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单片机课程设计数字电压表

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2020年4月19日
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目 录
1 引言 1
2设计原理及要求 2
2.1数字电压表的实现原理 2
2.2数字电压表的设计要求 2
3软件仿真电路设计 3
3.1设计思路 3
3.2仿真电路图 3
3.3设计过程 4
3.4 AT89C51的功能介绍 4
3.4.1简单概述 4
3.4.2主要功能特性 5
3.4.3 AT89C51的引脚介绍 5
3.5 ADC0808的引脚及功能介绍 7
3.5.1芯片概述 7
3.5.2 引脚简介 8
3.5.3 ADC0808的转换原理 8
3.6 74LS373芯片的引脚及功能 9
3.6.1芯片概述 9
3.6.2引脚介绍 9
3.7 LED数码管的控制显示 9
3.7.1 LED数码管的模型 9
3.7.2 LED数码管的接口简介 10
4系统软件程序的设计 10
4.1 主程序 10
4.2 A/D转换子程序 11
4.3 中断显示程序 12
5电压表的调试及性能分析 13
5.1 调试与测试 13
5.2 性能分析 14
6电路仿真图 14
7总结 15
参考文献 16
附录1 源程序 17
附录2 仿真原理电路 23

1 引言
随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已能够在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。与此同时，由DVM扩展而成的各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高到崭新水平。本章重点介绍单片机A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原当前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，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，示出强大的生命力理。
本设计AT89C51单片机的一种电压测量电路,该电路采用ADC0808一种基于A/D转换电路，测量范围直流 0～5V 的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
此次设计思路是利用单片机AT89C51与ADC0808设计一个数字电压表，测量0－5V之间的直流电压值，然后经过四位数码显示，为了设计简单化我使用的元器件数目较少。
2.1数字电压表的实现原理
ADC0808是8位的A/D转换器。当输入电压为5.00V时，输出的数据值为255（0FFH），因此最大分辨率为0.0196（5/255）。ADC0808具有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流改变3位地址输入端的地址，就能依次对8 路输入电压进行测量。LED数码管显示采用软件译码动态显示。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的通道数。
2.2数字电压表的设计要求
能够测量0～5V范围内的3路直流电压值。在4位LED数码管上轮流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。要求测量的最小分辨率为0.02V。

3软件仿真电路设计
3.1设计思路
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，由于ADC0808在进行A/D转换时需要有CLK信号，本试验中ADC0808的CLK直接由外部电源提供为500kHz的方波。由于ADC0808的参考电压VREF＝VCC，因此转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF) ADC0808采用逐次逼近法转换，把模拟电压转换成16进制的D，由于是对直流电压0～5V进行采集，因此D对应的电压为V0 ，我们的目的就是要把V0显示在LED显示器上，因为单片机不好进行小数点计算，因此有：V0=2*D扩大了100倍，扩大100倍后的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的情况进行存取数据，得到的结果个位放入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软件仿真设计的电路如图3-1所示。

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具有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转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。10脚为0808的时钟输入端，由外部信号源提供。单片机的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0808的A/D转换控制。
3.4 AT89C51的功能介绍
3.4.1简单概述
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器能够重复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示。

图3-2 AT89C51芯片模型
3.4.2主要功能特性
(1) 4K字节可编程闪烁存储器。
(2) 32个双向I/O口；128×8位内部RAM 。
(3) 2个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz。
(4) 可编程串行通道。
(5) 5个中断源。
(6) 2个读写中断口线。
(7) 低功耗的闲置和掉电模式。
(8) 片内振荡器和时钟电路。
3.4.3 AT89C51的引脚介绍
89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装(DIP)方式，下面分别简单介绍。
(1)电源引脚
电源引脚接入单片机的工作电源。
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的输入端。
XTAL2(20引脚)：片内振荡器反相放大器的输出端。

图3-3 电源接入方式
(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）以上的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)
为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在PC值超过0FFFH后将自动转向外部程序存储器。当它为低电平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000H~FFFFH。Vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。
(5)ALE/(30引脚)
ALE为低八位地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE的负跳沿江P0口发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器，然后再作为数据端口。为该引脚的第二功能，在对片外存储器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。
(6)(29引脚)
片外程序存储器的读选通信号。在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。
(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口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。一般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储器时，P0口是分时转换的地址(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的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的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程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的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的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。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程序存储器编程时，接控制信息。
3.5 ADC0808的引脚及功能介绍
3.5.1芯片概述
ADC0808是一种典型的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。芯片模型如图3-4所示。

图3-4ADC0808芯片模型
3.5.2 引脚简介
(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转换启动信号输入端。
(4) ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。
(5) EOC：输出允许控制信号，高电平有效。
(6) OE： 输出允许控制信号，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路模拟通道的切换。A、B、C分别与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通道的地址端口。
3.5.3 ADC0808的转换原理
ADC 0808 采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由A、B、C的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100μs左右，它具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到AT89C51的数据总线上。经过适当的外接电路，ADC0808可对0~5V的模拟信号进行转换。
3.674LS373芯片的引脚及功能
3.6.1芯片概述
74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，其在本设计中是锁存P0口的低8位地址，芯片模型如图3-5所示。
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。当加到该引脚的信号为高电平时，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):数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中的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数码管的控制显示
3.7.1 LED数码管的模型
LED数码管模型如图3-6所示。
图3-6 LED数码管模型

3.7.2 LED数码管的接口简介
LED 的段码端口A～G分别接至AT89C51的P1.0～P1.7口，位选端1～4分别接至P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，如图3-7所示。

图3-7LED与AT89C51的硬件连线

4系统软件程序的设计
多路数字电压表系统软件程序主要有主程序、A/D转换子程序和中断显示程序组成。
4.1 主程序
主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道的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。流程图如图4-1所示。
开始
显示子程序
A/D转换子程序
初始化
图4-1主程序流程图

4.2 A/D转换子程序
A/D转换子程序用于对ADC0808的4路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换的数值存入4个相应的存储单元中，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，如图4-2所示。

进行十六进制调整
开始A/D转换
调用延时
存转换后的十六进制数
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转换子程序流程图

判断是否为0

4.3 中断显示程序
设计中采用中断的方式来读取转换完成的数据能节省CPU的资源
当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中断0，然后在中断中读取转换的数值，处理数据并送数码管显示输出。
LED 数码管采用软件译码动态扫描的方式。在中断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个存储单元的数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。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的判断。

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
显示的是第4路
重新调用显示程序
N
Y
N
Y
图4-3中断显示程序流程图

5电压表的调试及性能分析
5.1 调试与测试
本设计应用Proteus6及KEIL51软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus6软件画出电路模型，关于这个软件的使用经过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试，测试的第一路对比见图4-1中标准电压值采用Proteus6软件中的模拟电压表测得。
图4-1数字电压表与标准电压表的比较

从图中能够看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02V以内，这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相一致，在一般的应用场合能够完全满足要求。
5.2 性能分析
由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH）因此单片机最大的数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.0196V。测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的A/D转换器。
简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.01-0.02V。这能够经过校正0808的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的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的直流输入阻抗为1M欧姆，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试ADC0808可直接在2MHz的频率下工作，这样可省去分频率14024。

6电路仿真图
图6-1为4路通道用模拟电压表测得的理论值。

图6-1模拟电压表测量结果

图6-2为进行模拟仿真时的电路图

图6-2仿真时的电路图

7总结
经过一周的努力终于设计成功，LED的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，误差完全在合理的范围之内。由于仪器误差，LED显示最大值只能是4.9V，离标准最大值5.0V已经不远，达到预期目的，设计成功。
本设计参考了教材上第十一章89C51与ADC0809转换的接口连线，设计出电路图的连线，从并中理解了许多基本的知识和接线方法，在程序的设计与电压表调试的过程中中遇到了很多的问题，刚开始时四个数码管根本不显示，后来发现用的是共阳极的数码管，而设计是共阴极的，更换后数码管终于显示，但问题又出现了，单路显示和循环显示的开关不能控制电路的单路显示和循环显示，经过仔细地检查电路和修改程序，采用中断的方法，产生一次外部中断0，程序转移到单路显示，按一次单路显示开关，地址加一，转换的模拟通道相应的加一，如果按下循环按键就返回循环显示的程序，功夫不负有心人，最后终于调试成功。
在此再次向带领我们这次课程设计的老师说声：谢谢！

参考文献
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年1月第2次印刷
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[3] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版
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[4] 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,
[5] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.第一期
[6] 高峰.单片微型计算机与接口技术[M].北京科学出版社, .
[7] 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予C8051F单片机的SOC型数据采录器的设计与实现
[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]《过程控制与仪表》 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的低两位
MOV R2,#00H ;R2存放十六进制转换成十进制后的高两位
MOV R3,#0FFH ;循环显示十进制数
MOV R4,#00H ;存放A/D转换后的十六进制数
MOV R5,#00H ;存放0.5相加后的数
MOVX @DPTR,A ;开始A/D转换
LCALL DELAY ;调用延时大于A/D转换的时间
MOVX A,@DPTR ;取A/D转换后的十六进制数
INC DPTR ;A/D转换芯片的地址加一
PUSH DPL ;压入堆栈
PUSH DPH
DEC R0 ;4路转换的次数减一
JZ SB2 ;判断是否是0V
MOV R4,A

L1:MOV A,R1 ;进行十六进制到十进制的调整
ADD A,50H ;每次加19
DA A
MOV R1,A
JC L2 ;如果溢出则跳转到L2
MOV A,R5 ;进行0.5V相加
ADD A,54H
DA A
MOV R5,A
JC L3 ;如果溢出则跳转到L3
SB1:DJNZ R4,L1 ;判断十六进制数是否转换完成，如果没有则循环
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 ;只显示其中一路中断
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 ;小数点的段码表
DB 0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH
END

原理电路