項目七數字電壓表設計【項目導入】工業測控領域的測量信號大多都是一些模擬量，這些模擬量要送入單片機進行處理就必須進行模數轉換（A/D轉換），經過A/D轉換的信息就可以通過I/O口進行輸出顯示。單片機的A/D應用在工業控制領域十分廣泛，在此我們通過數字電壓表的設計來講述單片機的A/D轉換和數碼管顯示電路的設計，讓大家能夠掌握A/D轉換器和數碼管顯示在單片機控制系統中的應用。【項目目標】1.知識目標（1）理解A/D轉換器的基本原理；（2）掌握A/D轉換器與單片機的接口使用；（3）掌握數碼管與單片機的接口連接。（2.能力目標（1）能夠正確使用A/D轉換器；（2）能夠設計單片機與A/D轉換器的接口電路并編程控制A/D轉換器；（3）能夠設計單片機與數碼管的接口電路。3.態度目標（1）養成良好的學習習慣和勤于思考的態度；（2）具有與別人和諧相處、互幫互助和有效溝通的團隊協作意識能力；（3）具有良好的安全意識、環保意識和責任意識。A/D轉換在工業控制與測量領域有著廣泛的應用，比如說電壓表就是一個例子。本項目就是通過設計一塊電壓表來講述A/D轉換的基本原理、A/D轉換的基本接口電路和A/D轉換的編程以及LED數碼管顯示電路的設計。項目中轉換電路采用A/D轉換的芯片ADC0809，測量電壓范圍為直流電壓0V～5V，用LED數碼管顯示。7.2項目目的與要求本項目的目的就是使用單片機AT89C51、ADC0809轉換器、數碼管進行設計一塊數字電壓表，該電壓表能夠準確地測量0V～5V之間的直流電壓值，其測量最小分辨率為0.02V。項目在實施過程中需要解決的一下關鍵問題（1）ADC0809芯片的轉換特性以及它與單片機的接口電路；（2）LED數碼管顯示原理及接口電路設計；（3）單片機C語言及程序設計。7.3.1A/D轉換及接口電路

計算機只能儲存和處理二進制形式的數字量，凡遇到有模擬量的地方，就要進行模擬量向數字量或數字量向模擬量的轉換，這就是數/模和模/數轉換問題。將模擬量轉換成數字量的過程稱為A/D轉換，將數字量轉換成模擬量的過程稱為D/A轉換，與之有關的接口技術稱為模擬通道接口技術。因為在單片機應用系統中，常需要將檢測到的連續變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉換成數字信號，才能輸入到單片機中進行處理，然后再將處理結果的數字量轉換成模擬量輸出，實現對被控對象的控制。

一、A/D轉換基本知識及常用A/D

轉換器件A/D轉換器的作用是將模擬量轉換為數字量，以便計算機接收處理。傳感器單片機A/D轉換1.A/D轉換器分類(1)逐次逼近式：逐次逼近式屬直接式A/D轉換器。(2)雙積分式：雙積分式是一種間接式A/D轉換器。(3)V/F變換式：V/F變換器能夠將模擬電壓信號轉換為頻率信號。(4)并行式：并行式也屬于直接式A/D轉換器，它是所有類型A/D轉換器中轉換速度最快的。2.A/D轉換器主要技術性能指標

(1)分辨率：分辨率表示輸出數字量變化一個最低有效位（LeastSignificantBit——LSB）所對應的輸入模擬電壓的變化量。

n

為A/D轉換器輸出的二進制位數(2)量化誤差：模擬量是連續的，而數字量是斷續的，當A/D轉換器的位數固定后，數字量不能把模擬量所有的值都精確地表示出來，這種由A/D轉換器有限分辨率所造成的真實值與轉換值之間的誤差稱為量化誤差。一般量化誤差為數字量的最低有效位所表示的模擬量，理想的量化誤差容限是±1/2LSB。

(3)轉換精度：轉換精度是一個實際的A/D轉換器和理想的A/D轉換器相比的轉換誤差。絕對精度一般以LSB為單位給出，相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。(4)轉換時間：指A/D轉換器完成一次A/D轉換所需時間。轉換時間越短，適應輸入信號快速變化能力越強。其倒數是轉換速率。(5)溫度系數：是指A/D轉換器受溫度影響的程度。一般用環境溫度變化1℃所產生的相對誤差來表示，單位是PPM/℃(10-6/℃)。3.A/D轉換器原理

（1）采樣與保持采樣就是將一個時間上連續變化的模擬量轉換成時間上離散的模擬量稱為采樣。取樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs≥2fmax,y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復原模擬信號),取樣的具體過程如圖所示A/D轉化過程中的采樣保持：由于A/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。采樣后保持的過程如圖所示。采樣―保持電路及輸出波形（2）量化和編碼數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。將采樣—保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數倍的過程叫做量化。用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進制數只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。電平量化的過程如圖所示。（a）量化誤差大（b）量化誤差小劃分量化電平的兩種方法

二、常用A/D器件的接口電路

ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道、8位逐次逼近式A/D轉換器。STARTCLOCKEOCD0D7IN0IN7ADDAADDBADDCALE八位轉換器A/D三態輸出鎖存器VCCGNDOEREF(+)REF(-)38地址鎖存與譯碼八路模擬量開關......1．結構及轉換原理

（1）八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器（2）8位A/D轉換器

（3）三態輸出寄存器

2．引腳功能

ADC0809采用DIP-28（雙列直插式）封裝12345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVCCREF(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7(MSB)D6D5D4D0(LSB)REF(-)D2ADC0809引腳功能表3．ADC0809的時序

4．ADC0809與MCS-51單片機的接口電路寫信號、P2.7有效時，啟動AD轉換。轉換結束后，輸出高電平，向CPU發出中斷請求讀信號、P2.7有效時，允許輸出AD轉換結果。轉換時鐘由ALE分頻得到。A1A2803174LS373ADC0809分頻CLOCKD0~D7≥1≥11GEOCSTARTALEOERDP2.7WRALEP0A0~A7A0REF(+)REF(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1轉換結果由此輸出ADDAADDBADDCINT1主要功能信號的處理方法

(1)時鐘信號：當單片機時鐘頻率高于6MHz時，ALE信號必須經2或4分頻后才能接到ADC0809的CLOCK引腳上，否則不能正常工作。(2)地址線和數據線：ADC0809的地址選擇信號線和輸出數據線均與P0口相接。ADDA～ADDC三根地址線的連接與芯片及模擬通道選擇又密切關系，地址線經地址鎖存器可提高輸入信號的穩定性。(3)控制信號：通過、和P2.7的組合實現對ADC0809控制，顯然只有當P2.7為低電平時才能對ADC0809進行操作。轉換結束信號EOC通過非門與8031的連接，用來發出中斷請求或供CPU查詢轉換狀態。

各個通道的地址選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809ST××××××××××××CBA

0××××××××××××000

…

…

0××××××××××××111設無關地址位為“1”，則模擬通道IN0～IN7的地址依次為7FF8H～7FFFH5．程序設計

單片機的A/D轉換編程有兩條基本原則：一方面要滿足所選A/D轉換器的轉換時序要求，另一方面要根據具體的接口電路編寫具體的轉換程序——即應用軟件要和硬件協調、統一。對于ADC0809而言，其控制程序的主要任務是如何判斷一次A/D轉換何時結束，只有以此為前提才能保證取回的轉換結果的正確性。

(1)軟件延時等待方式

完成一次A/D轉換的一般流程是：單片機工作寄存器初始化送通道地址及啟動轉換信號軟件延時等待轉換結束送讀取轉換結果信號輸出轉換結果。其中軟件延時時間取決于ADC器件的轉換時間，可以通過計算和調試獲得。(2)程序查詢方式

將A/D轉換器的轉換結束信號EOC接至單片機的某端口(如接入P3.3，即

)，啟動轉換開始后用程序查詢該輸入端是否出現轉換結束信號，沒有則繼續查詢，一旦出現結束信號即可取回轉換結果。(3)中斷方式

將ADC的轉換結束信號EOC經一定的邏輯接口引至單片機的外部中斷輸入端（如接入），用來向單片機提出中斷申請。編程時，在主程序中啟動A/D轉換并繼續執行主程序。當接收到ADC的轉換結束EOC（即中斷請求）信號后立即轉去執行中斷服務程序，并在其中完成取回轉換結果、啟動下一次轉換等操作。例如：數據傳送程序：#defineADDIN0XBYTE[0XFEF0]//定義0809的口地址Unsignedcharaddata；addata=ADDIN0；//讀A/D轉換數據（INT0）該指令在送出有效口地址的同時，發出有效信號，使ADC0809的輸出允許信號OE有效，從而打開三態門輸出，把轉換后的數據通過數據總線送入內部變量addata中。【例7-1】在圖7-6所示的接口電路設計中如何實現8路模擬量輸入的巡回監測系統。過程分析：ADC0809的8路通道地址為0FEF0H～0FEF8H，在51程序設計中，要訪問外部RAM器件，需通過XBYTE指令定義在本系統中，ADC0809的通道0的地址為0xfef0，讀取該通道值的語句為ad_value=XBYTE[0xfef0]。程序設計如下：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineAD08090xfef0SbitP3_5=P3^5;Unsignedchardat=0xff;Unsignedcharchannel_num=0x00;Unsignedcharad_value[8];/*************主程序***********/main(){IT1=1;EA=1;EX1=1;XBYTE[AD0809+channel_num]=0x00;//啟動AD0809While(1);}/*************主程序***********/VoidInt1_Int1SR()interrupt2{ad_value[channel_num]=XBYTE[AD0809+channel_num];channel_num++;XBYTE[AD0809+channel_num]=0x00;//重新啟動AD0809If(channel_num==8){channel_num=0;}}7.4項目實施按照項目的設計要求，將系統分為主控模塊、A/D轉換模塊、LED顯示模塊、驅動電路模塊等幾個模塊，系統的框圖如圖7-10所示。主控模塊是AT89C51小系統，A/D轉換模塊采用ADC0809轉換器芯片，顯示模塊采用4位7段共陽數碼管。AT89C51主控芯片電源電路復位電路驅動電路LED顯示ADC0809電壓信號晶振電路圖7-10單片機的數字電壓表系統框圖硬件設計7.4.2軟件設計由于ADC0809在進行A/D轉換時需要CLK信號，本設計中的CLK接在單片機的P1.3引腳上，因此產生CLK信號的方法就要用軟件來實現，即由定時器T0來提供。編程思路如下：首先在確定控制方式后，對引腳進行初始化并選擇轉換的通道，然后啟