簡易數(shù)字電壓表

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告簡易數(shù)字電壓表一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.電壓表的測量范圍為0-5V;2.測量精度約為20mV。二、方案設(shè)計(jì)與論證方案一：選擇MC14433A/D轉(zhuǎn)換器、CD4511等元器件設(shè)計(jì)電路：方案二：用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路：設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809和共陰數(shù)碼管為主要硬件，分析了數(shù)字電壓表Proteus軟件仿真電路設(shè)計(jì)及編程方法。將單片機(jī)應(yīng)用于測量技術(shù)中，采用ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用STC89C52實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。通過數(shù)碼管以掃描的方式完成顯示。方案比較：方案1：3為半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433轉(zhuǎn)換精度為讀數(shù)的0.05%1字，并能很方便地

2、判斷出是否超欠量程，以便于量程的自動(dòng)切換功能的實(shí)現(xiàn)，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。缺點(diǎn)是工作速度低，且外圍電路需配基準(zhǔn)電源，短譯碼驅(qū)動(dòng)器和位驅(qū)動(dòng)器，電路較復(fù)雜。方案2：設(shè)計(jì)電路簡單。易于控制，且性能穩(wěn)定；單調(diào)試過程需要一定的編程基礎(chǔ)，可利用Proteus軟件仿真電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。Proteus軟件是一種電路分析和實(shí)物模擬仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以進(jìn)行仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路，是集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能強(qiáng)大，具

3、有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)，因此可用此軟件方便調(diào)試電路。經(jīng)過以上兩種方案的特點(diǎn)比較，方案二中的電路設(shè)計(jì)采用比較常見的元器件，對這種方案有一定的專業(yè)基礎(chǔ)，故采用第二種方案。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1A/D轉(zhuǎn)換模塊1.1ADC0809主要特性ADC0809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ADC0809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。ADC0809主要特性:8路8位

4、A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位；具有鎖存控制的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15mW。1.2ADC0809的外部引腳特征 ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖1所示。圖1 ADC089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

5、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，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示：表1 ADC0809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)

6、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。1.3ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程ADC0809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2所示。圖2 ADC0809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

7、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、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。ADC0809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

8、，經(jīng)地址譯碼器從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)。2單片機(jī)系統(tǒng)2.1 STC89C52性能STC89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256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MC

9、S-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STC89C52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。STC89C52功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；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。 2.2 STC89C52各引腳功能STC89C52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)

10、/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(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)，STC89C52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?？臻e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)硬件復(fù)位。STC89C52采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。STC89C52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89C52不帶外存儲(chǔ)器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用

11、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89C52帶片外存儲(chǔ)器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。圖3 STC89C52的引腳圖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

12、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)。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：表2 P3口各位的第二功能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)P3.4T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入）P3.5T1（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.

13、7/RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許）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，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，89C52的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C52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)器訪問選擇線，可以控制89C52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，在訪問片外ROM時(shí)，89C52自動(dòng)在/PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作

14、為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。RST：復(fù)位線，可以使89C52處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C52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)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C52片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。3復(fù)位電路和時(shí)鐘電路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)開始工作。MCS-52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。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平

15、，MCS-52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4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1ms，它們都能很好的工作。圖4 復(fù)位電路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)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)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-52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

16、還需附加其他電路。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，外部電路只需要一個(gè)晶振和2個(gè)電容即可，如圖5所示。圖5 振蕩電路電路中的器件選擇可以通過計(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對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是3010pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了30pF；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6MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為6MHz。4 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 LED基本結(jié)構(gòu)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，7個(gè)長條形的發(fā)光二極管排列組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖6所示:圖6 LED引腳排列4.2 LED顯示器的選擇在本設(shè)計(jì)中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，簡稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖7所示，是一個(gè)共陽極接法的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