单片机原理及接口技术课程设计(数...

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 数字电压表设计数字电压表设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气10103 3 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2012013 3.06.24-201.06.24-2013 3.07.07.1212本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百

2、分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目数字电压表设计课程设计（论文）任务电压测量范围：0500 V；测量精度：05；量程自动切换；采用 LED 显示；可用现场提供的 220 V 交流电源。 设计任务：设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 电压检测电路设计3. 显示电路及电源电路设计4. .程序流程图设计及程序编写技术参数：技术参数：1电压测量范围：0500 V；测量精度：052工作电源 220V设计要求设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，电压检测电路以及显示电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3

3、、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。进度计划第 1 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 4 天 CPU 最小系统设计第 5 天 电压检测电路设计第 6 天显示电路及电源电路设计第 7 天 程序流程图设计第 8 天 软件编写与调试第 9 天 设计说明书完成第 10 天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II摘 要数字电压表（Digital Voltmeter）简称 DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流

4、输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。本课题是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量 0500V 之间的直流电压值，四位数码管显示，使用的元器件数目较少。外界电压模拟量输入到 A/D 转换部分的输入端，通过 ADC0809 转换变为数字信号，输送给单片机。然后由单片机给数码管数字信号，控制其发光，从而显示数字。关键词：数字电压表；单片机；AT89C51；ADC0809本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论 .11.1 数字电压表概况 .11.1 本文研究内容 .1第 2 章 CPU 最小系统设计.22.1 数字电压表总体设计方案 .22.2 CPU 的选择 .22

5、.3 数据存储器扩展 .32.4 复位电路设计 .42.5 时钟电路设计 .42.6 CPU 最小系统图 .5第 3 章 数字电压表输入输出接口电路设计 .63.1 数字电压表量程的选择 .63.2 数字电压表检测接口电路设计 .63.2.1 A/D转换器选择.63.2.2 模拟量检测接口电路图.73.3 数字电压表输出接口电路设计 .83.4 电源电路设计 .8第 4 章 数字电流表软件设计 .104.1 流程图设计 .104.1.1 主程序流程图设计.104.1.2 A/D流程图设计.10第 2 章 系统设计与分析 .122.1 系统原理图 .122.2 系统原理综述 .13第 5 章 课

6、程设计总结 .14参考文献 .15本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 数字电压表概况 数字电压表（Digital Voltmeter）简称 DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与 PC 进行实时通信。目前，由各种单片 A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通

7、用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础,电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器, 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,本文 A/D 转换器采用 ADC0809 对输人模拟信号进行转换, 控制核心 AT89C51再对转换的结果进行运算和处理,最后驱动输出装置显示数字电压信号。数字电压表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的

8、书籍和应用已经非常普及了1.1 本文研究内容本课题是利用单片机设计一个数字电压表，其设计要求如下：1. 电压测量范围：0500 V；2. 测量精度：05；量程自动切换；3. 采用 LED 显示；4. 可用现场提供的 220 V 交流电源。本科生课程设计（论文）2第 2 章 CPU 最小系统设计2.1 数字电压表总体设计方案数字电压表的系统工作原理：首先，被测电压信号进入 AD 转换器，单片机中控制信号线发出控制信号，启动 AD 转换器进行转换，其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最后发出显示控制与驱动信号，驱动外部的数码管显示相应的数据。图 2.1 所示为数字电压表系

9、统硬件设计框图。 时钟电路复位电路A/D 转换电路测量电压输入显示系统AT89C51 图 2.1 数字电压表系统硬件设计框图2.2 CPU 的选择在本次课题设计中我们选择了 AT89S51 芯片。AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元

10、，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51 提供以下标准功能：4KB 的 Flash 闪速存储器，128B 内部 RAM，32个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51 可降至 0Hz 静态逻辑操作，本科生课程设计（论文）3并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT8

11、9C51 采用 PDIP封装形式，引脚配置如图 2.2 所示。图 2.2 AT89C51 引脚配置2.3 数据存储器扩展当 74LS373 用作地址锁存器时，应使 OE 为低电平，此时锁存使能端 C 为高电平时，输出 Q1Q8 状态与输入端 D18 状态相同；当 C 发生负的跳变时，输入端 D1D8 数据锁入 Q1Q8。51 单片机的 ALE 信号可以直接与 74LS373 的 C 连接。在 AT89C51 单片机系统中，常采用 74LS373 作为地址锁存器使用，其连接方法如图 2.3 所示。E A /V P31X 119X 218R E SE T9R D17W R16IN T 012IN

12、T 113T 014T 115P1 01P1 12P1 23P1 34P1 45P1 56P1 67P1 78P0 039P0 138P0 237P0 336P0 435P0 534P0 633P0 732P2 021P2 122P2 223P2 324P2 425P2 526P2 627P2 728PS E N29A L E / P30T X D11R X D10E A /V P31X 119X 218R E SE T9R D17W R16IN T 012IN T 113T 014T 115P1 01P1 12P1 23P1 34P1 45P1 56P1 67P1 78P0 039P0 13

13、8P0 237P0 336P0 435P0 534P0 633P0 732P2 021P2 122P2 223P2 324P2 425P2 526P2 627P2 728PS E N29A L E / P30T X D11R X D1080 51D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174LS373本科生课程设计（论文）4图 2.3 51 单片机与 74LS373 连接方法其中输入端 D1D8 接至单片机的 P0 口，输出端提供的是低 8 位地址，G 端接至单片机的地址锁存

14、允许信号 ALE。输出允许端 OE 接地，表示输出三态门一直打开。2.4 复位电路设计复位是单片机的初始化操作。其功能主要是将程序计数器(PC)初始化为0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序，并将特殊功能寄存器赋一些特定值。复位是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态一种操作。复位是上电的第一个操作，然后程序从 0000H 开始执行。在运行中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞” 。要使其进入正常状态，唯一办法是将单片机复位，以重新启动。RST 引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。RST 引脚内部有一个斯密特

15、 ST 触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与 VSS 引脚之间接一个下拉电阻，与 VCC 引脚之间接一个电解电容，即可保证上电自动复位。复位电路如图 2.4 所示。本文选用手动复位电路。 自动复位 手动复位图 2.4 自动和手动复位电路图2.5 时钟电路设计单片机中 CPU 每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU 执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51 单片机芯片内部有R E S E T9A T 8 9C 5110

16、 uf10 kV CCR E SE T9A T 89 C 5110 uf1kSw47 0V CC本科生课程设计（论文）5一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1 为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2 个电容即可，如图 2.5 所示。图 2.5 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器 C1 和 C2 对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了 33pF；石英晶振选择范围最

17、高可选 24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是 12MHz，因而时钟信号的震荡频率为 12MHz。2.6 CPU 最小系统图根据上述 4 节图，形成完整的 CPU 最小系统图如图 2.6 所示。图 2.6 CPU 最小系统图X T A L 119A T 89 C 51X T A L 218X 1C RY ST A LC 133 ufC 233 ufE A /V P31X 119X 218R E SE T9R D17W R16IN T 012IN T 113T 014T 115P1 01P1 12P1 23P1 34P1 45P1 56P1 67P1 78P0

18、039P0 138P0 237P0 336P0 435P0 534P0 633P0 732P2 021P2 122P2 223P2 324P2 425P2 526P2 627P2 728PS E N29A L E /P30T X D11R X D1080 51D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174LS3731kC 133 ufX 1C RY ST A LV CCC 233 uf10 uf本科生课程设计（论文）6本科生课程设计（论文）7第 3 章 数字电压表输入输出接口

19、电路设计3.1 数字电压表量程的选择量程电路如图 3.1 所示，对待侧模拟电压值按不同的范围，分为Ui，0.1Ui，0.01Ui，0.001Ui，0。0001Ui 五档，处理的信号送入单片机进行处理并显示。量程的选择电路原理是采用电阻分压的原理制成的。图 3.1 量程设计3.2 数字电压表检测接口电路设计3.2.1 A/D 转换器选择A/D 转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过 A/D 转换器把输入模拟量变成数字量再处理。A/D 转换的常用方法有：计数式 A/D 转换，逐次逼近型 A/D 转换，双积分式 A/D 转换， V/F 变换型 A/D 转换。在这些转换方式中，记数式 A/D

20、转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双积分式 A/D 转换精度高，多用于数据采集及精度要求比较高的场合，如5G14433（31/2 位） ，AD7555（41/2 位或 51/2 位）等，但速度更慢。随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的 A/D 转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有 3 种类型，即双积分式 A/D转换器、逐次逼近式 A/D 转换器和并行式 A/D 转换器。目前最常用的是双积分和9k90k900k9M1k12345678161514131211109RP?RE SPACK 4UIVIN(+)VIN(-)本科生课程设

21、计（论文）8逐次逼近式。根据设计参数以及要求，选择 A/D 转换器芯片，并介绍其性能特性，转换精度。逐次逼近型 A/D 转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，这里选用的是逐次逼近型的 A/D 转换芯片 ADC0809。芯片 ADC0809 如图 3.2 所示。图 3.2 A/D 转换芯片 ADC0809AD0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，它是由一个 8 路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。些A/D 转换器是的特点是 8 位精度，属于并行口，如果

22、输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。3.2.2 模拟量检测接口电路图CPU 和 AD 转换器电路连接图，即完整的模拟量检测硬件电路如图 3.3 所示。IN -026m sb2 -1212- 220IN -1272- 3192- 418IN -2282- 582- 615IN -312- 714lsb2- 817IN -42E O C7IN -53A D D -A25IN -64A D D -B24A D D -C23IN -75A L E22re f(-)16E N A BL E9ST A R T6re f(+)12C L O CK10A D C 08 099k90k900k9M

23、1k12345678161514131211109RP?RESPACK4UIVIN(+)VIN(-)EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C51IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714l

24、sb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10ADC0809D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE1174LS373本科生课程设计（论文）9图 3.3 完整的模拟量检测硬件电路3.3 数字电压表输出接口电路设计由于单片机的并行口不能直接驱动 LED 显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作7。如果驱动电路能力差，即负载

25、能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED 显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字式直流电压表的电路设计，在 LED 驱动电路的设计上，可以利用单片机 P0 口上外接的上拉电阻来实现，即将 LED 的 A-G 段显示引脚和 DP 小数点显示引脚并联到 P0 口与上拉电阻之间，这样，就可以加大 P0 口作为输出口德驱动能力，使得 LED 能按照正常的亮度显示出数字，如图 3.4 所示。图 3.4 LED 与单片机接口间的设计abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS3DPY_7-SE GabfcgdeDPYLEDgn123

26、4567abcdefgDS4DPY_7-SE GabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS2DPY_7-SE GabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS1DPY_7-SE GR4R3R2R1Q1PN PQ2PN PQ3PN PQ4PN PVCC本科生课程设计（论文）10第 4 章 数字电流表软件设计4.1 流程图设计4.1.1 主程序流程图设计根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D 转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图 4.1 所示。 图 4.1 数字式直流电压表主程序框图4.1.2 A/D 流程图设计A/

27、D 转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图 4.2 所示。开始初始化调用 A/D 转换子程序调用数据处理子程序调用显示子程序本科生课程设计（论文）11 否 是图 4.2 A/D 流程图设计启动转换A/D 转换结束？输出转换结果数值转换显示本科生课程设计（论文）12第 2 章 系统设计与分析2.1 系统原理图图 5.1 数字电压表的硬件原理电路图EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237

28、P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C51IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10ADC0809D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q6

29、16D718Q719OE1LE1174LS37312345678J?CON8C322ufC230PFY1CRYSTALR4200C130PFSW -PBR31K9k90k900k9M1k12345678161514131211109RP?RESPACK4UIVIN(+)VIN(-)abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS3DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS4DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS2DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS1DPY_

30、7-SEGR4R3R2R1Q1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPVCC本科生课程设计（论文）132.2 系统原理综述此电路的工作原理是：+5V 模拟电压信号通过变阻器 VR1 分压后由 ADC08009的 IN0 通道进入（由于使用的 IN0 通道，所以 ADDA,ADDB,ADDC 均接低电平） ，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道 D0-D7 传送给 AT89C51 芯片的 P1 口，AT89C51 负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示段码传送给四位 LED，同时它还通过其四位 I/O 口 P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数

31、码管的亮灭。此外，AT89C51 还控制 ADC0809 的工作。其中，单片机 AT89C51 通过定时器中断从 P2.4 输出方波，接到 ADC0809 的 CLOCK,P2.6发正脉冲启动 A/D 转换，P2.5 检测 A/D 转换是否完成，转换完成后，P2.7 置高从 P1 口读取转换结果送给 LED 显示出来。本科生课程设计（论文）14第 5 章 课程设计总结数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础,电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是 A/

32、D 转换器, 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能。本科生课程设计（论文）15参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 2009.72 赵晶 主编 Prote199 高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社 2003.44 谢维成、杨加国 主编 单片机原理与应用及 C51 程序设计实例 电子工业出版社，2006.3 5 宋凤娟，孙军，李国忠 主编 基于 89C51 单片机的数字电压表设计J 工业控制计算机，2007.46 苗红霞 主编 单片机实现数字电压表的软硬件设计J 河海大学常州分校学报，2002.037 李广弟 主编 单片机基础 北京航空航天大学出版社，2007.5 8 李建忠 主编 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社，2004