1、精選文檔單片機課程設計報告簡易數字電壓表一、設計任務與要求1.電壓表的測量范圍為0-5V;2.測量精度約為20mV。二、方案設計與論證方案一：選擇MC14433A/D轉換器、CD4511等元器件設計電路：方案二：用單片機設計電路：設計接受STC89C52單片機、A/D轉換器ADC0809和共陰數碼管為主要硬件，分析了數字電壓表Proteus軟件仿真電路設計及編程方法。將單片機應用于測量技術中，接受ADC0809將模擬信號轉化為數字信號，用STC89C52實現數據的處理。通過數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轉換器MC14433轉換精度為讀數的±0.05

2、%±1字，并能很便利地推斷出是否超欠量程，以便于量程的自動切換功能的實現，其中集成了雙積分式A/D轉換器全部的CMOS模擬電路和數字電路。具有輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能。缺點是工作速度低，且外圍電路需配基準電源，短譯碼驅動器和位驅動器，電路較簡單。方案2：設計電路簡潔。易于把握，且性能穩定；單調試過程需要肯定的編程基礎，可利用Proteus軟件仿真電路設計和調試。Proteus軟件是一種電路分析和實物模擬仿真軟件。它運行于Windows操作系統上，可以進行仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路，是集單片機和SPICE分

3、析于一身的仿真軟件，功能強大，具有系統資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優點，因此可用此軟件便利調試電路。經過以上兩種方案的特點比較，方案二中的電路設計接受比較常見的元器件，對這種方案有肯定的專業基礎，故接受其次種方案。三、單元電路設計與參數計算1A/D轉換模塊1.1ADC0809主要特性ADC0809是CMOS單片型逐次靠近式A/D轉換器，帶有使能把握端，與微機直接接口，片內帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉換，由于ADC0809設計時考慮到若干種模/數變換技術的特長，所以該芯片格外適應于過程把握，微把握器輸入通道的接口電路，智能儀器和機床把握等領域。

4、ADC0809主要特性:8路8位A/D轉換器，即辨別率8位；具有鎖存把握的8路模擬開關；易與各種微把握器接口；可鎖存三態輸出，輸出與TTL兼容；轉換時間：128s；轉換精度：0.2%；單個+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0- +5V，無需外部零點和滿度調整；低功耗，約15mW。1.2ADC0809的外部引腳特征 ADC0809芯片有28條引腳，接受雙列直插式封裝，其引腳圖如圖1所示。圖1 ADC089引腳圖下面說明各個引腳功能:IN0-IN7（8條）：8路模擬量輸入線，用于輸入和把握被轉換的模擬電壓。地址輸入把握（4條）：ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當ALE為高電平常，為地址輸入線

5、，用于選擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線，用于選擇8路模擬輸入中的一路，其對應關系如表1所示：表1 ADC0809通道選擇表地址碼 對應的輸入通道 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“啟動脈沖”輸入法，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC: EOC為轉換結束輸出線，該線上高電平表示A/D轉換已結束，數字量已鎖

6、入三態輸出鎖存器。D1-D8：數字量輸出端，D1為高位。OE：OE為輸出允許端，高電平能使D1-D8引腳上輸出轉換后的數字量。REF+、REF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網絡供應標準電壓。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:時鐘輸入端。1.3ADC0809的內部結構及工作流程ADC0809由8路模擬通道選擇開關，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開關樹型A/D轉換器，逐次靠近型寄存器，定時和把握電路和三態輸出鎖存器等組成，其內部結構如圖2所示。圖2 ADC0809的內部結構其中：（1）8路模擬通道選擇開關實

7、現從8路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進行比較。（2）地址鎖存與譯碼器用于當ALE信號有效時，鎖存從ADDA、ADDB、ADDC 3根地址線上送來的3位地址，譯碼后產生通道選擇信號，從8路模擬通道中選擇當前模擬通道。（3）比較器，8位開關樹型A/D轉換器，逐次靠近型寄存器，定時和把握電路組成8位A/D轉換器，當START信號有效時，就開頭對當前通道的模擬信號進行轉換，轉換完成后，把轉換得到的數字量送到8位三態鎖存器，同時通過引腳送出轉換結束信號。（4）三態輸出鎖存器保存當前模擬通道轉換得到的數字量，當OE信號有效時，把轉換的結果送出。ADC0809的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使A

8、LE=1,將地址存入地址鎖存器中，經地址譯碼器從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位，下降沿啟動A/D轉換，并使EOC信號為低電平。（3）當轉換結束時，轉換的結果送入到輸出三態鎖存器中，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉換結束。（4）當CPU執行一讀數據指令時，使OE為高電平，則從輸出端D0-D7讀出數據。2單片機系統2.1 STC89C52性能STC89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含有8KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256字節的隨機存儲器。該器件接受ATMEL高密度非易失存儲

9、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STC89C52是一種高效微把握器，它為很多嵌入式把握系統供應了一種機敏性高且價廉的方案。STC89C52功能性能:與MCS-51成品指令系統完全兼容；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。 2.2 STC89C52各引腳功能STC89C52供應以下標準功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內部RAM，

10、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，片內震蕩器準時鐘電路，同時，STC89C52可降至0Hz靜態規律操作，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連續工作，掉電方式保存RAM中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其他全部工作直到下一個硬件復位。STC89C52接受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個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的狀況，第一種狀況是89C52不帶外存儲器，P0口可以為通用I

11、/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，增加了數據輸入的牢靠性；其次種狀況是89C52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。圖3 STC89C52的引腳圖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

12、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口引腳的其次功能相協作，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，其次功能為把握功能，每個引腳并不完全相同，如下表2所示：表2 P3口各位的其次功能P3口各位其次功能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

13、（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，協作P0口的其次功能使用，在訪問外部存儲器時，89C52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，89C52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，可以把握89C52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，89C52自動在

14、/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89C52處于復位(即初始化)工作狀態。通常89C52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89C52片內OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3復位電路和時鐘電路3.1 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，并從這個狀態開頭工作。MCS-52單片機有一個復位引腳RST,接受施密特觸發輸入。當震蕩器起振后，只要該引腳上消滅2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復位。復位完

15、成后，假如RST端連續保持高電平，MCS-52就始終處于復位狀態，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3.2 時鐘電路設計單片機中CPU每執行一條指令，都必需在統一的時鐘脈沖的把握下嚴格按時間節拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機把握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挨次稱為單片機的時序。MCS-52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

16、為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。本設計系統接受內部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器，外部電路只需要一個晶振和2個電容即可，如圖5所示。圖5 振蕩電路電路中的器件選擇可以通過計算和試驗確定，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30±10pF，在這個系統中選擇了30pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它打算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6MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為6MHz。4 LED顯示系統設計4.1 LED基本結構LED七段數碼顯示器由8個發光二極管組成顯示字段，7個

17、長條形的發光二極管排列組合可用來顯示各種數字。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計中，選擇4位一體的數碼型LED顯示器，簡稱“4-LED”。本系統中前一位顯示電壓的整數位，后兩位顯示電壓的小數位。4-LED顯示器引腳如圖7所示，是一個共陽極接法的4位LED數碼顯示管，其中a，b，c，e，f，g為4位LED各段的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數選端，dp是小數點引出端，4位一體LED數碼顯示管的內部結構是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內部都并聯后，引出到器件的外部。圖7 4位LED引腳4.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由

18、顯示字符轉換得到對應的字段碼的方式，對于LED數碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用特地的硬件電路來實現顯示字符碼的轉換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序。本設計系統中為了簡化硬件線路設計，LED譯碼接受軟件編程來實現。由于本設計接受的是共陰極LED，其對應的字符和字段碼如下表3所示。表3 共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼顯示字符共陰極字段碼03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH4.4 LED顯示器與單片機接口設計由于單片機的并行口不能直接驅動LED顯示器

19、，所以，在一般狀況下，必需接受專用的驅動電路芯片，使之產生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。假如驅動電路力量差，即負載力量不夠時，顯示器亮度就低，而且驅動電路長期在超負荷下運行簡潔損壞，因此，LED顯示器的驅動電路設計是一個格外重要的問題。為了簡化數字式直流電壓表的電路設計，在LED驅動電路的設計上，可以利用單片機P0口上外接的上拉電阻來實現，即將LED的A-G段顯示引腳和DP小數點顯示引腳并聯到P0口與上拉電阻之間，這樣，就可以加大P0口作為輸出口德驅動力量，使得LED能依據正常的亮度顯示出數字，如圖8所示。圖8 LED與單片機接口間的設計四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖9數字電壓表總原

20、理圖2 元件清單表4數字電壓表元件清單器件名稱封裝數量按鍵KEY21510AXIAL0.3810KAXIAL0.3110uFRB.1/.2112M晶振XTAL1130PRAD0.12STC89C52DIP40-1110UfRB.1/.21ADC0809DIP281四位一體共陰數碼管CL3461AS15、 安裝與調試1、 系統硬件調試在系統上電開頭測量前，要用萬用表的電壓檔對被測電壓進行估測，然后以此選擇適當的量程，防止過大電壓燒壞A/D轉換器。首先用萬用表依據原理圖逐步檢查萬能板中各器件的電源及個引腳的連接是否正確，有否短路、斷路或者虛焊，尤其是給電路供電的電源部分要重點檢查，用數字玩嫩惡搞萬

21、用表測量輸出端的電壓是否為+5v，是否穩定。假如電壓要求沒有達到，要準時排查與解決，以免燒壞芯片和其他元器件。2、 系統軟件調試軟件調試的任務是利用開發工具在線仿真調試，發覺和訂正程序的錯誤，同時也能發覺硬件的故障。軟件調試是一個模塊進行的。首先單獨調試各模塊程序是否能依據預期的功能，借口電路的把握是否正常，最終調試整個程序，尤其留意的是各模塊間能否正確的傳遞參數。在一開頭調試時，數碼管的顯示較不穩定，感覺較閃爍，數據變化不連貫，好像在跳變。經過反復思考發覺，因人眼的視覺暫留時間為0.1S，所以每位顯示的間隔不必超過20MS，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。于是將程序的顯示部分加以延時

22、。經再次調試可以顯示比較穩定的數字串了。6、 性能測試與分析設計完成之后，調試過程可以利用對部分給定電壓的測量結果分析來完成。首先要校準零點；將A/D轉換器的模擬輸入端口接地，即讓電壓為0V校準零點之后，就可以進行測試了。以下表5所示對系統進行測試并調整表5編號實際電壓（V）顯示電壓（V）誤差（%）054.9980.0414.334.2581.522.532.5681.732.372.283.741.861.822.2由于1K電位器是粗調電位器，在Proteus中電位器都調零了，但電位器本身就有肯定的電阻，就是說在挑零的狀況下，還存在肯定的誤差。所以誤差是在所難免的，還有就是由于電源本身的緣由，在設計電路的時候，沒有考慮到供應穩定電源的電源電路，所以供電電源沒有能夠供應穩定的5V電壓，所以在測試的時候也有誤差的。7、 結論與心得為期1個星期的課程設計已經結束，在這個星期的學習、設計過程中我感受頗深。使我對單片機的理論學問有了具體的生疏。通過這次設計，我的理論學問把握得更扎實，動手力量明顯提高。同時，通過網上搜尋等多方面的查詢資料，比如我們用的STC89C52芯片。通過本次課程設計我學到很多在書