1、毕业设计论文1第 1 章 绪论1.选题背景及意义：电压表已经有 100 多年的发展历史，虽然不断改进与完善，仍然无法满足现代电子测量的需求，近二十年，微电子技术，计算机技术，集成技术，网络技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等。同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。数字电压表(Digital Voltmeter 简称 DVM)自 1952 年问世以来，显示出强大的生命力，现已成为在
2、电子测量领域中应用最广泛的一种仪器。数字电压表可以显示清晰、直观，读数准确，准确度高，分辨力强，测量范围广，扩展能力强，测量速度快，输入阻抗高，集成度高，微功耗和抗干扰能力强等优点，独占电压表产品的熬头。DVM 的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一，而高准度的 DC-DVC 的出现，又使 DVM 进入了精密标准测量领域。随着现代化技术的不断发展，数字电压表的功能和种类将越来越强，越来越多，其使用范围也会越来越广泛。采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势，它们将不仅能提高测量准确度，而且能提高电测量技术的自动化程序，可以扩展成各种
3、通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。从而提高计量检定人员的工作效。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，本设计 A/D 转换器采用 ADC0808 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。毕业设计论文2第 2 章 总体设计方案2.1 系统设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。硬件电路包括：单片机及外围电路，A/D 转换电路，数码管显示电路，各部分
4、电路的衔接。软件的程序可采用C 语言或汇编，这里采用汇编语言，详细的设计思路在后面介绍。2.2 设计方案数字电压表的设计方案很多，但采用集成电路来设计较流行。其设计主要是由模拟电路和数字电路两大部分组成，模拟部分包括 A/D 转换器，数字部分包括振荡器，数码显示，复位电路。其中，A/D 转换器将输入的模拟量转换成数字量，它是数字电压表的一个核心部件，对它的选择一般有两种选择方案：2.2.1 AD 的选择（1）采用双积分 A/D 转换器 MC14433，它有多路调制的 BCD 码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。但芯片只能完成 A/D 转换功能，要实现显示功能还需配合其它
5、驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。（2）逐次逼近式 A/D 转换器。它的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809 等，它们通常具有 8 路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示。这样电路设计简单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。这里采用这种方案。选择ADC0808 作为模数转换器件，AD 转换器采用一路模拟量输入，能够测量 05V直流电压。2.2.2 显示部分显示部分可以采用各类数码管或用 LCD 显示器显示。这里电压采用 4 位一体的 LED 数码管显示， LED 数码的段码
6、输入,由并行端口 P0 产生：位码输入，用并行端口 P2 低四位产生。并且采用动态扫描的显示方式。2.2.3 控制器件AT89C51 功能性能:与 MCS-51 成品指令系统完全兼容；4KB 可编程闪速存储器；寿命：1000 次写/擦循环；数据保留时间：10 年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B 内部 RAM；32 个可编程 I/O 口线；2 个 16 位定时/计数器；5 个中断源；可编程串行 UART 通道；片内震荡器和掉电模式 6。所以选择 AT89C51 单片机为核心控制器件。其他在硬件设计部分介绍。2.2.4 总体设计方案硬件电路设计由 6 个部分组成; A
7、/D 转换电路，AT89C51 单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图 1 所示。 毕业设计论文3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 P1 P2 P2 P0 图 1 数字电压表系统硬件设计框图毕业设计论文4第 3 章硬件及详细设计3.1 A/D 转换模块3.1.1 逐次逼近型 A/D 转换器原理逐次逼近型 A/D 转换器是由一个比较器、A/D 转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置 1，把数据送入 A/D 转
8、换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则 1 保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则 1 不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量 5。3.1.2 ADC0808 主要特性ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可以对 8 路 0-5V 输入模拟电压信号分时进行转换，由于 ADC0808 设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等
9、领域 5。ADC0808 主要特性:8 路 8 位 A/D 转换器，即分辨率 8 位；具有锁存控制的8 路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与 TTL 兼容；转换时间：128s；转换精度：0.2%；单个+5V 电源供电；模拟输入电压范围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约 15mW6。3.13 ADC0808 的外部引脚特征 ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图 2 所示。图 2 ADC0808 引脚图下面说明各个引脚功能:毕业设计论文5IN0-IN7（8 条）：8 路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。地址输入控制（4
10、 条）：ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当 ALE 为高电平时，为地址输入线，用于选择 IN0-IN7 上那一条模拟电压送给比较器进行 A/D 转换。ADDA,ADDB,ADDC:3 位地址输入线，用于选择 8 路模拟输入中的一路，其对应关系如表 1 所示：表 1 ADC0808 通道选择表地址码 C B A 对应的输入通道 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 11 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START：START 为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由 CPU 送来，宽度应大于 100ns，上升沿
11、清零 SAR,下降沿启动 ADC 工作。EOC: EOC 为转换结束输出线，该线上高电平表示 A/D 转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。D1-D8：数字量输出端，D1 为高位。OE：OE 为输出允许端，高电平能使 D1-D8 引脚上输出转换后的数字量。REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。Vcc、GND: Vcc 为主电源输入端，GND 为接地端，一般 REF+与 Vcc 连接在一起，REF-与 GND 连接在一起.CLK:时钟输入端。3.2 单片机系统3.2.1 AT89C51 性能AT89C51 功能性能:与 MCS-51 成品指令系统完全兼容；4KB 可编
12、程闪速存储器；寿命：1000 次写/擦循环；数据保留时间：10 年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B 内部 RAM；32 个可编程 I/O 口线；2 个 16 位定时/计数器；5 个中断源；可编程串行 UART 通道；片内震荡器和掉电模式 6。 3.2.2 AT89C51 各引脚功能AT89C51 提供以下标准功能：4KB 的 Flash 闪速存储器，128B 内部 RAM，32毕业设计论文6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，并支持
13、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，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用 PDIP 封装形式，引脚配置如图 3 示 7。图 3AT89C51 引脚图AT89C51 芯片的各引脚功能为：P0 口：这组引脚共有 8 条，P0.0 为最低位。这 8 个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是 89C51 不带外存储器，P0 口可以为通用I/O 口使用，P0.0-P0.7 用于传送 CPU 的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要
14、外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是 89C51 带片外存储器，P0.0-P0.7 在 CPU 访问片外存储器时先传送片外存储器的低 8 位地址，然后传送 CPU 对片外存储器的读/写数据。P0 口为开漏输出，在作为通用 I/O 使用时，需要在外部用电阻上拉。P1 口：这 8 个引脚和 P0 口的 8 个引脚类似，P1.7 为最高位，P1.0 为最低位，当 P1 口作为通用 I/O 口使用时，P1.0-P1.7 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2 口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用 I/O
15、 口使用，它的第一功能和 P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高 8 位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像 P0 口那样传送存储器的读/写数据。P3 口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表 2 所示：表 2 P3 口各位的第二功能P3 口各位 第二功能P3.0 RXT（串行口输入）P3.1 TXD（串行口输出）P3.2 /INT0（外部中断 0 输入）P3.3 /INT1(外部中断 1 输入)毕业设计论文7P3.4 T0（定时器/计数器 0 的外部输入）P3.5 T1（定时器/计数器 1 的外部输入）P3.6 /
16、WR（片外数据存储器写允许）P3.7 /RD（片外数据存储器读允许）Vcc 为+5V 电源线，Vss 接地。ALE：地址锁存允许线，配合 P0 口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89C51 的 CPU 在 P0.0-P0.7 引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89C51 自动在 ALE 线上输出频率为 1/6 震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA:片外存储器访问选择线，可以控制 89C51 使用片内 ROM 或使用片外ROM,若/EA=1，则允许使用片内 ROM, 若/EA=0，则只使用片外 ROM。/PSEN：片外 RO
17、M 的选通线，在访问片外 ROM 时，89C51 自动在/PSEN 线上产生一个负脉冲，作为片外 ROM 芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使 89C51 处于复位(即初始化)工作状态。通常 89C51 复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1 和 XTAL2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接 89C51 片内 OSC(震荡器)的定时反馈回路。3.3 复位电路和时钟电路3.3.1 复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位，使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51 单片机有一个复位引脚 RST,采用
18、施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位 1。复位完成后，如果 RST 端继续保持高电平，MCS-51 就一直处于复位状态，只要 RST 恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图 4 是 C51 系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要 Vcc 上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作 1。图 4 复位电路3.3.2 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毕业设计论文8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
19、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 1。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 5 所示图 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高可选24MHz，它决定了单片机电路产
20、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。3.4 LED 显示系统设计3.4.1 LED 基本结构LED 是发光二极管显示器的缩写。LED 由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED 显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件 6。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED 七段数码显示器由 8 个发光二极管组成显示字段，其中 7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。LED 引脚排列如下图 6 所示:图 6LED 引脚
21、排列3.4.2 LED 显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的 LED 显示器的位数也不同，因此就毕业设计论文9生产了位数，尺寸，型号不同的 LED 显示器供选择，在本设计中，选择 4 位一体的数码型 LED 显示器，简称“4-LED” 。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。4-LED 显示器引脚如图 7 所示，是一个共阴极接法的 4 位 LED 数码显示管，其中 a，b，c，e，f，g 为 4 位 LED 各段的公共输出端，1、2、3、4 分别是每一位的位数选端，dp 是小数点引出端，4 位一体 LED 数码显示管的内部结构是由 4 个单独的 LED 组成
22、，每个 LED 的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。图 7 4 位 LED 引脚对于这种结构的 LED 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位LED 阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个 I/O 接口控制）显示。3.4.3 LED 显示器与单片机接口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
23、路设计是一个非常重要的问题。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 8 所示。毕业设计论文10图 8LED 与单片机接口间的设计3.5 总体电路设计 经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图 9 所示。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 ADC08008 的 IN0 通道进入（由于使用的 IN0 通道，所
24、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码管的亮灭。此外，AT89C51 还控制 ADC0808 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 ADC0808 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 3。
