單片機系統課程設計報告書題目：簡易數字電壓表的設計院系名稱： 信息工程學院 專業名稱： 電子信息工程 班 級： 信息1101B 學 號： 1134130151 姓 名： 王 浩 指導教師 禹定臣 摘 要隨著微電子技術的不斷發展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已可以在一塊芯片上同時集成CPU、存儲器、定時器計數電路，這很容易將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統。數字電壓表（DigitalVoltmeter）簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。由DVM擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。本文介紹了一種基于單片機的簡易數字電壓表的設計。該設計主要由三個模塊組成：A/D轉換模塊(ADC0808)，數據處理模塊(芯片AT89C51和芯片74ls373)及顯示模塊(LCD1602)。該系統的數字電壓表可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和可靠性較高。本文首先簡要介紹了設計電壓表的主要方式以及單片機系統的優勢；然后詳細介紹了直流數字電壓表的設計流程，以及硬件系統和軟件系統的設計，并給出了硬件電路的設計細節，包括各部分電路的走向、芯片的選擇以及方案的可行性分析等。通過此次課程設計使我對我們所學的知識有了更深的認識和體會，對自我動手的能力也提高了很多。關鍵詞單片機AT89C51；數字電壓表DVM；A/D轉換ADC0808目 錄摘 要1關鍵詞11、概述11.1 課程設計的目的和意義11.2 課程設計的任務12、設計原理及要求12.1 數字電壓表的實現原理22.2 數字電壓表的設計要求23、軟件仿真電路設計23.1設計思路23.2仿真電路圖23.3 AT89C51的功能介紹33.3.1 簡要概述33.3.2 主要功能特性33.3.3 AT89C51的引腳介紹43.3.4 復位電路設計63.3.5 時鐘電路設計63.4 ADC0809的功能介紹73.4.1 芯片概述73.4.2 引腳簡介73.4.3 ADC0808的轉換原理83.5 74LS373芯片的引腳及功能83.5.1芯片概述83.5.2引腳介紹83.6 LED數碼管的控制顯示液晶模塊93.6.1芯片概述93.6.2引腳介紹94、系統軟件程序的設計114.1 初始化程序114.2 A/D轉換子程序114.3 顯示子程序125、顯示結果及誤差分析125.1顯示結果125.2誤差分析136、課程設計體會14參考文獻15附錄16電路圖16源程序171、概述1.1 課程設計的目的和意義本次課程設計，讓我學習和鞏固了單片機的使用，以及常用的寄存器的使用方法，還有就是學習常用的外圍硬件使用、電路原理圖設計、PCB設計等等。使我對已學過的基礎知識有了更深入的理解，獨立思考、獨立工作以及應用所學基本理化分析和解決實際問題的能力有了很大的提高。1.2 課程設計的任務數字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求，采用單片機的數字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域，示出強大的生命力。2、設計原理及要求本設計是利用單片機AT89C51與ADC0808設計一個數字電壓表，測量05V之間的直流電壓值,四位LED數碼管上顯示，但要求使用的元器件數目最少。硬件電路設計由6個部分組成; A/D轉換電路，AT89C51單片機系統，四位LED數碼管、時鐘電路、復位電路以及測量電壓輸入電路。時鐘電路 復位電路A/D轉換電路測量電壓輸入顯示系統AT89C51 P1 P2 P2 P0 圖1 數字電壓表系統硬件設計框圖2.1 數字電壓表的實現原理ADC0809是8位的A/D轉換器。當輸入電壓為5.00V時，輸出的數據值為255（0FFH），因此最大分辨率為0.0196（5/255）。ADC0808具有8路模擬量輸入端口，通過3位地址輸入端能從8路中選擇一路進行轉換。如每隔一段時間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對8 路輸入電壓進行測量。2.2 數字電壓表的設計要求可以測量05V范圍內的直流電壓值。在四位LED數碼管上顯示電路電壓值，顯示范圍為0.00V5.00V。要求測量的最小分辨率0.019V。3、軟件仿真電路設計3.1設計思路數字電壓表應用系統硬件電路由單片機、A/D轉換器、液晶顯示電路組成，由于ADC0809在進行A/D轉換時需要有CLK信號，本試驗中ADC0809的CLK直接由外部電源提供為500kHz的方波。由于ADC0809的參考電壓VREFVCC，所以轉換之后的數據要經過數據處理，在數碼管上顯示出電壓值。實際顯示的電壓值(D/256*VREF) ADC0808采用逐次逼近法轉換，把模擬電壓轉換成16進制的D，由于是對直流電壓05V進行采集，所以D對應的電壓為V0，我們的目的就是要把V0顯示在四位LED數碼管上，因為單片機不好進行小數點計算，所以有：V0=2*D擴大了100倍，擴大100倍后的結果高八位放寄存器B，低八位放寄存器A，分寄存器B為0或不為0的情況進行存取數據，得到的結果個位放入R0，十位放入R1，通過查表使之顯示在LED顯示器。3.2仿真電路圖用Protues軟件仿真設計的電路如圖2所示。3.3 AT89C51的功能介紹3.3.1 簡要概述AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含有4KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128字節的隨機存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環；數據保留時間：10年；全靜態工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128*8B內部RAM；32個可編程I/O口線；2個16位定時/計數器；5個中斷源；可編程串行UART通道；片內震蕩器和掉電模式。3.3.2 主要功能特性(1) 4K字節可編程閃爍存儲器。(2) 32個雙向I/O口；1288位內部RAM 。(3) 2個16位可編程定時/計數器中斷，時鐘頻率0-24MHz。(4) 可編程串行通道。(5) 5個中斷源。(6) 2個讀寫中斷口線。(7) 低功耗的閑置和掉電模式。(8) 片內振蕩器和時鐘電路。3.3.3 AT89C51的引腳介紹AT89C51提供以下標準功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內震蕩器及時鐘電路，同時，AT89C51可降至0Hz靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作，掉電方式保存RAM中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖3所示。圖3 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/輸出數據，這時輸出數據可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數據可以得到緩沖，增加了數據輸入的可靠性；第二種情況是89C51帶片外存儲器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數據。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時，需要在外部用電阻上拉。P1口：這8個引腳和P0口的8個引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當P1口作為通用I/O口使用時，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據。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，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數據。P3口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，如下表2所示：表1 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0RXT（串行口輸入）P3.1TXD（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（定時器/計數器0的外部輸入）P3.5T1（定時器/計數器1的外部輸入）P3.6/WR（片外數據存儲器寫允許）P3.7/RD（片外數據存儲器讀允許）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，在訪問外部存儲器時，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數據。在不訪問片外存儲器時，89C51自動在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鐘源或定時脈沖使用。/EA:片外存儲器訪問選擇線，可以控制89C51使用片內ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內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，89C51自動在/PSEN線上產生一個負脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。RST：復位線，可以使89C51處于復位(即初始化)工作狀態。通常89C51復位有自動上電復位和人工按鍵復位兩種。XTAL1和XTAL2：片內震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接89C51片內OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3.5 ADC0808的引腳及功能介紹3.3.4 復位電路設計單片機在啟動運行時都需要復位，使CPU和系統中的其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。MCS-51單片機有一個復位引腳RST,采用施密特觸發輸入。當震蕩器起振后，只要該引腳上出現2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復位1。復位完成后，如果RST端繼續保持高電平，MCS-51就一直處于復位狀態，只要RST恢復低電平后，單片機才能進入其他工作狀態。單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種，圖4是51系列單片機統常用的上電復位和手動復位組合電路，只要Vcc上升時間不超過1ms，它們都能很好的工作。圖4 復位電路3.3.5 時鐘電路設計單片機中CPU每執行一條指令，都必須在統一的時鐘脈沖的控制下嚴格按時間節拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發出的。CPU執行一條指令的各個微操作所對應時間順序稱為單片機的時序。MCS-51單片機芯片內部有一個高增益反相放大器，用于構成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。本設計系統采用內部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2個電容即可，如圖5所示。圖5 時鐘電路電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調作用，通常的取值范圍是3010pF，在這個系統中選擇了33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機電路產生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統中選擇的是12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。3.4 ADC0809的功能介紹3.4.1 芯片概述ADC0809是一種典型的A/D轉換器。它是由8位A/D轉換器，一個8路模擬量開關，8位模擬量地址鎖存譯碼器和一個三態數據輸出鎖存器組成； +5V單電源供電，轉化 時間在100us左右；內部沒有時鐘電路，故需外部提供時鐘信號。芯片模型如圖6所示。圖3 ADC0809芯片模型3.4.2 引腳簡介(1) IN0IN7：8路模擬量輸入端。(2) D0D7：8位數字量輸出端口。(3) START：A/D轉換啟動信號輸入端。(4) ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。(5) EOC：輸出允許控制信號，高電平有效。(6) OE： 輸出允許控制信號，高電平有效。(7) CLK：時鐘信號輸入端。(8)A、B、C：轉換通道地址,控制8路模擬通道的切換。A、B、C分別與地址線或數據線相連，三位編碼對應8個通道地址端口，A、B、C=000111分別對應IN0IN7通道的地址端口。ADC0809通道選擇表地址碼對應的輸入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN73.4.3 ADC0808的轉換原理ADC 0808 采用逐次比較的方法完成A/D轉換，由單一的+5V電源供電。片內帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉換需100s左右，它具有輸出TTL三態鎖存緩沖器，可直接連接到AT89C51的數據總線上。通過適當的外接電路，ADC0808可對05V的模擬信號進行轉換。3.5 74LS373芯片的引腳及功能3.5.1芯片概述圖3-5 74LS373芯片模型4LS373是一種帶有三態門的8D鎖存器，其在本設計中是鎖存P0口的低8位地址，芯片模型如圖7所示。3.5.2引腳介紹(1) D0D7:8位數據輸入線；(2) Q0Q7:8位數據輸出線(3) G:數據輸入鎖存選通信號。當加到該引腳的信號為高電平時，外部數據選通到內部鎖存器，負跳變時，數據鎖存到鎖存器中。(4):數據輸出允許信號，低電平有效。當該信號為低電平時，三態門打開，鎖存器中的數據輸出到數據輸出線上，當該信號為高電平時，輸出線為高阻態。 3.6 LED數碼管的控制顯示3.6.1數碼管的模型3.6.2LED數碼管的接口簡介圖3-7LED與AT89C51的硬件連線LED 的段碼端口AG分別接至AT89C51的P1.0P1.7口，位選端14分別接至P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，4、系統軟件程序的設計4.1 初始化程序所謂初始化，是對將要用到的MCS_51系列單片機內部部件或擴展芯片進行初始工作狀態設定，初始化子程序的主要工作是設置定時器的工作模式，初值預置，開中斷和打開定時器等。4.2 A/D轉換子程序A/D轉換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應的數值存入相應的內存單元，其轉換流程圖如圖8所示。啟動轉換A/D轉換結束？輸出轉換結果數值轉換顯示結束開始圖8 A/D轉換流程圖4.3 顯示子程序顯示子程序采用動態掃描實現四位數碼管的數值顯示，在采用動態掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設置適當的掃描頻率，當掃描頻率在70HZ左右時，能夠產生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。在本設計中，為了簡化硬件設計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現11s定時，通過軟件延時程序來實現5ms的延時。5、顯示結果及誤差分析5.1顯示結果1.輸入電壓值為0V時，顯示結果如圖9所示，測量誤差為0V。輸入電壓為0V時，LED的顯示結果2.當輸入電壓值為0.20V時，顯示結果如圖所示。測量誤差為0.01V。輸入電壓為0.20V時，LED的顯示結果3. 當IN0口輸入電壓值為2.95V時，顯示結果如圖11。測量誤差為0.01V。輸入電壓為2.95V時，LED的顯示結果5.2誤差分析通過以上仿真測量結果可得到簡易數字電壓表與“標準”數字電壓表對比測試表，如下表所示：表簡易數字電壓表與“標準”數字電壓表對比測試表標準電壓值/V簡易電壓表測量值/V絕對誤差/V0.000.000.000.100.090.010.200.190.010.300.290.010.500.500.001.101.090.003.003.000.003.503.490.014.004.000.005.005.000.00由于單片機AT89C51為8位處理器，當輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數據值為255（FFH），因此單片機最高的數值分辨率為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，測試電壓一般以0.01V的幅度變化。從上表可以看出，簡易數字電壓表測得的值基本上比標準電壓值偏小0-0.01V，這可以通過校正ADC0808的基準電壓來解決。因為該電壓表設計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計算程序的除數進行調整就可以了。6、課程設計體會通過本次設計，我對單片機這門課有了更深入的了解，而且我還學會了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統的需要、方案的設計、功能模塊的劃分、原理圖的設計和電路圖的仿真的設計流程，積累了不少經驗。基于單片機的數字電壓表使用性強、結構簡單、成本低、外接元件少。在實際應用工作應能好，測量電壓準確，精度高。系統功能、指標達到了課題的預期要求、系統在硬件設計上充分考慮了可擴展性，經過一定的改造，可以增加功能。本文設計主要實現了簡易數字電壓表測量一路電壓的功能，詳細說明了從原理圖的設計、電路圖的仿真再到軟件的調試。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設計采用了AT89C51單片機芯片，與以往的單片機相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應用領域也更為廣泛。設計中還用到了模/數轉換芯片ADC0808，以前在學單片機課程時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設計，對它的工作原理有了更深的理解。在調試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識學得不夠扎實，對電路的仿真方面也不夠熟練。總的來說這次電路的設計和仿真，基本上達到了設計的功能要求。在以后的實踐中，我將繼續努力學習電路設計方面的理論知識，讓自己在電路設計方面能有所提升。參考文獻1何 宏.單片機原理及應用基于Proteus單片機系統設計及應用.清華大學出版社2