P3.0JNB P3.1,$;查看EOC是否跳變到0，表示轉(zhuǎn)換完畢SETB P3.2;OE端置1，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送出去MOV A,P2;結(jié)果送到累加器A，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)顯示調(diào)整LCALL LOOP1;數(shù)據(jù)調(diào)整SJMP STARTLOOP1:MOV B,#51D;255換算到5V，比例為51DIV ABMOVC A,A+DPTR ;查表SETB P

21、3.7 ;關(guān)閉數(shù)碼管通道4CLR P3.4 ;打開數(shù)碼管通道1MOV P1,A ;整數(shù)部分SETB P1.7 ;小數(shù)點(diǎn)MOV A,B ;余數(shù)送到ACLR F0SUBB A,#26D ;減去26，判斷余數(shù)是否大于26MOV F0,C ;借位位送F0MOV A,#10D ;A中送10MUL AB ;余數(shù)乘以10MOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP2;借位了，說明大于26ADD A,#5DLOOP2:MOVC A,A+DPTRSETB P3.4 ;關(guān)閉數(shù)碼管顯示通道1CLR P3.5 ;打開數(shù)碼管顯示通道2CLR P1.7 ;清小數(shù)點(diǎn)MOV P1,A ;小數(shù)點(diǎn)后第一位小數(shù)MOV A,BCLR F0SUBB A,#26DMOV F0,CMOV A,#10DMUL ABMOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP3ADD A,#5LOOP3:MOVC A,A+DPTRSETB P3.5 ;關(guān)閉數(shù)碼管顯示通道2CLR P3.6 ;打開數(shù)碼管顯示通道3MOV P1,A ;小數(shù)點(diǎn)后第二位小數(shù)MOV A,BCLR F0SUBB A,#26DMOV F0,CMOV A,#10DMUL ABMOV B,#51DDIV ABJB F0,LOOP4AD