简易数字电压表的设计

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

第2章系统方案论证与框图 (3)

第3章硬件电路设计 (5)

3.1模数转换芯片ADC0809 (5)

3.1.1 ADC0809内部逻辑结构 (5)

3.1.2 ADC0809的引脚 (6)

3.1.3 ADC0809的工作原理 (7)

3.2 数据处理及控制芯片AT89S51 (7)

3.2.1 主要性能参数 (8)

3.2.2 AT89S51的引脚 (8)

3.2.3 AT89S51的复位电路 (10)

3.2.4 AT89S51与ADC0809的连接 (11)

3.3 4位一体7段LED数码管 (12)

3.4 整机电路及工作原理 (12)

第4章软件设计 (14)

4.1 主程序设计 (14)

4.2 各子程序设计 (14)

第5章仿真与调试 (18)

5.1 仿真工具 (18)

5.2 仿真步骤 (18)

5.3 硬件实物图 (19)

5.4 测量结果 (20)

5.5 问题及解决方案 (20)

总结 (21)

参考文献 (22)

附录1 整机原理图 (23)

附录2 元件明细表 (24)

附录3 程序清单 (25)

摘要

本设计主要采用AT89S51芯片和ADC0809芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0～5 V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.02 V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89S51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着ADC0809芯片的工作。显示模块主要由7段数码管及相应的驱动芯片(74HC245)组成，显示测量到的电压值。

单片计算机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）,是集CPU 、RAM 、ROM定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小、成本低、功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。

简易电压表是利用模拟量转换成数字量经单片机处理并反映在显示器上，它可以分析5V的电压，并能用该电压表推测出该电路的电流和电阻值。

本文介绍了电压表的使用和开发环境，仿真系统和开发使用的MCS-51系列的单片机芯片。在第二章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性。

关键词电压表；ADC0809；AT89S51

第1章绪论

数字电压表作为智能仪表的一种,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并加以显示的仪表。传统的指针电压表功能单一精度不高，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高抗干扰力强，可扩展性强集成方便，还可以与PC进行实时通信。

电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调制度等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量，也包括非电量测量的基础。

电压是基本的电参数，其它许多电参数可看作电压的派生量，由于电压测量方便，因此电压测量是电子测量中最基本的测量。按测量结果的显示方式可将电子电压表分为模拟式和数字式两大类。数字式电压表的核心是A/D转换器，A/D转换器最基本的两种类型是积分型和比较型。前者抗干扰能力强，测量精度高，但测量速率低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。总的来说，积分型特别是双斜积分式DVM性能较优，应用较广泛。

数字电压表除具有一般的所具有的准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性等优点，因而体积小，可靠性好，操作简便，由于数字电压表具有上述这些优点，使得它获得越来越广泛的应用。

目前，由各种单片ＡＤ转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，展示出强大的生命力。

第2章系统方案论证与框图

本设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表，原理框图如图2-1所示。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的0～5 V的模拟量电压，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AT89S51芯片的P0口。AT89S51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，并通过其P1口经三极管驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE管脚为ADC0809提供了1MHz工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换结束信号(EOC)。

图2-1 系统原理框图

本设计与其它方法实现主要区别在于元器件上例如：AT89C51与AT89C51、AT89S51在AT89C51的基础上，又增加了许多功能，性能有了较大提升。

1.ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。

2.工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

3.具有双工UART串行通道。

4.内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

5.双数据指示器。

6.电源关闭标识。

7.全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

8.兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。在89C51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

第3章硬件电路设计

3.1 模数转换芯片ADC0809

ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，其实物如图3-2所示。它可以和微型计算机直接接口。ADC0809转换器的系列芯片是ADC0808，可以相互替换。

图3-1 ADC0809实物图

3.1.1 ADC0809内部逻辑结构

图3-2 ADC0809的内部逻辑结构及引脚图

ADC0809的内部逻辑结构如图3-2所示。图中多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存与译码，如表3-1所示。

表3-1 ADC0809通道选择表Array 3.1.2 ADC0809的引脚

ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列如图1-4所示。

1.IN0～IN7：8路模拟量输入通道。

2.A、B、C：模拟通道地址线。这3根地址线用于对8路模拟通道的选择，其译码关系如表1-1所示。其中，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

3.START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。

4.D7～D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。

5.OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

6.CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。

7.EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

8.Vcc： +5V电源，GND：地。

9.Vref：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基

准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。

3.1.3 ADC0809的工作原理

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。

（注意：ALE信号常与START信号连在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动A/D转换，图3-3为ADC0809信号的时序配合图）。

图3-3 ADC0809信号的时序配合

3.2 数据处理及控制芯片AT89S51

图3-4 AT89S51实物图

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机。图3-4和3-5分别为其实物图和内部总体结构图。AT89S51片内含有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部 RAM，32个I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，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，片内振荡器及时钟电路。同时,S51可降至0Hz的静态逻辑操作，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它所有部件工作直到下一个硬件复位。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AT89S51是一种高效微控制器，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。

3.2.1 主要性能参数

1.与MCS-51产品指令系列完全兼容；

2.4K字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器；

3.1000次擦写周期；

4.4.0～

5.5 V工作电压范围；

5.全静态工作模式：0Hz～33MHz；

6.三级程序加密锁；

7.128字节内部RAM；

8.32个可编程I/O口线；

9.2个16位的定时/计数器；

10.6个中断源；

11.全双工串行UART通道；

12.低工耗空闲和掉电模式；

13.中断可从空闲模式唤醒系统；

14.看门狗(WDT)及双数据指针；

15.掉电标识和快速编程特性；

16.灵活的在系统编程(ISP-字节或页写模式)。

3.2.2 AT89S51的引脚

图3-6 AT89S51的引脚图

AT89S51芯片为40引脚双列直插式封装，其引脚排列如图3-6所示。

1.P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P2口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在访问8位地址外部数据存储器时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

2.P3口：P3口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P3口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。P3口除了一般I/O线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表3-2所示。P3口同时为FLASH编程和编程校验接收一些控制信号。

表3-2 P1口的第二功能

（1

（2）GND：接地；

（3）P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，每位引脚可驱动8个TTL逻辑门路。对P0口的管脚写“1”时，被定义为高阻抗输入。在访问外部数据存储器或程序

存储器时，它可以被定义为数据总线和地址总线的低八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口；当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P1口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P1口还具有第二功能，如表3-2所示。

（5）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

（6） ALE//RPOG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（7）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。

（8）/EA/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（9）XTAL1：片内高增益反向放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（10）XTAL2：片内高增益反向放大器的输出端。

3.2.3 AT89S51的复位电路

AT89S51的复位电路如图3-7所示。当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”，就可以通过按键使其复位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。

图3-7 复位电路

电容C和电阻R1实现上电自动复位。增加按键开关S和电阻R2又可实现按键复位功能。R2的作用是在S按下的时候，防止电容C放电电流过大烧坏开关S的触点。因保证R1/R2 >10。一般取C=10uF,R2=100Ω，R1=8.2KΩ。

3.2.4 AT89S51与ADC0809的连接

图3-8 AT89S51与ADC0809的连接电路

AT89S51与ADC0809的连接电路如图3-8所示。

AT89S51与ADC0809的连接必须注意处理好3个问题：

1.在START端送一个100ns宽的启动正脉冲；

2.获取EOC端上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；

3.给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE端送一个地址译码器的输出信号。

3.3 4位一体7段LED数码管

本设计的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管(SM410564)构成，用于显示测量到的电压值。它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图1-13所示。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89S51的P1口产生的显示段码。1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收AT89S51的P3口产生的位选码。图3-10和图3-9分别为其实物图和引脚图。

图3-9 一位数码管的原理图

图3-10 SM410564数码管实物图

3.4 整机电路及工作原理

本设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表。设计的硬件电路由主控部分(单片机AT89S51)、采集模拟量部分（A/D转换一路ADC0804）、显示部分（四位八段数码管）、报警电路（蜂鸣器）4个部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现数字电压表的功能。

该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的0～5 V的模拟量电压，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AT89S51芯片的P0口。AT89S51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，并通过其P1口经驱动芯片74HC245驱动，再传送给数码管。同时它还通过其三位I/O口P3.0、P3.1、P3.2产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，AT89S51还控制着ADC0809的工作。其ALE管脚为ADC0809提供了1MHz工作的时钟脉冲；P2.3控制ADC0809的地址锁存端(ALE)；P2.4控制ADC0809的启动端(START)；P2.5控制ADC0809的输出允许端(OE)；P3.7控制ADC0809的转换结束信号(EOC)。各部分的硬件电路设计详见附录一。

第4章软件设计

4.1 主程序设计

初始化中主要对AT89S51，ADC0809的管脚和数码管的位选及所用到的内存单元70H,78H,79H,7AH 进行初始化设置。

准备工作做好后便启动ADC0809对IN0脚输入进的0～5V电压模拟信号进行数据采集并转换成相对应的0～255十进制数字量。

在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将0～255十进制数字量转换成0.00～5.00V的数据，输出到显示子程序进行显示。

整个主程序就是在A/D转换，数据处理及显示程序循环执行。整个程序流程框图如图4-1所示。

图4-1 主程序流程图

4.2 各子程序设计

1.A/D转换子程序

启动ADC0809对模拟量输入信号进行转换，通过判断EOC（P3.1引脚）来确定转换是否完成，若EOC为0，则继续等待；若EOC为1，则把OE置位，将转换完成的数据存储到70H中。

程序流程图如图4－2所示。

图4-2 A/D转换程序流程图

2.数据处理子程序

数据处理子程序主要根据标度变换公式，把0～255十进制数转换为0.00～5.00V。

A

Ax 0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)

Ax:模拟测量值; A0:模拟量输入最小值; Am:模拟量输入最大值;

Nx:摸/数转换后的数值; N0:摸数转换后的最小值; Nm摸/数转换的最大值。

在本设计中，根据要求知：

A0=0V，Am=5V，N0=0，Nm=255

则公式1-1可化简为：

Ax=A0+（Am-A0）*（Nx-N0）/(Nm-N0)=5Nx/255=Nx/51 程序流程图如图4－3所示。

图4-3 数据处理子程序流程图

3.显示子程序

显示子程序采用动态扫描法实现三位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H内存单元中，测量数据在显示时需转换成10进制BCD码放在78H～7AH单元中。寄存器R1用作显示数据地址指针。程序流程图如图4-4所示。

图4-4 显示子程序流程图

第5章仿真与调试

5.1 仿真工具

Proteus具有4大功能模块

1.智能原理图设计（ISIS）

2.完善的电路仿真功能（Prospice）

3.独特的单片机协同仿真功能（VSM）

4.实用的PCB设计平台

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR 系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

5.2 仿真步骤

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。仿真效果如下图：