数字电压表课程设计报告

湖南科技大学

信息与电气工程学院

课程设计报告

课程单片机原理及应用

题目：数字电压表

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任务书

1数字电压表的概述

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。重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。

数字电压表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电压表是把连续的模拟量（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。数字电压表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电压表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。本设计采用了以单片机为开发平台，控制系采用

AT89C52单片机，A/D转换采用ADC0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便进

行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电压测量电路由

A/D转换、数据处理、显示控制等组成。

模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。数字电压表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以A/D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。

DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A/D转换器，最后用电子计数器计数显示，因此DVM的基本组成是A/D转换器和电子计数器。

DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。

2、工作原理

系统采用12M晶振产生脉冲做8031的内部时钟信号，通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。利用中断设置单片机的口取反产生脉冲做8031的时钟信号。通过键盘选择八路通道中的一路，将该路电压送入ADC0809相应通道，单片机软件设置ADC0809开始A/D转换，转换结束ADC0809的EOC端口产生高电平，同时将ADC0809的EO端口置为高电平，单片机将转换后结果存到片内RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为分别保存在片内RAM;系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到LED显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。

3、系统结构框图

4、8031的结构及其功能

在本次课题设计中我们选择了8031芯片。8031和8051是最常见的mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。

<8031管脚图>

8031内部结构及其功能概述

8031引脚功能

（1）主电源引脚Vss和Vcc

① Vss接地

② Vcc正常操作时为+5伏电源

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。

② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/ ，和 /Vpp

① RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位

在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM

中的数据。

② ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE

脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM 编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）

③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。

④ /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。8031引脚功能：

Vcc:+5V电源电压。

Vss:电路接地端。

～:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。～:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。

通道1吸收/发出一个TTL负载。

～:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2

能吸收/发出一个TTL负载。

～:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有

☆另一种功能：

:RXD，串行输入口。

:TXD，串行输出口。

:INT0，外部中断0输入口。

:INT1，外部中断1输入口。

:T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。

:T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端

:WR，外部数据存贮器写脉冲。

:RD，外部数据存贮器读脉冲。

RST/VpD:引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限度以下），后备电源加到此引脚，将只给片内 RAM供电。

ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时，8751内的EPROM编程时，此端输编程脉冲信号。

PSEN:引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产生，低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。

EA/VPP:引脚31，当保持TTL高电平时，如果指令计数器小于4096，8051执行内部ROM的指令，8751执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平时，从外部程序存贮器取出所有指令，在8751内的EPROM编程时，此端为21V编程电源输入端。

XTAL1:引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡源时，此端必须接地。

XTAL2:引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡器时，此端用于输入外部振荡信号。

5、显示器

本次设计中有显示模块，常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。

数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示0——9的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。经过性能的比较和根据本设计的要求以及价格的考虑，选择数码管显示器。

单位数码管如图所示。

6、模数（A/D）芯片ADC0809

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。此次设计的是利用逐次逼近式ADC0809进行模数转换。

ADC0809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，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。

综合上述，逐次逼近型A/D转换既兼顾了转换速度，又具有一定的精度，这里选用的是

逐次逼近型的A/D转换芯片ADC0809。

图 ADC0809内部结构图 ADC0809引脚图

7、8279接口芯片

8279的功能及工作原理

8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器I／O接口部件。利用8279，可实现对键盘／显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号，不仅可以大大节省CPU对键盘／显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作，由于这些优点，8279芯片日益被设计者所采用。

8279的引脚及内部结构

(1) I／O控制和数据缓冲器

双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线DB

o —DB

7

，用于传送CPU和

8279之间的命令，数据和状态。

S

C为片选信号。当S

C为低电平时，CPU才选中8279读写。

A。用以区分信息的特性。当A。为1时，CPU写入8279的信息为命令，CPU

从 8279读出的信息为8279的状态。当A。为0时，I／O信息都为数据。

图1 8279的引脚图

(2) 控制逻辑

控制与定时寄存器用以寄存键盘及显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码产生相应的控制信号，使8279的各个部件完成一定的控制功能。

定时控制含有一些计数器，其中有一个可编程的5位计数器，对外部输入时钟信号进行分频，产生100kHz的内部定时信号。外部时钟输入信号的周期不小于500ns。

(3) 扫描计数器

扫描计数器有两种输出方式。一种为外部译码方式(也称编码方式)，计数器

以二进制方式计数，4位计数状态从扫描线SL。～SL

3

输出，经外部译码器译码出16位扫描线，另一种为内部译码方式(也称译码方式)，即扫描计数器的低二

位经片内译码器译码后从SL。一SL

3

输出。

(4) 键输入控制

这个部件完成对键盘的自动扫描，锁存RL。～RL

7

的键输入信息，搜索闭合键，去除键的抖动，并将键输入数据写入内部先进先出(FIFO)的存储器RAM。

(5)FIFO RAM和显示缓冲器RAM

8279具有8个先进先出(FIFO)的键输入缓冲器，并提供16个字节的显示缓冲器RAM。

8279将段码写入显示缓冲器RAM，8279自动对显示器扫描，将其内部显示缓冲器RAM中的数据在显示器上显示出来。

IRQ为中断请求输出线，高电平有效。当FIFO RAM缓冲器中存有键盘上闭合键的编码时，IRQ线升高，向CPU请求中断，当CPU将缓冲器中的输入键的数据全部读取时，中断请求线下降为低电平；

SHIFT、CNTL／STB为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平。

RL。～RL

7

为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻（或称为上拉电阻）拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。

SL。～SL

3

为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。

OUT B。-

3、OUTA。-

3

为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也

可作为8位段数据输出口，此时OUTB。为最低位，OUTA

3

为最高位。

BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显示消隐。

RESET为复位输入线，高电平有效。当RESET输入端出现高电平时，8279被初始复位。

8、硬件原理图

9、c语言程序编写

#include <>

#include <>

#include<>

#define A_DPORT XBYTE[0x8100] //0809通道0地址

#define DAT XBYTE[0xFF80] //8279 数据口地址

#define COM XBYTE[0xFF82] //8279 状态/命令口地址

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

bit bdata bz=0;//定义标志

long int val;

uchar idata diss[4]={0,0,0,0};//显示缓冲区

uchar code ledseg[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//LED显示常数表

void delay(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

//----8279初始化子程序-----

void init8279()

{

COM=0x00; //置8279工作方式 COM=0x2f; //置键盘扫描速率

COM=0xc1; //清除 LED 显示

delay(200); //等待清除结束}

//-----显示函数-----

void disled(d)

uchar idata *d;

{

uchar i;

COM=0x80;

for(i=0;i<4;i++)

{

COM=i+0x80;

DAT=ledseg[*d];

d++;

if(i==3)

{DAT=ledseg[*d]|0x80;}

}

}

//-----显示缓冲区内容显示-----

void disp(void)

{

disled(diss);

}

//-----显示处理-----

void display(long second)

{

diss[0]=second%10; //低位先存

diss[1]=second/10%10;

diss[2]=second/100%10;

diss[4]=second/1000;

disp();

}

main()

{

IT0=1;

EX0=1;

EA=1;

delay(100); //延时

init8279();

while(1)

{

A_DPORT=val; //启动 A_D

while(bz==0); //等待 A_D 转换结束 display(val);

delay(10);

bz=0; //清读数标志

}

}

void int_0(void) interrupt 0

{

val=A_DPORT; //读 A_D 数据

val=val*5000/256;

bz=1; //置读数标志

}