單片機原理及接口技術課程設計--數字電壓表設計

1、<p>　　單片機原理及接口技術 課程設計（論文）</p><p>　　題目： 數字電壓表設計 </p><p>　　院（系）： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓

2、名： </p><p>　　指導教師： （簽字）</p><p><b>　　起止時間：</b></p><p>　　課程設計（論文）任務及評語</p><p>　　院（系）： 教研室： </p>

3、;<p>　　注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電壓表是一種在實驗室、教學和日常測量場合中使用廣泛的一種儀器。</p><p>　　傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足現代測量的要求，而數字電壓表卻有著顯著的優(yōu)勢。數字電

4、壓表又簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)、離散的數字形式加以顯示的儀表。</p><p>　　本文給出了具體的硬件設計和軟件結構，詳細描述了系統(tǒng)硬件設計線路的要點和結構以及軟件設計要點，同時給出了各部分硬件電路原理圖和子程序流程圖，完成A/D轉換功能并且用LED數碼管顯示結果，達到了任務書的要求。</p><p>　　關鍵詞：電壓表；數字化測量技術； LED數碼

5、管； A/D轉換</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 數字電壓表概況1</p><p>　　1.2 本文研究內容1</p><p>　　第2章 數字電壓表總體設計方案3</p

6、><p>　　2.1 CPU的選擇3</p><p>　　2.2 8155芯片簡介4</p><p>　　2.3 復位電路設計5</p><p>　　2.4 時鐘電路設計5</p><p>　　2.5 CPU最小系統(tǒng)圖6</p><p>　　第3章 硬件設計7</p>&l

7、t;p>　　3.1 量程選擇電路7</p><p>　　3.2 LED顯示電路設計7</p><p>　　3.3 A/D轉換器選擇8</p><p>　　第4章 軟件設計11</p><p>　　4.1 軟件實現功能綜述11</p><p>　　4.2 流程圖設計11</p><p

8、>　　4.2.1 主程序流程圖設計11</p><p>　　4.2.2 A/D轉換流程圖設計12</p><p>　　第5章 系統(tǒng)設計與分析13</p><p>　　5.1 系統(tǒng)原理圖13</p><p>　　5.2 系統(tǒng)原理綜述14</p><p>　　5.3 單片機程序14</p>

9、<p>　　第6章 課程設計總結17</p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　數字電壓表概況</b></p><p>　　智能儀器是儀器儀表的一種，近年來計算機技術及微電子器件在工程技

10、術中應用十分廣泛，在此基礎上發(fā)展起來的智能儀表無論是在測量的準確性、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用功能方面還是在解決測量技術與控制技術問題的深度及廣度方面都有了很大的發(fā)展，以一種嶄新的面貌展示在人們的面前。隨著大規(guī)模集成電路及計算機技術的迅速發(fā)展，以及在人工智能向測量技術的移植或應用的過程中，智能儀表將會有更大的發(fā)展。測量儀表的智能化為先導，帶動了各類儀表的智能化，是現代儀器儀表技術發(fā)展的主要趨勢。數字電壓表是在此基礎上發(fā)展起來，并被

11、廣泛的應用。</p><p><b>　　本文研究內容</b></p><p>　　電子電壓表主要用于測量各種高、低頻信號電壓，它是電子測量中使用最廣泛的儀器之一。根據測量結果的顯示方式及測量原理不同，電壓測量儀器可分為兩大類：模擬式電壓表(AVM）和數字式電壓表（DVM）。模擬式電壓表是指針式的，多用磁電式電流表作為指示器，并在表盤上刻以電壓刻度。數字式電壓表首先將

12、模擬量經模數（A/D）轉換器變成數字量，然后用電子計數器計數，并以十進制數字顯示被測電壓值。</p><p>　　眾所周知，模擬電壓表精度較高，曾經有很廣闊的市場，現在依然有不少工程師依然在使用模擬電壓表。的確模擬電壓表在顯示測量值方面精度校準，然而卻也存在問題。模擬電壓表采用用指針式，里面是磁電或電磁式結構，所以其響應速度較慢。</p><p>　　然而在高速發(fā)展的當今社會，高速信號處理

13、的需求越來越多，由于模擬電壓表響應速度較慢已經不適用與高速信號領域，取而代之的將是數字電壓表。但數字電壓表由于存在采樣誤差，精度不是很高。不過目前可以通過技術手段來縮小誤差。使其精度達到與模擬電壓表一樣精確甚至更高?？梢妼頂底蛛妷罕肀貙⑷〈M電壓表。現在有越來越多的數字測量儀器的出現但原理皆與數字電壓表殊途同歸，因此研究數字電壓表有著很大現實意義。</p><p>　　本設計總體以單片機8952為核心構成的單

14、片機應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)在8952外配程序存儲器、數據存儲器、A/D轉換器0809、以及I/O口接口電路、顯示電路等電路構成。交流電先經過單相濾波電路、信號放大電路輸入A/D轉換器0809,進一步送入8952后經顯示電路顯示電壓值，實現電壓測量的目的。</p><p>　　數字電壓表總體設計方案</p><p><b>　　主電路框圖</b></p><

15、;p>　　圖2.1 主電路原理框圖</p><p>　　框圖說明：需要測量的信號通過測量電路輸入，實現系統(tǒng)對模擬信號的檢測，模擬信號經測量電路輸入到A/D裝換裝置，經A/D轉換將模擬信號轉化為數字信號，輸入單片機處理，AT89S52單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。信號經單片機直接由單片機的P0，P2口驅動由LED顯示器，完成檢測過程，當單片機的復位引腳RS

16、T(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。本方案主要是通過單片機中來實現檔位的自動切換功能，在程序運行的過程中通過計算得出數據自動切換量程，主要通過I/O端口讀取轉換數據，經計算送LED顯示數據，簡易實現自動切換檔位的功能，經過單片機處理后的數據來控制LED中顯示出相應的數據。</p><p><b>　　CPU的選擇</b></p><p

17、>　　AT89S52是目前市場上比較常見的一種單片機，性價比比較高，而且適合于電子密碼鎖的設計，所以我們選擇了這種單片機，主要有以以下幾個端口。</p><p>　　P0、P1、P2、P3:輸入/輸出端口。</p><p>　　XTALl：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p>

18、<p>　　Vcc：電源電壓 。</p><p><b>　　GND：地 。</b></p><p><b>　　RST：復位輸入。</b></p><p>　　ALE／PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于 鎖存地址的低8位字節(jié)。</p><

19、p>　　PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出。</p><p>　　EA／VPP：片外程序存儲器訪問允許信號,低電平有效.EA=1,選擇片內程序存儲器;EA=0,則程序存儲器全部在片外而不管片內是否有程序存儲器。對于片內無ROM的80C31/80C32單片機,應將EA引腳固定接低電平,以迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器程序。由于本次設計需要儲存空間比較小，內部ROM已經足夠，所以接入的是VCC高電平，沒有外

20、部拓展，使用內部程序存儲器。</p><p>　　單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入和用戶I/O口外，其余引腳都是為了實現系統(tǒng)擴展而設置的。這些引腳構成了三總線結構，分別是地址總線、數據總線和控制總線</p><p><b>　　8155芯片簡介</b></p><p>　　256x8靜態(tài)RAM，2個可編程位I/O口和一個可編程6位I/O口，

21、可編程14位定時/計數器，與8088CPU兼容。多路傳輸地址和數據總線，內部地址鎖存，單+5V電源，任一引腳對地電壓=-0.5V-+7V，8155H、8156H為HCMOS產品，8155與8156的區(qū)別在于8155片選信號輸入為CE，而8156為CE，8155的RAM存取時間約為400ns，8155-2存取時間為330ns，8155的功耗為1.5W。</p><p>　　圖2.2 芯片8155</p>

22、<p><b>　　復位電路設計</b></p><p>　　復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。</p><p>　　單片機的復位都是靠外部復位電路來實現的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的PESET引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖（兩個機器周期）以上的高電平，單片機就能實現復位。為了保證系統(tǒng)可靠復位，在設計復位電

23、路時，一般使RESET引腳保持10ms以上的高電平，單片機便可以可靠的復位。當RESET從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間。ALE和引腳輸出高電平。</p><p>　　本設計采用按鍵式復位電路，它的上電復位利用電容器充電來實現，同時通過按鍵實現復位，按下鍵后，通過R1和R2形成回路，使RESET端產生高電平。按鍵的時間決定了復位時間。</p><p&g

24、t;<b>　　圖2.3 復位電路</b></p><p><b>　　時鐘電路設計</b></p><p>　　時鐘電路用于產生單片機工作所需的時鐘信號。時鐘信號可以由兩種方式產生：內部時鐘方式和外部時鐘方式。</p><p><b>　　圖2.4 時鐘電路</b></p><p

25、><b>　　CPU最小系統(tǒng)圖</b></p><p>　　根據上述4節(jié)圖，形成完整的CPU最小系統(tǒng)圖</p><p><b>　　圖2.5 最小系統(tǒng)</b></p><p><b>　　硬件設計</b></p><p>　　根據設計要求與思路，確定該系統(tǒng)的設計方案。硬件

26、電路由5個部分組成：量程選擇電路，單片機時鐘電路，復位電路，A/D轉換電路，3位LED顯示器電路。</p><p><b>　　量程選擇電路</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件電路設計，對待測模擬電壓值按不同的范圍，分為Ui, 0.1Ui, 0.01Ui, 0.001Ui, 0.0001Ui 五個檔位，處理的信號送入單片機進行處理并顯示，量程選擇方式：手動

27、。如圖3.1所示。</p><p><b>　　圖3.1 量程設計</b></p><p>　　量程選擇電路原理：此量程選擇電路是采用電阻分壓的原理制成。設輸入為Ui時，閉合1，電阻1K與其他電阻分壓，實現檔位為0.0001Ui，當閉合2時電阻1k與9K串聯，共同分壓，實現檔位時0.001Ui，同理類推，當閉合5時，檔位為Ui檔。</p><p&g

28、t;<b>　　LED顯示電路設計</b></p><p>　　單片機應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人機對話。這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數據輸入，以及應用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結果。LED顯示器的驅動是一個非常重要的問題，顯示電路由LED顯示器、段驅動電路和位驅動電路組成。此設計不采用段驅動芯片和位驅動芯片，直接由單片機的P0，P2口驅動，實驗證明可行。在應用系統(tǒng)中，設計要求不同，使用

29、的LED顯示器的位數也不同，在設計中，選擇3位LED顯示器，采用動態(tài)顯示方式。顯示器接口原理圖如圖3.4所示。</p><p><b>　　圖3.2 顯示電路</b></p><p>　　采用P0口作為LED的段碼輸出信號，P2口的低3位作為LED位碼的輸出控制信號。</p><p>　　該電路的工作原理：當P0口輸出段碼信號的BCD碼后，輸出

30、具有一定驅動能力的七段字形碼，由于3-LED的段碼輸入管腳是并聯在一起的，所以每一位LED的段碼輸入管腳都能獲得這個段碼信號。若要控制在每一時刻只有一位LED被點亮，必須靠位碼信號控制。P2口低3位輸出位碼信號后接到LED的位碼控制端，因此P2口的低3位的位碼信號在每一時刻只有一位是“1”，其他位全為“0”，然后按時間順序改變輸出“1”的位置，控制在每一時刻只有一位LED被點亮，達到動態(tài)顯示的目的。說明：1位顯示轉換通道，2、3位顯示電

31、壓表數值。</p><p><b>　　A/D轉換器選擇</b></p><p>　　ADC0808/0809簡介</p><p>　　圖3.3 ADC0809引腳圖</p><p>　　ADC0808/0809引腳功能：</p><p>　　IN0～IN7：8路模擬量輸入。A、B、C：3位地址輸

32、入，2個地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。</p><p>　　ALE：地址鎖存啟動信號，在ALE的上升沿，將A、B、C上的通道地址鎖存到內部的地址鎖存器。</p><p>　　D0～D7：八位數據輸出線，A/D轉換結果由這8根線傳送給單片機。</p><p>　　OE：允許輸出信號。當OE=1時，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數據。</p>&

33、lt;p>　　START：啟動信號輸入端，START為正脈沖，其上升沿清除ADC0808的內部的各寄存器，其下降沿啟動A/D開始轉換。</p><p>　　EOC：轉換完成信號，當EOC上升為高電平時，表明內部A/D轉換已完成。</p><p>　　ADC0808內部結構圖：</p><p>　　圖3.4 ADC0809內部結構</p><

34、p>　　A/D轉換器0809的任務是將模擬量轉換成數字量,它是模擬信號和數字儀器的接口。其內部原理圖如下所示</p><p><b>　　主要部件的功能： </b></p><p>　?、?56R電阻梯形網絡。即R-2R電阻網絡。 </p><p>　?、谥鸫伪平拇嫫鱏AR。執(zhí)行8次迭代后表示近似輸入電壓。 </p>&l

35、t;p>　?、郾容^器。將輸入模擬量與逐次逼近值進行比較。 </p><p>　?、芏嗦烽_關。選擇不同通道的模擬量。</p><p>　　逐次逼近型A/D轉換器ADC0808由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、D/A轉換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。</p><p>　　圖3.5 量程電路設計</p><p><

36、b>　　軟件設計</b></p><p><b>　　軟件實現功能綜述</b></p><p>　　通過對主程序的設計和A/D轉換器子程序的設計，實現電壓測量范圍在0～500 V；測量精度0．5％；量程自動切換的數字電壓表</p><p><b>　　流程圖設計</b></p><p&

37、gt;<b>　　主程序流程圖設計</b></p><p>　　程序的內容一般包括：主程序的起始地址、中斷服務額程序的起始地址、有關內存單元及相關部件的初始化和一些子程序調用等。為了顯示能夠看清便于記錄中間設置一個短暫的演示程序，根據設計要求，設計出如圖4.1所示的主程序流程圖。</p><p>　　A/D轉換流程圖設計</p><p>　　A

38、/D轉換程序的功能是采集數據，在整個系統(tǒng)設計中占有很高的地位。當系統(tǒng)置好后，單片機掃描轉換結束管腳P2.6的輸入電平狀態(tài)，當輸入為高電平則轉換完成，將轉換的數值轉換并顯示輸出。若輸入為低電平，則繼續(xù)掃描。程序流程圖如圖4.2所示。</p><p><b>　　系統(tǒng)設計與分析</b></p><p><b>　　系統(tǒng)原理圖</b></p>

39、;<p><b>　　圖5.1 總電路圖</b></p><p><b>　　系統(tǒng)原理綜述</b></p><p>　　本文采用程序控制放大器實現量程的自動轉換。用AT89s52進行數據控制、處理，送到顯示器顯示，硬件結構簡單，軟件采用單片機語言實現，程序簡單可讀寫性強，效率高。與傳統(tǒng)的電路相比，具有方便操作、處理速度快、穩(wěn)定性高、

40、性價比高的優(yōu)點，具有一定的使用價值。本設計在超量程時會顯示特定的值，即超量程顯示，如想更直觀的顯示，可加入聲光報警電路，在超量程操作時可進行聲光報警。</p><p><b>　　單片機程序</b></p><p>　　利用匯編軟件進行調試匯編，并驗證結果。</p><p>　　LED_0 EQU 30H</p><p>

41、;　　LED_1 EQU 31H</p><p>　　LED_2 EQU 32H</p><p>　　ADC EQU 35H</p><p>　　CLOCK BIT P2.4</p><p>　　ST BIT P2.5</p><p>　　EOC BIT P2.6</p><p>

42、　　OE BIT P2.7</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　SJMP START</p><p><b>　　ORG 0BH</b></p><p>　　LJMP INT_TO</p><p>　　START:MOV LED

43、_0,#00H</p><p>　　MOV LED_1,#00H</p><p>　　MOV LED_2,#00H</p><p>　　MOV DPTR,#TABLE</p><p>　　MOV TMOD,#02H</p><p>　　MOV TH0,#245</p><p>　　MOV TL0

44、,#00H</p><p>　　MOV IE,#82H</p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　WAIT: CLR ST</p><p><b>　　SETB ST</b></p><p><b>　　CLR ST</b>

45、;</p><p>　　JNB EOC,$ //JNB:當EOC=0時轉移到本指令首地址</p><p><b>　　SETB OE</b></p><p>　　MOV ADC,P1 //OE=1時將AD信號存入ADC中</p><p><b>　　CLR OE</b></p>&

46、lt;p><b>　　MOV A,ADC</b></p><p><b>　　MOV B,#51</b></p><p><b>　　DIV AB </b></p><p>　　MOV LED_2,A //A除以51，商在LED2，余數在B中</p><p><

47、b>　　MOV A,B</b></p><p><b>　　MOV B,#5</b></p><p><b>　　DIV AB</b></p><p>　　MOV LED_1,A</p><p>　　MOV LED_0,B//余數再除以5，商存入LED1，余數存入LED0<

48、/p><p>　　LCALL DISP</p><p>　　SJMP WAIT</p><p>　　INT_TO:CPL CLOCK</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　DISP: CLR P2.0</p><p>　　MOV A,LED_0&l

49、t;/p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　SETB P2.3</b></p><p>　　MOV P3,A //顯示第一個LED</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　CLR P2.3</b></p

50、><p>　　MOV A,LED_1</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　SETB P2.2</b></p><p>　　MOV P3,A //顯示第二個LED</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b&

51、gt;　　CLR P2.2</b></p><p>　　MOV A,LED_2</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p>　　SETB P2.1</p><p>　　ANL A,#7FH</p><p>　　MOV P3,A //加上小數點，顯示第三個LED&

52、lt;/p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　CLR P2.1</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DELAY:MOV R6,#10</p><p>　　D1:MOV R7,#250</p>&

53、lt;p><b>　　DJNZ R7,$</b></p><p>　　DJNZ R6,D1</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　TABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H</p><p>　　DB 92H,82H,0F8H,80H,90H<

54、;/p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　課程設計總結</b></p><p>　　本次課程設計是采用單片機設計一個直流數字電壓表，通過對模擬信號的采樣經A/D轉換器將模擬信號轉化為數字信號，通過單片機處理最后在LED顯示屏上顯示數據。通過學習單片機課程及有關資料的查詢我決定采用AT89S52系列

55、單片機，而數模轉換部分我采用ADC0809，此A/D轉換器除了轉換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，其次單片機還需有簡易的復位系統(tǒng)，所以我采用的是按鍵式的復位裝置。其次是五檔調節(jié)的電路裝置，做了很多遍，主要目的達到了但連接還有小問題，改進后還有些許誤差，需要進一步改進。數字顯示使用的是LED顯示器，LED顯示器的驅動是一個非常重要的問題，顯示電路由LED顯示器、段驅動電路和位驅動電路組成。此設計不采用段驅動芯片和

56、位驅動芯片，直接由單片機的P0，P2口驅動。原理很復雜最后經過老師指導達到了題目的要求。經過這一次的設計真的發(fā)現自己身上的不足，在知識的運用上還有很多欠缺，以后仍需要努力學習。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 梅麗鳳等編著.單片機原理及接口技術.清華大學出版社，2009.7</p><p>　　[2]