1、湖南科技大學本科生課程設計（論文）湖南科技大學課 程 設 計課程設計名稱： 簡易數字電壓表設計 學 生 姓 名： 李 系 部： 機電工程系 專業及班級： 機械設計制造及自動化二班 學 號： 指導教師： 2017 年 12 月 20 日I目錄前言1一、 課程設計的目的和要求21.1、 課程設計的目的21.2、 課程設計的基本要求2二、 總體設計22.1、基本工作原理22.2、硬件總體設計32.3、軟件總體設計3三、 硬件設計33.1模數轉換芯片ADC080933.2 數據處理及控制芯片AT89S5153.3AT89S51與ADC0809的連接83.4 4位一體7段LED 數碼管83.5 整機電路

2、及工作原理8四、 軟件設計94.1 主程序設計94.2 各子程序設計10五、 結束語10六、 參考文獻11II前言近年來隨著計算機在社會領域的滲透和大規模集成電路的發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點，因此特別適合于與控制有關的系統，越來越廣泛地應于自動控制，智能化儀器，儀表，數據采集，軍工產品以及家用電器等各個領域，單片機往往是作為一個核心部件來使用，在根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。而51系列單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種，通過本次課程設計進一步對單片機學習和應用，從而更熟悉

3、單片機的原理和相關設計并提高了開發軟、硬件的能力。1、 課程設計的目的和要求1.1、 課程設計的目的單片機與接口技術課程設計是在教學及實驗基礎上，對課程所學理論知識的深化和提高。因此，要求學生能綜合應用所學知識，設計與制造出具有較復雜功能的小型單片機系統，并在實踐的基本技能方面進行一次系統的訓練。能夠較全面地鞏固和應用“單片機”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型單片機系統設計的基本方法。培養獨立思考、獨立收集資料、獨立設計規定功能的單片機系統的能力；培養分析、總結及撰寫技術報告的能力。1.2、 課程設計的基本要求1.簡易數字電壓表可以測量0-5V內的8路輸入電壓值，并在4位LED數

4、碼管上輪流顯示或路選擇顯示。2.其測量最小分辨率為0.02V。（用歡動電阻模擬電壓傳感器輸出的模擬量，用ADC0809進行模數轉換）。2、 總體設計系統總體設計：a、控制模塊選用AT89C51單片機。  b、放大模塊選擇 OP07芯片實現。 c、A/D轉換模塊選擇ADC0809芯片，從分利用其在儀表中的應用特性。 d、顯示模塊選擇與控制模塊相配套的LCD液晶顯示。2.1、基本工作原理設計采用AT89S51單片機芯片配合ADC0809模/數轉換芯片構成一個簡易的數字電壓表，原理框圖如圖1所示。該電路通過ADC0809芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V 的模

5、擬量電壓，經過模/數轉換后，產生相應的數字量經過其輸出通道D0D7傳送給AT89S51芯片的P0口。AT89S51負責把接收到的數字量經過數據處理，產生正確的7段數碼管的顯示段碼，并通過其P1口經三極管驅動，再傳送給數碼管。同時它還通過其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2產生位選信號，控制數碼管的亮滅。另外，AT89S51還控制著ADC0809的工作。其ALE 管腳為ADC0809提供了1MHz 工作的時鐘脈沖；P2.3控制ADC0809的地址鎖存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的啟動端(START)；P2.5控制ADC0809的輸出允許端(OE)；P3.7控制ADC0809的轉

6、換結束信號(EOC)。2.2、硬件總體設計2.2.1、系統組成方案硬件電路設計由6個部分組成; A/D轉換電路，AT89C51單片機系統，LED 顯示系統、時鐘電路、復位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設計如圖1所示。圖1 硬件電路設計2.2.2、擴展單元編址2.2.3、鍵盤、顯示功能的定義2.3、軟件總體設計2.3.1、存儲單元的分配、標志位的定義2.3.2、主程序框圖及清單（帶有注釋）3、 硬件設計3.1模數轉換芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器。它可以和微型計算機直接接口。ADC0809轉換器的系列芯片是ADC0808，可以相互替換。3.1.1、A

7、DC0809內部邏輯結構圖2 ADC0809的內部邏輯結構及引腳圖ADC0809的內部邏輯結構如圖2所示。圖中多路模擬開關可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個A/D轉換器進行轉換。地址鎖存與譯碼電路完成對A 、B 、C 三個地址位進行鎖存與譯碼。3.1.2、ADC0809的引腳ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖2所示。1.IN0IN7：8路模擬量輸入通道。2.A 、B 、C ：模擬通道地址線。這3根地址線用于對8路模擬通道的選擇，其譯碼關系如表1所示。其中，A 為低地址，C 為高地址，引腳圖中為ADDA ，ADDB 和ADDC 。3.START ：轉換

8、啟動信號。START 上升沿時，復位ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，START 應保持低電平。本信號有時簡寫為ST 。4.D7D0：數據輸出線。為三態緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。D0為最低位，D7為最高。5.OE ：輸出允許信號。用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。6.CLK ：時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz 的時鐘信號。7.EOC ：轉換結束信號。EOC=0,正在進行轉換

9、；EOC=1,轉換結束。使用中該狀態信號即可作為查詢的狀態標志，又可作為中斷請求信號使用。8.Vcc ： +5V電源，GND ：地。9.Vref ：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。3.1.3 ADC0809的工作原理首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC 變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存

10、入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE 輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。圖3 ADC0809信號的時序配合（注意：ALE 信號常與START 信號連在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動A/D轉換，圖3為ADC0809信號的時序配合圖）。3.2 數據處理及控制芯片AT89S51AT89S51是美國ATMEL 公司生產的低功耗、高性能CMOS 8位單片機。AT89S51片內含有4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部 RAM，32個I/O 口線，看門狗(WDT)，兩個數據指針，兩個16 位定時/計數器, 一個5向量兩級中斷結構，一個全

11、雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時,S51可降至0Hz 的靜態邏輯操作，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，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。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AT89S51是一種高效微控制器，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。3.2.1 主要性能參數1. 與MCS-51產品指令系列完全兼容；2.4K 字節在系統編程(ISP)Flash閃速存儲器；3.1000次擦寫周期；4.4.0

12、5.5 V工作電壓范圍；5. 全靜態工作模式：0Hz 33MHz ；6. 三級程序加密鎖；7.128字節內部RAM ；8.32個可編程I/O口線；9.2個16位的定時/計數器；10.6個中斷源；11. 全雙工串行UART 通道；12. 低工耗空閑和掉電模式；13. 中斷可從空閑模式喚醒系統；14. 看門狗(WDT)及雙數據指針；15. 掉電標識和快速編程特性；16. 靈活的在系統編程(ISP-字節或頁寫模式) 。3.2.2 AT89S51的引腳AT89S51芯片為40引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖4所示。1.P2口：P2口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖器可驅動4

13、個TTL 邏輯門電路。對P2口管腳寫入“1”后，被內部上拉電阻拉高，可用作輸入。P2口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部接有上拉電阻的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在訪問8位地址外部數據存儲器時，P2口線上的內容，在整個訪問期間不改變。P2口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。2.P3口：P3口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口的輸出緩沖器可驅動4個TTL 邏輯門電路。對P3口管腳寫入“1”后，被內部上拉電阻拉高，可用作輸入。P3口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部接有上拉

14、電阻的緣故。P3口除了一般I/O線的功能外，還具有更為重要的第二功能，如表1所示。P3口同時為FLASH 編程和編程校驗接收一些控制信號。 圖4 AT89S51的引腳圖 表1 P3口的第二功能（1）VCC ：電源電壓；（2）GND ：接地；（3）P0口：P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，每位引腳可驅動8個TTL 邏輯門路。對P0口的管腳寫“1”時，被定義為高阻抗輸入。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，它可以被定義為數據總線和地址總線的低八位。在FLASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口；當FLASH 進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。（4）P1口：P1口是一個內部提供

15、上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口的輸出緩沖器可驅動4個TTL 邏輯門電路。對P1口管腳寫入“1”后，被內部上拉電阻拉高，可用作輸入。P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部接有上拉電阻的緣故。在FLASH 編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P1口還具有第二功能，如表3-2所示。（5）RST ：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST 腳兩個機器周期的高電平時間。（6） ALE/RPOG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/

16、6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE 禁止，置位無效。（7）/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。（8）/EA/VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH ），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時

17、，/EA將內部鎖定為RESET ；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（VPP ）。（9）XTAL1：片內高增益反向放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。（10）XTAL2：片內高增益反向放大器的輸出端。3.2.3 AT89S51的復位電路當單片機一上電，立即復位；另外，如果在運行中，外界干擾等因素使單片機的程序陷入死循環狀態或“跑飛”，就可以通過按鍵使其復位。復位也是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態的一種操作。電容C 和電阻R1實現上電自動復位。增加按鍵開關S 和電阻R2又可實現按鍵復位功能。R2的作用是在S 按下的時候

18、，防止電容C 放電電流過大燒壞開關S 的觸點。因保證R1/R2 >10。一般取C=10uF,R2=100，R1=8.2K。3.3AT89S51與ADC0809的連接圖5 AT89S51與ADC0809的連接電路AT89S51與ADC0809的連接電路如圖5所示。AT89S51與ADC0809的連接必須注意處理好3個問題：1. 在START 端送一個100ns 寬的啟動正脈沖；2. 獲取EOC 端上的狀態信息，因為它是A/D轉換的結束標志；3. 給“三態輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給OE 端送一個地址譯碼器的輸出信號。3.4 4位一體7段LED 數碼管本設計的顯示模塊主要由一個4位

19、一體的7段LED 數碼管(SM410564)構成，用于顯示測量到的電壓值。每一位數碼管的a,b,c,d,e,f,g 和dp 端都各自連接在一起，用于接收AT89S51的P1口產生的顯示段碼。1，2，3，4引腳端為其位選端，用于接收AT89S51的P3口產生的位選碼。3.5 整機電路及工作原理設計采用AT89S51單片機芯片配合ADC0809模/數轉換芯片構成一個簡易的數字電壓表。設計的硬件電路由主控部分(單片機AT89S51) 、采集模擬量部分（A/D轉換一路ADC0804）、顯示部分（四位八段數碼管）、報警電路（蜂鳴器）4個部分組成。各部分之間相互協作，構成一個統一的有機整體，實現數字電壓表

20、的功能。該電路通過ADC0809芯片采樣輸入口IN0輸入的05 V的模擬量電壓，經過模/數轉換后，產生相應的數字量經過其輸出通道D0D7傳送給AT89S51芯片的P0口。AT89S51負責把接收到的數字量經過數據處理，產生正確的7段數碼管的顯示段碼，并通過其P1口經驅動芯片74HC245驅動，再傳送給數碼管。同時它還通過其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2產生位選信號，控制數碼管的亮滅。另外，AT89S51還控制著ADC0809的工作。其ALE 管腳為ADC0809提供了1MHz 工作的時鐘脈沖；P2.3控制ADC0809的地址鎖存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的啟動端(STA

21、RT)；P2.5控制ADC0809的輸出允許端(OE)；P3.7控制ADC0809的轉換結束信號(EOC)。4、 軟件設計4.1 主程序設計初始化中主要對AT89S51，ADC0809的管腳和數碼管的位選及所用到的內存單元70H,78H,79H,7AH 進行初始化設置。準備工作做好后便啟動ADC0809對IN0腳輸入進的05V 電壓模擬信號進行數據采集并轉換成相對應的0255十進制數字量。在數據處理子程序中，運用標度變換知識，編寫算法將0255十進制數字量轉換成0.005.00V 的數據，輸出到顯示子程序進行顯示。整個主程序就是在A/D轉換，數據處理及顯示程序循環執行。整個程序流程框圖如圖6所

22、示。圖6 主程序流程框圖圖7 A/D轉換流程框圖 4.2 各子程序設計 4.2.1 A/D轉換子程序啟動ADC0809對模擬量輸入信號進行轉換，通過判斷EOC （P3.1引腳）來確定轉換是否完成，若EOC 為0，則繼續等待；若EOC 為1，則把OE 置位，將轉換完成的數據存儲到70H 中。程序流程圖如圖7所示。4.2.2 數據處理子程序數據處理子程序主要根據標度變換公式，把0255十進制數轉換為0.005.00V 。Ax A 0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)Ax:模擬測量值; A0:模擬量輸入最小值; Am:模擬量輸入最大值;Nx:摸/數轉換后的數值; N0:摸數轉換后的最小

23、值; Nm摸/數轉換的最大值。 在本設計中，根據要求知：A0=0V，Am=5V，N0=0，Nm=255則公式1-1可化簡為：Ax=A0+（Am-A0）*（Nx-N0）/(Nm-N0)=5Nx/255=Nx/514.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態掃描法實現三位數碼管的數值顯示。測量所得的A/D轉換數據放在70H 內存單元中，測量數據在顯示時需轉換成10進制BCD 碼放在78H 7AH 單元中，寄存器R1用作顯示數據地址指針。5、 結束語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

24、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電壓的功能。通過本次課程設計的鍛煉，我學到了很多有關儀表的設計方法與工作原。在設計的過程中，出現了很多錯誤，這讓我明白了，對總體的把握固然重要，但對于一個實際的系統，很難在設計之初就把握所有細節，設計任何一個系統都需要耐心逐步去發現和解決問題。在尋求解決困難的過程中，激發了我今后努力學習的興趣，我想這將對我以后的學習產生積極的影響。總體來說，這次實習使我受益匪淺。在摸索該如何設計電路使之實現所需功能的過程中，特別有趣，培養了我的設計思維。通過兩個星期的學習讓我把書本上的知識轉換成實際可操作的東西，讓我體會到

25、成功的喜悅和快樂。6、 參考文獻1 蔡美琴等編著，MCS-51系列單片機系統及其應用，高等教育出版社，2004.42 譚浩強 編C 語言程序設計（第二版） 清華大學出版社 3 朱定華編著微機原理、匯編與接口技術清華大學出版社4 陳堂敏.劉煥平主編單片機原理與應用 北京:北京理工大學出版社，2007.5 李廣弟等 單片機基礎 北京航空航天出版社，2001.76 樓然苗等 51系列單片機設計實例 北京航空航天出版社，2003.37 劉瑞新等 單片機原理及應用教程 機械工業出版社，2003.7 68 李朝青等編著單片機原理及接口技術 北京航空航天大學出版社，2004.1 9 霍孟友等 單片機原理與應

26、用機械工業出版社，2004.10 許泳龍等 單片機原理及應用機械工業出版社，2005.111 馬忠梅等 單片機的C 語言應用程序設計北京航空航天大學出版社，2003 修訂版。附錄/* writer:shopping.w */#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code LEDData1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code LEDData2=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe