简易数字电压表设计

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1、 摘 要 根据 8051 单片机的内部结构特点本文提出以 MCS-51 单片机为核心的电压 测量系统。该系统以 8051 和 ADC0809 核心内件，能够在单片机的控制下监测 八路的输入电压值，用 8 位串行 A/D 转换器进行 0-5V 量程自动转换，并且测 量的电压值可通过三位数码管显示同时用一位数码管显示选择通道。整个系统 的设计过程中主要采用了模块化的设计方法，完成了硬件电路的设计及软件程 序的编写，还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，通过最终硬件电路 的调试，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。单片机 8051 是整个系统的核心，实现输入端的分路选择，模数转换

2、后数据的处理及在 数码管上数据的显示等功能。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍 了该系统的工作原理，MCS-51 单片机特点，8051 的功能和应用，ADC0809 的 功能和应用等。 关键词：MCS-51 单片机；8051 ；ADC0809；数码管 目 录 1 总体设计 .1 2 硬件设计及其工作原理 .1 2.1 数字电压表主要器件 .1 2.1.1 单片机 AT89C51 .1 2.1.2 芯片 ADC0808.3 2.2 数字电压表电路设计 .4 2.2.1 处理器电路 .4 2.2.2 A/D 转换电路 .5 2.3 控制电路 .6 2.4 显示电路 .6 2.5 整体电路图

3、设计 .7 3 数字电压表软件设计 .7 3.1 程序总体设计 .7 3.2 程序各个模块设计 .9 3.2.1 主程序 .9 3.2.2 外部中断 0 服务程序 .10 3.2.3 外部中断 1 服务程序 .10 3.2.4 显示子程序和延时子程序 .11 3.2.5 制表程序 .12 4 PROTEUS 仿真及数据测试 .12 5总结 .14 附录 1 程序清单 .15 简易数字电压表设计 1 总体设计 本设计主要以 ATMEL 公司生产的 AT89S51 为主控芯片来实现简易数字电 压表的基本功能： 1可以测量 05V 范围内的 8 路直流电压值。 2在 4 位 LED 数码管上轮流显示

4、各路电压值或单路选择显示，其中 3 位 LED 数码管显示电压值，显示范围为 0.00V5.00V ，1 位 LED 数码管显示路数,8 路分别为 0-8。 3测量最小分辨率为 0.02V。 设计中以 8 个滑动变阻器来模拟输入的电压信号，经 ADC0809 模数转换 芯片处理，通过三个路数选择开关来确定将哪路采集数据送入单片机中处理， 进而通过数码管显示出相应的电压测量值 2 硬件设计及其工作原理 2.1 数字电压表主要器件 本次课程设计是以 AT89C51 单片机为控制核心，以 A/D 转换器 ADC0808 为数据采样系统，实现被测电压的数据采样；用共阴数码管显示结果的简易数 字电压表，

5、能够实现 8 路 0.005.00V 的直流电压，最小分辨率为 0.02V。 2.1.1 单片机 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微 处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器 件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片 中，ATMEL 的 AT89C51 是

6、一种高效微控制器。AT89C51 单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 1 所示: 图 1 AT89C51单片机引脚图 AT89C51 引脚介绍: 4 个 8 位的 I/O 引脚，P0,P1,P2,P3 P0 口（P0.0-P0.7):8 位双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，也可作数据/ 低 8 位地址总线。 P1 口（P1.0-P1.7):8 位准双向三态 I/O 口线，作普通 I/O 口。 P2 口（P2.0-P2.7):8 位准双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，也可作数 据/高 8 位地址。 P3 口（P3.0-P3.

7、7):8 位准双向三态 I/O 口线，既可作普通 I/O 口，另外每个 引脚还有第二个功能。如下表所示： P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD P3.1 TXD P3.2 INT0 P3.3 INT1 P3.4 T0 P3.5 T1 P3.6 WR P3.7 RD 表 1 P3口引脚第二个功 能 RST：复位输入。当震荡器工作时，RET 引脚出现两个机器周期以上的高 电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE 输出脉冲用于 锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 以时钟震荡频率

8、的 1/16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是： 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个 引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8EH 单元的 D0 位置禁止 ALE 操作。这个位置后只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被 应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51 由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉 冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两

9、次有效的 PSEN 信号不出现。 EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA 端 必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电压 VPP，当然这必须是该器件 是使用 12V 编程电压 VPP。 XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。 VCC:电源电压 GND:地 2.1.2 芯片 ADC0808 本电路采用芯片 ADC0808 来进行模数转换。其引脚图如图

10、2 所示。 图 2 ADC0808引脚图 利用 ADC0808 作为 AD 数据采样器件, ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼 近式 A/D 转换器它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8 位开关树 型 D/A 转换器、逐次逼近。ADC0808 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比 较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电 平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个

11、信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 ADC0808 各个管脚功能： IN0IN7：8 路模拟量输入端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线， 用于选通 8 路模拟输入中的一路 D0D7：8 位数字量输出端。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高 电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输 入一个高电平，才能打开输出三态

12、门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 2.2 数字电压表电路设计 2.2.1 处理器电路 主处理器采用 AT89C51 单片机，外接 A/D 转换电路，控制电路和显示电 路。 其工作原理是从 ADC0808 中采集电压的数字量并把它转换为十进制量， 将其在 LED 上显示出来。单片机还接受控制电路的控制，以改变显示模式和切 换测试通道。 图 3 单片机系统电路 2.2.2 A/D 转换电路 本次设计共采集八路模拟电压值，占用 IN0、IN1、IN2、IN3、IN4 、IN5、IN6、IN7 单个通道。时钟为 50

13、0kHz 的矩形 波。正负基准电压分别为+5V 和 0V。EOC 通过一非门与 P3.2 相连，以中断的 方式通知单片机转换完成。以 P3.6 控制 START 和 ALE，控制其开始转换和地 址锁存。以 P3.7 控制模数转换器的输出。电路图如图 4 所示。 图 4 A/D转换电路 2.3 控制电路 控制电路主要的作用是控制显示模式和切换测试通道。按键式开关接单片 机 外部中断 1，主要功能是切换通道；开关 SW1 接 P2.0 口，通过查询的方式 来间接控制 LED 是按通道循环显示电压还是只显示某一通道的值。其电路图如 图 5 所示。 图 5 控制电路 2.4 显示电路 本显示电路采用共

14、阴极 4 位 8 段数码管。段码由单片机的 P0 口控制，位码 由 P3.0、P3.1、 P3.4 、 P3.5 四个端口控制。很明显采用的是动态显示方式。 其中第一位显示通道数，后三位显示电压值，有两位小数。电路图如图 6 所示。 图 4 控制电路 图 6 显示电路 2.5 整体电路图设计 整体电路如下图所示，左上角的八组变化电压分时输入 ADC0808 经 AT89C51 控制进行模数转换将转换的数值用数码管显示出来。控制电路控制是 否自动循环显示及手动循环显示。电路图如图 6 所示。 图 7系统总电路图 3 数字电压表软件设计 3.1 程序总体设计 依据电路原理图，数据的采集和通道的切换

15、是通过外部中断的方式处理的。 外部中断 0 处理对 ADC08080 转换后的数据采集以及存储，外部中断 1 处理显 示的通道的切换。而显示模式是通过对 P2.7 查询来确定。故程序流程图如图 8 所示。图 9 和图 10 是外部中断 0 和外部中断 1 的的流程图。 图 8 程序流程图 图 9外部中断 0流程图 外部中断 0 入 口 保护现场 将通道数放入 30H 将通道数放入 30H 将转换后的电压放入 31H、32H、33H 还原现场 中断返回 中断及其他数据初始化 P2.7 置 位 P2.7 =0 ? 下一通道 启动 A/D 转换 否 调用显示子程序 开始 是 外部中断 1 入 口 保

16、护现场 切换通道 启动 A/D 转换 还原现场 中断返回 还原现场 图 10 外部中断 1流程图 3.2 程序各个模块设计 3.2.1 主程序 程序执行的起点，包括对两个外部中断源的初始化，初始测试通道，设置 每个通道每次显示的时间的长短。然后让程序处于循环显示中，并在每个通道 显示结束之后检查 P2.7 以决定显示模式。 P2.7 为低电平时循环显示。主要程序 如下所示： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP ZD0 ;外部中断 0 地址 ORG 0013H LJMP ZD1 ;外部中断 1 地址 MAIN: SETB IT0 SETB EA SETB EX0

17、 SETB IT1 SETB EX1 ;中断设置 MOV R1,#00H ;初始测试端口地址 XH: MOV R4,#50H SETB P2.7 ;允许输入 JB P2.7,TAD ;检测显示模式（循环与否） INC R1 CJNE R1,#08H,TAD MOV R1,#00H TAD: MOV A,#00H MOVX R1,A ;启动 A/D 转换 LCALL SHOW ;调用显示程序 DJNZ R4,TAD LJMP XH 3.2.2 外部中断 0 服务程序 外部中断 0 主要完成从 ADC0808 中取转换后的二进制数，然后再将该数 字转为对应的电压数值，分别存入到 RAM 的 31H

18、、32H、33H 单元中，通道数 放在 30H 单元。 PINT0: PUSH ACC ;外部中断 0 MOVX A,R1 ;主要功能是存入转换值，存在 RAM 30,31,32,33 单元 MOV 30H,R1 ;通道存在 30H MOV B,#51 DIV AB MOV 31H,A MOV A,B MOV B,#2 MUL AB MOV B,#10 DIV AB MOV 32H,A MOV A,B MOV 33H,A POP ACC RETI 3.2.3 外部中断 1 服务程序 外部中断 1 的功能是将通道的值加 1，并且保证其值小于 8 然后启动 A/D 转换，以此完成对显示通道的切换。

19、 PINT1: PUSH ACC ;外部中断 1 INC R1 ;完成通道数加 1 功能 CJNE R1,#08H,OUT MOV R1,#00H OUT: MOVX R1,A POP ACC RETI 3.2.4 显示子程序和延时子程序 数码管的显示为动态显示方式。即对 P1 口分时复用。每位显示后都调用延 时子程序，保证延时一定的时间以让人眼产生视觉暂留。显示时分别取出 RAM 中 30H 到 33H 中数据取表，再送出显示。 SHOW: MOV DPTR,#TAB1 ;显示子程序 MOV A,30H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.0 LCALL DELAY

20、SETB P3.0 MOV DPTR,#TAB2 MOV A,31H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.1 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,32H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.4 LCALL DELAY SETB P3.4 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,33H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.5 LCALL DELAY SETB P3.5 RET DELAY:MOV R6,#5 ;延时子程序 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$

21、DJNZ R6,D1 RET 3.2.5 制表程序 本程序定义了 2 段数据 TAB1 和 TAB2。 TAB1 为不带小数点 0 到 9 的数码管显示的字节，TAB2 定义的是带小数点 的 0 到 5 的显示字节，以保证在数码管第二位显示出小数点，因此只有 31H 单 元的数据在 TAB2 取值。其程序段如下： TAB1: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;TAB1 不带小数点， TAB2 带小数 点 DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH TAB2: DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH 4 PROTEUS 仿真及数据测试 将汇编程序经 Kei

22、l 编译后生成的.HEX 文件装入到 AT89C51 中对其仿真， 将 Switch 开关闭合，数码管将循环显示八个通道的电压值；将 Switch 开关打开， Button 按钮控制通道切换。分别将滑动变阻器位于不同位置得到不同阻值分别 在数码上显示出来。 现按动 button 两次，断开 switch 开关，即始终选择显示一号通道电压值， 并将该路电压调到最大值 5V，得到如下仿真图： 图 11 仿真图 由图 11 中可看出，最左端 1 号数码管显示第 1 号通路，当前通路电压值为 5V，符合预期要求； 现闭合 switch 开关，应该是有八路电压值循环显示，结果如下图： 图 12 八路电压

23、值循环显示仿真图 在不改变电阻值的情况下，上述数值循环显示，本数字电压表测量的误差 都在 0.02V 以内，精度高，反应快，可以完成对多路电压的测试。 5 总结 本次课程设计我对 AT89C51 单片机、ADC0808 芯片、数码管显示电路和 模数转换电路及相关程序的编写进行了认真的学习，也对单片机技术有了更进 一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似 很简单的功能，要动手把它设计出来就比较困难了，但是我们学习的理论知识 很多但由于平时练习很少，所以将它们用于实际的应用比较困难。因此平时我 们要把课本上所学到的知识和实际联系起来。通过本次单片机的设计，不但巩 固了所

24、学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的 综合能力还还锻炼了我们的团队协作精神，提高了创新能力。 在此过程中，我查找了大量的资料，在不懈的努力下，培养了独立思考、 动手操作的能力。同时学到了很多在书本上所没有学到过的知识。我对单片机 编程也有了进一步的认识和了解。比如在程序设计思想上。以前没有一个整体 的概念。经过试验中的自我摸索，掌握了模块化编程的思想，将大的程序分化 为小的模块，最后把各小的模块串接起来，组成大的程序，实现整体的设计功 能。此次课设我对 Protues ISIS 的丰富的电子器件和网络标号的画图方式也有了 进一步的了解和学习。同时，我真正的意识到，在以

25、后的学习中，要理论联系 实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有 在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。 附录 1 程序清单 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ;外部中断 0 地址 ORG 0013H LJMP PINT1 ;外部中断 0 地址 MAIN: SETB IT0 SETB EA SETB EX0 SETB IT1 SETB EX1 ;中断设置 MOV R1,#00H ;初始测试端口地址 AA:MOV R4,#50H SETB P2.7 ;允许输入 JB P2.7,AAA ;检测显示模式

26、（循环与否） INC R1 CJNE R1,#08H,AAA MOV R1,#00H AAA: MOV A,#00H MOVX R1,A ;启动 a/d 转换 LCALL SHOW ;调用显示程序 DJNZ R4,AAA ;每一路显示 50 次 LJMP AA PINT0: PUSH ACC ;外部中断 0 MOVX A,R1 ;主要功能是存入转换值，存在 RAM 30,31,32,33 单 元 MOV 30H,R1 ;通道存在 30H MOV B,#51 DIV AB MOV 31H,A MOV A,B MOV B,#2 MUL AB MOV B,#10 DIV AB MOV 32H,A M

27、OV A,B MOV 33H,A POP ACC RETI PINT1: PUSH ACC ;外部中断 1 INC R1 ;完成通道数加 1 功能 CJNE R1,#08H,OUT MOV R1,#00H OUT: MOV A,#00H MOVX R1,A POP ACC RETI SHOW:MOV DPTR,#TAB1 ;显示子程序 MOV A,30H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.0 LCALL DELAY SETB P3.0 MOV DPTR,#TAB2 MOV A,31H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.1 LCALL DELA

28、Y SETB P3.1 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,32H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.4 LCALL DELAY SETB P3.4 MOV DPTR,#TAB1 MOV A,33H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P3.5 LCALL DELAY SETB P3.5 RET DELAY: MOV R6,#5 ;延时子程序 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET TAB1: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;数据定义区 DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH TAB2: DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH ; TAB1 不带小数点，TAB2 带小数点 END