单片机原理及接口技术课程设计数字电压表设计

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1、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）： 专业班级：专业班级： 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：课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 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。主要设计内容：主要设计内

2、容：硬件电路设计：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软件设计：1.编程程序流程图 2.程序清编写进度计划第 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 日摘 要电压表是一种在实验室、教学和日常测量场合中使用广泛的一种仪器。传统的指针式电压表

3、功能单一、精度低，不能满足现代测量的要求，而数字电压表却有着显著的优势。数字电压表又简称 DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式加以显示的仪表。本文给出了具体的硬件设计和软件结构，详细描述了系统硬件设计线路的要点和结构以及软件设计要点，同时给出了各部分硬件电路原理图和子程序流程图，完成 A/D 转换功能并且用 LED 数码管显示结果，达到了任务书的要求。关键词：电压表；数字化测量技术； LED 数码管； A/D 转换目 录第 1 章 绪论 .11.1 数字电压表概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 数字电压表总体设计方案 .32.1 CPU 的选择

4、 .32.2 8155 芯片简介 .42.3 复位电路设计 .52.4 时钟电路设计 .52.5 CPU 最小系统图 .6第 3 章 硬件设计 .73.1 量程选择电路 .73.2 LED 显示电路设计 .73.3 A/D 转换器选择 .8第 4 章 软件设计 .114.1 软件实现功能综述 .114.2 流程图设计 .114.2.1 主程序流程图设计.114.2.2 A/D 转换流程图设计.12第 5 章 系统设计与分析 .135.1 系统原理图 .135.2 系统原理综述 .145.3 单片机程序 .14第 6 章 课程设计总结 .17参考文献 .18第 1 章 绪论1.1 数字电压表概况

5、智能仪器是仪器仪表的一种，近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪表无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及在人工智能向测量技术的移植或应用的过程中，智能仪表将会有更大的发展。测量仪表的智能化为先导，带动了各类仪表的智能化，是现代仪器仪表技术发展的主要趋势。数字电压表是在此基础上发展起来，并被广泛的应用。1.2 本文研究内容电子电压表主要用于测量各种高、低频信号电压，它是电子测量中使用最广

6、泛的仪器之一。根据测量结果的显示方式及测量原理不同，电压测量仪器可分为两大类：模拟式电压表(AVM）和数字式电压表（DVM）。模拟式电压表是指针式的，多用磁电式电流表作为指示器，并在表盘上刻以电压刻度。数字式电压表首先将模拟量经模数（A/D）转换器变成数字量，然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。众所周知，模拟电压表精度较高，曾经有很广阔的市场，现在依然有不少工程师依然在使用模拟电压表。的确模拟电压表在显示测量值方面精度校准，然而却也存在问题。模拟电压表采用用指针式，里面是磁电或电磁式结构，所以其响应速度较慢。然而在高速发展的当今社会，高速信号处理的需求越来越多，由于模拟电压表响

7、应速度较慢已经不适用与高速信号领域，取而代之的将是数字电压表。但数字电压表由于存在采样误差，精度不是很高。不过目前可以通过技术手段来缩小误差。使其精度达到与模拟电压表一样精确甚至更高。可见将来数字电压表必将取代模拟电压表。现在有越来越多的数字测量仪器的出现但原理皆与数字电压表殊途同归，因此研究数字电压表有着很大现实意义。本设计总体以单片机 8952 为核心构成的单片机应用系统。该系统在 8952 外配程序存储器、数据存储器、A/D 转换器 0809、以及 I/O 口接口电路、显示电路等电路构成。交流电先经过单相滤波电路、信号放大电路输入 A/D 转换器 0809,进一步送入 8952 后经显示

8、电路显示电压值，实现电压测量的目的。第 2 章 数字电压表总体设计方案主电路框图时钟电路单片机机A/D 转换测量电路输入电路LED 显示电路复位电路图 2.1 主电路原理框图框图说明：需要测量的信号通过测量电路输入，实现系统对模拟信号的检测，模拟信号经测量电路输入到 A/D 装换装置，经 A/D 转换将模拟信号转化为数字信号，输入单片机处理，AT89S52 单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。信号经单片机直接由单片机的P0，P2 口驱动由 LED 显示器，完成检测过程，当单片机的复位引脚 RST(全称RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时

9、，单片机就执行复位操作。本方案主要是通过单片机中来实现档位的自动切换功能，在程序运行的过程中通过计算得出数据自动切换量程，主要通过 I/O 端口读取转换数据，经计算送 LED 显示数据，简易实现自动切换档位的功能，经过单片机处理后的数据来控制 LED 中显示出相应的数据。2.1 CPU 的选择AT89S52 是目前市场上比较常见的一种单片机，性价比比较高，而且适合于电子密码锁的设计，所以我们选择了这种单片机，主要有以以下几个端口。P0、P1、P2、P3:输入/输出端口。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。Vcc：电源电压 。GND：地

10、。 RST：复位输入。 ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于 锁存地址的低 8 位字节。AD 012PA 021AD 113PA 122AD 214PA 223AD 315PA 324AD 416PA 425AD 517PA 526AD 618PA 627AD 719PA 728PB029CE8PB130RD9PB231WR10PB332IO/M7PB433AL E11PB534PB635PB736TM ROU T6PC037PC138TM RIN3PC239PC31PC42RE SE T4PC55U?8155 PSEN：程序储存允许（PSEN

11、）输出。 EAVPP：片外程序存储器访问允许信号,低电平有效.EA=1,选择片内程序存储器;EA=0,则程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。对于片内无ROM 的80C31/80C32单片机,应将 EA 引脚固定接低电平,以迫使系统全部执行片外程序存储器程序。由于本次设计需要储存空间比较小，内部 ROM 已经足够，所以接入的是 VCC 高电平，没有外部拓展，使用内部程序存储器。 单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入和用户 I/O 口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线结构，分别是地址总线、数据总线和控制总线2.2 8155 芯片简介256x8 静态 RAM，

12、2 个可编程位 I/O 口和一个可编程 6 位 I/O 口，可编程 14位定时/计数器，与 8088CPU 兼容。多路传输地址和数据总线，内部地址锁存，单+5V 电源，任一引脚对地电压=-0.5V-+7V，8155H、8156H 为 HCMOS 产品，8155与 8156 的区别在于 8155 片选信号输入为 CE，而 8156 为 CE，8155 的 RAM 存取时间约为 400ns，8155-2 存取时间为 330ns，8155 的功耗为 1.5W。图 2.2 芯片 81552.3 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠

13、外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 PESET 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。当 RESET 从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H 地址开始执行程序。在复位有效期间。ALE和引脚输出高电平。PSEN本设计采用按键式复位电路，它的上电复位利用电容器充电来实现，同时通过按键实现复位，按下键后，通过 R1 和 R2 形成回路，使 RESET 端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。C322uFR4200R3

14、1KSRE SE TAT 89S52VCCRE SE TVSS图 2.3 复位电路2.4 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。EA /VP31X119X218RE SE T9RD17WR16INT 012INT 113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29AL E/P30TX D11RX D10UAT

15、89S52Y12MHzC130pFC230pFC322uFR4200R31KSRE SE TY12MHzC130pFC230pFXTAL1XTAL2图 2.4 时钟电路2.5 CPU 最小系统图根据上述 4 节图，形成完整的 CPU 最小系统图图 2.5 最小系统12345109876RP?RE SPACK 4IK9K90K900K9MUIVin(+)Vin(-)第 3 章 硬件设计根据设计要求与思路，确定该系统的设计方案。硬件电路由 5 个部分组成：量程选择电路，单片机时钟电路，复位电路，A/D 转换电路，3 位 LED 显示器电路。3.1 量程选择电路系统硬件电路设计，对待测模拟电压值按不

16、同的范围，分为 Ui, 0.1Ui, 0.01Ui, 0.001Ui, 0.0001Ui 五个档位，处理的信号送入单片机进行处理并显示，量程选择方式：手动。如图 3.1 所示。图 3.1 量程设计量程选择电路原理：此量程选择电路是采用电阻分压的原理制成。设输入为Ui 时，闭合 1，电阻 1K 与其他电阻分压，实现档位为 0.0001Ui，当闭合 2 时电阻 1k 与 9K 串联，共同分压，实现档位时 0.001Ui，同理类推，当闭合 5 时，档位为 Ui 档。3.2 LED 显示电路设计单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行

17、状态与运行结果。LED 显示器的驱动是一个非常重要的问题，显示电路由 LED 显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的 P0，P2 口驱动，实验证明可行。在应用系统中，设计要求不同，使用的 LED 显示器的位数也不同，在设计中，选择 3 位 LED 显示器，采用动态显示方式。显示器接口原理图如图 3.4 所示。abfcgdeDPYLE Dgn1234567abcdefgDS2DPY_7-SE GabfcgdeDPYLE Dgn1234567abcdefgDS1DPY_7-SE GabfcgdeDPYLE Dgn1234567abcdefgDS3DP

18、Y_7-SE GQ1PN PQ2PN PQ3PN PR11KR21KR31KVCCCL R1CL K111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19SN 74LS273图 3.2 显示电路采用 P0 口作为 LED 的段码输出信号，P2 口的低 3 位作为 LED 位码的输出控制信号。该电路的工作原理：当 P0 口输出段码信号的 BCD 码后，输出具有一定驱动能力的七段字形码，由于 3-LED 的段码输入管脚是并联在一起的，所以每一位LED 的段码输入管脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位 LED被点亮，必须靠位

19、码信号控制。P2 口低 3 位输出位码信号后接到 LED 的位码控制端，因此 P2 口的低 3 位的位码信号在每一时刻只有一位是“1” ，其他位全为“0” ，然后按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位 LED 被点亮，达到动态显示的目的。说明：1 位显示转换通道，2、3 位显示电压表数值。3.3 A/D 转换器选择ADC0808/0809 简介IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EO C7IN-53AD D-A25IN-64AD D-B24AD D-C23IN-75AL

20、 E22ref(-)16EN ABL E9ST ART6ref(+)12CL OCK10AD C0809图 3.3 ADC0809 引脚图ADC0808/0809 引脚功能：IN0IN7：8 路模拟量输入。A、B、C：3 位地址输入，2 个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ALE：地址锁存启动信号，在 ALE 的上升沿，将 A、B、C 上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。D0D7：八位数据输出线，A/D 转换结果由这 8 根线传送给单片机。OE：允许输出信号。当 OE=1 时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。START：启动信号输入端，START 为正脉冲，其上升沿清除 ADC080

21、8 的内部的各寄存器，其下降沿启动 A/D 开始转换。EOC：转换完成信号，当 EOC 上升为高电平时，表明内部 A/D 转换已完成。ADC0808 内部结构图：图 3.4 ADC0809 内部结构A/D 转换器 0809 的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。其内部原理图如下所示主要部件的功能： 256R 电阻梯形网络。即 R-2R 电阻网络。 逐次逼近寄存器 SAR。执行 8 次迭代后表示近似输入电压。 比较器。将输入模拟量与逐次逼近值进行比较。 多路开关。选择不同通道的模拟量。逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0808 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、D/

22、A 转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。412345109876RP?RE SPACK 4IK9K90K900K9MUIVin(+)Vin(-)IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EO C7IN-53AD D-A25IN-64AD D-B24AD D-C23IN-75AL E22ref(-)16EN ABLE9ST ART6ref(+)12CL OCK10AD C0809图 3.5 量程电路设计第 4 章 软件设计4.1 软件实现功能综述通过对主程序的设计和 A/D 转换器

23、子程序的设计，实现电压测量范围在0500 V；测量精度 05；量程自动切换的数字电压表4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计程序的内容一般包括：主程序的起始地址、中断服务额程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。为了显示能够看清便于记录中间设置一个短暂的演示程序，根据设计要求，设计出如图4.1所示的主程序流程图。图 4.1 主程序流程图开始初始化调用 A/D 转换子程序调用显示转化子程序延时4.2.2 A/D 转换流程图设计A/D 转换程序的功能是采集数据，在整个系统设计中占有很高的地位。当系统置好后，单片机扫描转换结束管脚 P2.6 的输入电平状态，当输入为

24、高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描。程序流程图如图 4.2 所示。图 4.2 A/D 转换子程序流程图开始开始模数转化转化是否完成？取得模数转化结果显示模数转化结果结束NYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10UAT89S5

25、2abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS2DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS1DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS3DPY_7-SEG12345678RCON8Y12MHzC130pFC230pFC322uFR4200R31KSSW-PB412345109876RP?RESPACK4IK9K90K900K9MUIVin(+)Vin(-)IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42E

26、OC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10ADC0809Q1PNPQ2PNPQ3PNPR11KR21KR31KVCCCLR1CLK111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19SN74LS273第 5 章 系统设计与分析5.1 系统原理图图 5.1 总电路图5.2 系统原理综述本文采用程序控制放大器实现量程的自动转换。用 AT89s52 进行数据控制、处理，送到显示器显示，硬件结构简单，软件采用单片机语言实现

27、，程序简单可读写性强，效率高。与传统的电路相比，具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点，具有一定的使用价值。本设计在超量程时会显示特定的值，即超量程显示，如想更直观的显示，可加入声光报警电路，在超量程操作时可进行声光报警。5.3 单片机程序利用汇编软件进行调试汇编，并验证结果。LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 0000H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TOSTART:MOV LED_0,

28、#00H MOV LED_1,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC,$ /JNB:当EOC=0时转移到本指令首地址 SETB OE MOV ADC,P1 /OE=1时将AD信号存入ADC中 CLR OE MOV A,ADC MOV B,#51 DIV AB MOV LED_2,A /A除以51，商在LED2，余数在B中 MOV A,B MOV B,#5 DIV AB MO

29、V LED_1,A MOV LED_0,B/余数再除以5，商存入LED1，余数存入LED0 LCALL DISP SJMP WAITINT_TO:CPL CLOCK RETIDISP: CLR P2.0 MOV A,LED_0 MOVC A,A+DPTR SETB P2.3 MOV P3,A /显示第一个LED LCALL DELAY CLR P2.3 MOV A,LED_1 MOVC A,A+DPTR SETB P2.2 MOV P3,A /显示第二个LED LCALL DELAY CLR P2.2 MOV A,LED_2 MOVC A,A+DPTR SETB P2.1 ANL A,#7FH

30、 MOV P3,A /加上小数点，显示第三个LED LCALL DELAY CLR P2.1 RETDELAY:MOV R6,#10 D1:MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETTABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H,82H,0F8H,80H,90H END第 6 章 课程设计总结本次课程设计是采用单片机设计一个直流数字电压表，通过对模拟信号的采样经 A/D 转换器将模拟信号转化为数字信号，通过单片机处理最后在 LED 显示屏上显示数据。通过学习单片机课程及有关资料的查询我决定采用 AT89S52 系列单片机，而数模转换

31、部分我采用 ADC0809，此 A/D 转换器除了转换速度快（几十至几百 us） 、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，其次单片机还需有简易的复位系统，所以我采用的是按键式的复位装置。其次是五档调节的电路装置，做了很多遍，主要目的达到了但连接还有小问题，改进后还有些许误差，需要进一步改进。数字显示使用的是 LED 显示器，LED 显示器的驱动是一个非常重要的问题，显示电路由 LED 显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的 P0，P2 口驱动。原理很复杂最后经过老师指导达到了题目的要求。经过这一次的设计真的发现自己身上的不足，在知识的运用上还有很多欠缺，以后仍需要努力学习。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，2003.4