基于单片机的电压表设计

绵阳师范学院

本科生毕业设计（论文）题目基于单片机的数显电压表设计

专业电子信息科学与技术

院系物理与电子工程学院

学号 1009030231 姓名胡云鹏

指导教师周功明副教授

答辩时间二○一四年五月

论文工作时间：2013年11月至2014年 5 月

基于单片机的数显电压表设计

学生：胡云鹏

指导教师：周功明

摘要：本次毕业论文设计是有关AT89S51的数显电压表。本次设计的关于51单片机的数显电压表主要包含三个部分：数据处理模块、A/D转换模块以及显示模块。ADC0809完成A/D转换，通过把收集到的模拟量转换为相对应的数字量然后再传送到数据处理模块。51单片机完成该电路系统的数据处理过程，ADC0809产生的数据也是由51单片机处理的，并把处理后生成的东西送到数码管上显示。除此之外，ADC0809的正常工作还要受到51单片机的控制。

本次毕业论文的数显电压表电路设计相对简单，使用成本低，元件少，其测量精度与可靠性还是比较高的。本次设计最终能够实现的功能是可以对输入的在0-5V之间的电压进行测量，并把测量得到的结果通过数码管显示。

关键词：51单片机；数字电压表；模数转换器；ADC0809 ；AT89S51

Design of Digital Voltmeter Based on Microprocessor

Undergraduate:HuYunPeng

Supervisor:ZhouGonMin

Abstract: This paper which introduces a kind of simple digital voltmeter is based on single-chip microcontroller design. The circuit of the voltage meter is mainly consisted of three mould pieces: Data processing module,A/D converting module and Display module, A/D converting is mainly completed by the ADC0809, it converts the collected analog data into the digital data and transmits the outcome to the manifestation controlling mould piece. Data processing is mainly completed by the AT89S51 chip, it processes the data produced by the ADC0809 chip and generates the right manifestation codes, also transmits the codes to the manifestation controlling mould piece. Also, the AT89S51 chip controls the ADC0809 chip to work.

The voltmeter features in simple electrical circuit, lower use of elements, low cost, moreover, its measuring precision and reliability. The voltmeter is capable of measuring voltage inputs from 0 to 5 volt, and displaying the measurements through a digital code tube.

Keywords: 51Single-chip microcontroller; Digital voltmeter; A/D converter; ADC0809; AT89S51

目录

1 引言 (1)

2 设计总体方案 (1)

2.1 设计要求 (1)

2.2 设计思路 (1)

2.3 设计方案 (1)

3 硬件电路设计 (2)

3.1 A/D转换模块 (2)

3.1.1 有关逐次逼近型的A/D转换器的原理 (2)

3.1.2 ADC0809主要特性 (2)

3.1.3 ADC0809的外部引脚特征 (2)

3.1.4 ADC0809的内部结构及工作流程 (3)

3.2 单片机系统 (4)

3.2.1 AT89S51性能 (4)

3.2.2 AT89S51各引脚功能 (4)

3.3 复位电路和时钟电路 (6)

3.3.1 复位电路设计 (6)

3.3.2 时钟电路设计 (6)

3.4 LED显示系统设计 (7)

3.4.1 LED基本结构 (7)

3.4.2 LED显示器的选择 (7)

3.4.3 LED译码方式 (8)

3.4.4 关于单片机与数码管的接口设计 (8)

3.5 总体电路设计 (9)

4 程序设计 (10)

4.1 程序设计总方案 (10)

4.2 系统子程序设计 (11)

4.2.1 初始化程序 (11)

4.2.2 A/D转换子程序 (11)

4.2.3 显示子程序 (12)

5结论 (13)

5.1显示结果及误差分析 (13)

5.1.1 显示结果 (13)

5.1.2 误差分析 (15)

总结 (16)

参考文献 (17)

致谢 (18)

附录一 C语言程序代码 (19)

附录二元件清单 (21)

附录三总原理图 (22)

附录四实物图 (23)

1 引言

21世纪是一个飞速发展的时期，在科学技术不断发展的同时，在我们的电量的测量中，最基本最重要的就是关于电压的测量。那么DVM是什么呢，通过查找相关资料我们知道DVM其实也就是数字电压表的简称，所谓数字电压表也就是把连续的量变成不连续的量，把模拟的量变成离散的量并加以显示的一种应用仪器[1]。

我们知道传统的指针式刻度电压表它的精度很低，所以就容易引起误差，那么就不能满足科学技术快速发展的需要。但是我们发现用单片机设计的数显电压表，具有精度高、集成方便、还可与PC实时通信等优点。因此基于以上特点，我们对关于单片机和A/D转换器构成的数显电压表的了解就是很有必要的了。

我本次毕业设计设计的就是关于51单片机的数显电压表。

2 设计总体方案

2.1 设计要求

⑴51单片机是核心控制元件件，设计一个能够测量直流电压的电压表。

⑵本次设计最终要达到的目标就是可以测量0到5V之间的直流电压。

⑶用数码管显示结果，精度至少为0.01，而且所用元件尽量少。

2.2 设计思路

⑴本设计电路中的51单片机是作为核心的控制元件的。

⑵ADC0809实现模数转换。

⑶数码管显示结果。

2.3 设计方案

我的设计的硬件电路由6个部分组成，具体的设计框图如下[2]：

图1硬件框图

3 硬件电路设计

3.1 A/D转换模块

所谓A/D转换也就是模数转换，是把外部输入的模拟量转换为与之相对应的数字量，关于模数转换的类型一般有逐次逼近型，双重积分型等等[3]。它们各自都具有各自的特点和优势，比如说其中的双积分式模数转换就是具有转换精度高、价格便宜等优点，这两种类型的模数转换都在日常的生活中被大量的使用。我们知道一个n位的逐次逼近型模数转换器比较n次就可以得到结果，所以它的转换速度就很快，故实际中经常使用的就是逐次逼近型模数转换器[4]。

3.1.1 有关逐次逼近型的A/D转换器的原理

A/D转换器转换过程的具体情况就是，在开始工作的时候，寄存器先把它的各位清零，在转换的时候，就是最高位先置1，然后把相应数据送入模数转换器转换，再把转换得到的结果与输入的模拟量二者进行比较，若转换值比输入值小，保留1，反之，不保留，然后再从第二位开始上诉过程不断重复一直到顺序的比较到最低位时才结束，这个时候在寄存器中的值就是对应的二进制数字量[5]。原理框图如图2所示：

图2 模数转换器原理图

3.1.2 ADC0809主要特性

本次毕业设计就是采用的ADC0809芯片作为模数转换的，它自身带有可锁存三态输出，而且它的输出与TTL是兼容的，还有一个特点就是这块芯片的分辨率还是比较高的，此外，该芯片的转换精度可以达到0.2%，还是比较精准的了，还有该芯片的输入电压的范围应该是在0到+5V之间，而且最重要的是该芯片具有低功耗，它的功耗大约是15mW[6]。当然，该型号的芯片还具有很多的特点和优势，都可以通过查找相关的资料得到，所以我在这里就不再一一列举了。

3.1.3 ADC0809的外部引脚特征

查找相关资料发现ADC0809共有28条引脚，而且它的封装是采用双列直插式的，该芯片具体的引脚图如下：

图3 ADC0809的引脚图

关于ADC0809的相关引脚的具体情况，可以通过查找有关资料得到，在此就不具体介绍了。

我们通过资料可以发现ADC0809芯片的23,24,25这三个管脚是3位地址输入线，它们的功能就是用来选择8路模拟输入中的一路，而具体该选择那一路，对应的就得出了一张表格，通过这张表格我们就可以通过编程来选择不同的通道，这样就能得到自己需要的结果，关于ADC0809芯片的3位地址输入线的对应关系如下表所示：

表1 ADC0809通道选择表

3.1.4 ADC0809的内部结构及工作流程

ADC0809的内部结构如下[7]：

图4 ADC0809内部结构

通过观察上面的ADC0809这块芯片的内部结构图我们可以发现，所谓的ADC0809芯片的内部结构其实也就是由4个主要的部分组成的。其中的模数转换器这个部分是由比较器，定时和控制，逐次逼近寄存器和开关树型D/A构成的。我们先把模拟量通过IN0到IN7这8个管脚引入ADC0809芯片中，经过该芯片在它的内部把输入的模拟量转换成相应的数字量以后再从它的D0到D7这8个管脚把相应的数字量输出。

3.2 单片机系统

3.2.1 AT89S51性能

经过在网上查找相关的资料我发现AT89S51这个型号的单片机具有很多的功能和优点，它的主要的功能特点就是它是具有128*8字节的内部RAM，还是能够满足在日常生活中的应用的，这块芯片的寿命是能1000次写/擦循环，这还是比较耐用的，还有一个优点就是它的数据保留的时间长达10年，这样就可以避免一些重要文件的丢失，除此之外，该型号的单片机还具有5个中断源，它的这些特点都大大的简化了我们的编程工作，而且该型号的芯片还自带片内震荡器，这样就可以不用外接震荡器了，这样不但省了买元件的钱而且还简化了硬件电路，既方便又实用，当然，关于51单片机的特点和优势还有很多很多，现在的网络信息十分发达，所以关于这个型号的单片机的这些优点和性能我们都可以通过网络查询得到，因此，在这里我就不对它的特点一一列举了[8]。

3.2.2 AT89S51各引脚功能

查找51单片机的相关资料，我们会发现51单片机是采用PDIP的封装形式，

它的引脚配置如下。

图5 关于51单片机的引脚图

关于单片机的引脚的具体情况，可以通过查找相关资料得到，在此就不做具体的介绍了。

我们可以通过观察上面的51单片机的引脚图发现该型号的单片机的P3口引脚是有点不一样的，我们可以看见这组引脚是具有第二功能的也就是它还具有控制功能，关于P3口也就是51单片机的第10号到第17号管脚的第二功能的具体情况，如下表：

表2 P3口各位的第二功能

3.3 复位电路和时钟电路

3.3.1 复位电路设计

我们知道单片机不论是在启动还是运行时都是需要复位的。51单片机的第9号管脚就是复位引脚，该引脚采用施密特触发的形式触发。具体的满足复位的要求就是当起振以后，只要在这块单片机的第9号引脚上面出现了2个以及2个以上的机器周期的高电平的时候就可以复位了[9]。若让复位引脚端继续保持高电平，单片机就会一直处于复位状态，变成低电平后，单片机进入其它工作状态。一般情况下关于单片机的复位方式就两种情况，也就是上电自动复位和手动复位这两个，而在我这次的毕业设计中采用的复位方式就是上电复位和手动复位二者相结合的形式，只要满足在VCC这个管脚上的上升时间不超过1ms的这个条件，那么这块单片机就能够正常的工作。

图6 复位电路

3.3.2 时钟电路设计

所谓的单片机时序也就是CPU执行一条指令的各个微操作所对应的时间顺序[10]。

本毕业设计的时钟电路采用的是内部时钟的方式，外部电路由一个晶振和2个电容组成，如下：

图7 时钟电路

我本次毕业设计的时钟电路所用的C1和C2电容所起的作用是对电路的震荡频率作微调，在我们通常的电路设计中，一般用的电容都是在20到40pF之间，

那么在我的这个毕业设计中所用的就是30pF的电容；我的设计中的电路选择的是12MHz的晶振，所以在该电路中的时钟信号的震荡频率就是12MHz了。

3.4 LED显示系统设计

3.4.1 LED基本结构

我们知道在现在的市场上面LED的价格是很便宜的、而且结构简单，所以在实际的设计中被大量的使用。实际上，关于数码管的内部基本结构的具体情况是很简单的，就是由8个发光二极管组成的，这8个发光二极管分成两个部分，其中的7个二极管为一个部分，它们在数码管内部排列成了一个“日”字，主要用来显示相应的数字，而剩下的一个圆点形的二极管为第二个部分，它是作为小数点的，就是有多个数码管的时候方便我们用眼睛直接区分整数部分和小数部分，我们可以通过编程来控制不同的二极管的亮灭这样就可以显示出各种各样的数字以达到设计目标。LED的引脚排列如下:

图8 LED引脚排列

3.4.2 LED显示器的选择

相信我们大家都应该知道在实际的应用生活当中，对数码管的要求不尽相同，那么就会造成需要不同的数码管来满足这些要求了，因此就产生了尺寸、位数、型号等都不相同的数码管。在本次毕业设计当中，我用的是一个四位一体的数码管。

经过查资料了解到了四位一体的数码管的引脚图如下所示，本次毕业设计用的是一个四位一体的共阴数码管，下图中的dp是小数点的引出端，a，b，c，d,e，f，g这7个管脚对应的是这4个数码管的公共输出端，它们是用来控制这4个数码管显示什么数字的，另外，1、2、3、4这四个引脚对应的分别是每一位的位数选端，也就是说1这个管脚对应的是第1个数码管，以此类推。我们知道其实四位一体的数码管就是由4个最基本的单独的数码管合并组成的，本设计用的就是四位一体共阴数码管。

图9 4位LED引脚

3.4.3 LED译码方式

什么是译码方式？译码方式也就是指先把字符进行相关的转换后再把所得到的字段码进行相应的显示的一种方式，在我们的日常设计当中最常用的译码方式一般有硬件译码和软件译码这两种。什么是软件译码呢？所谓的软件译码就是指使用者通过编写相关的软件程序（比如说C语言程序或者是汇编程序等）来实现译码并得到想要显示的字符的字段码得过程；而硬件译码也就是指通过专门设计的硬件电路来把对应的字符码显示出来[11]。

而在我的毕业设计中为了实现所用元件少，电路简单的要求，所以我就选择了软件编程来实现数码管的译码。我的设计中用的是四位一体的共阴极数码管，该数码管所对应的字符和字段码情况如下表：

表3.3 共阴极字段码表

3.4.4 关于单片机与数码管的接口设计

我们知道单片机的并行口是不能够直接驱动数码管的，必须用专用的驱动电

路来驱动，只有这样才能够产生足够大的电流，数码管才能正常工作。如果我们的驱动电路能力太差达不到要求，也就是说若负载的能力不够，那么数码管的显示器亮度就会很低，就看不清楚，而且如果我们设计的驱动电路在相当长的一段时间内都处在超负荷的情况下运行就会很容易损坏芯片，所以，在这个毕业设计的电路图当中关于数码管显示器的驱动电路的这一部分的设计就会是一个非常重要的问题了，必须仔细推敲，仔细分析，才能使得效果最佳[12]。

关于数码管与P0口的具体的连接方式如下图所示：

图10 数码管与51单片机接口间的设计

3.5 总体电路设计

总体电路图如下：

图11 数字电压表总体电路图

我们通过分析该电路图可以得到该电路工作的原理就是：可变电阻先把我们输入的+5V的模拟电压通过分压后再从ADC0809芯片的IN0通道进入，然后经过ADC0809芯片在自己的内部进行模/数转换了以后，这样就把从IN0通道进入的模拟量变成了相应的数字量，然后再通过芯片自身的输出通道D0到D7这8个引脚把数字量传送给51单片机上的P1口进行相关的处理后送到数码管上显示。在这个电路图中我们可以看出51单片机的位选信号是通过P2.0到P2.3这四个I/O口引脚来产生的，51单片机通过这4个引脚来控制数码管的亮与灭。另外，在该电路中ADC0809这块芯片的工作也是受到51单片机的控制的[13]。51单片机的第25号管脚输出方形波，把单片机的30号管脚接到ADC0809的10号管脚,我们知道单片机的第27号管脚会发出正脉冲出来用来启动模数转换器，而单片机的第26号管脚就是用来检测模数转换是否完成了的，若转换完成了以后，单片机的第28号管脚就会置高，我们就可以从单片机的P1口来读取转换的结果并且把转换的结果送给数码管并显示出来。

4 程序设计

4.1 程序设计总方案

在本次毕业设计的前面提过本次电路设计主要由三大模块组成，所以对应的可以得到该设计的程序就可以由A/D转换子程序，初始化模块和显示子程序这三个板块组成[14]。如下图所示：

图12 数显电压表的主程序图

4.2 系统子程序设计

4.2.1 初始化程序

我们知道每个程序的设计都要先进行初始化，所谓的初始化就是把要用到的51单片机的内部部件或者是说其它的在该电路系统中用到的扩展芯片进行一系列相关的初始工作状态的设定的过程就是初始化，而与之相关的初始化子程序所做的主要工作也就是设置定时器的初值预置，工作模式等等。

4.2.2 A/D转换子程序

什么是模数转换子程序呢？所谓的模数转换就是把我们输入的模拟量在芯片内部进行相关的转换然后变成了与之相对应的数字量并把这些数字量存入与其相应的内存单元。具体的转换流程图如下：

图13 模数转换流程图

4.2.3 显示子程序

显示子程序是通过四位一体数码管来显示的，它是采用动态扫描的方式进行扫描并且显示的。如果我们每间隔10ms左右对数码管进行动态扫描一次，每一位数码管的显示时间为1ms作用，这样得到的显示结果最佳。

我本次的毕业设计的要求是电路图要尽量简单，元件尽量少，而且是采用了软件定时的方式，也就是采用了定时器0溢出中断来实现11μs的定时，再加上我们通过相应的软件编程（比如说C语言编程或者汇编编程）来实现5ms的延时的目标。

5结论

5.1显示结果及误差分析

5.1.1 显示结果

1.输入0V，显示结果如下，测量误差为0V。

图14 当输入为0V，数码管的显示结果

2.输入1.50V，显示结果如下，测量误差为0.01V。

图15 当输入为1.50V，数码管的显示结果3. 输入3.50V，结果如下，测量误差为0V。

图16 输入3.50V时的结果

5.1.2 误差分析

本次设计的数字电压表与实际的“标准”的数字电压表两者的对比情况，结果如下：

表4 两个数字电压表的对比表

从上表中可以看出设计的电路存在一定的误差，那么，怎么减小误差呢？可以通过校正模数转换芯片ADC0809的基准电压实现[15]。因为，我这个设计是直接采用的5V的电源作为电压值的，所以就导致了测得的电压值就可能会有所偏差，就会差生较大的误差。我的设计在5V以内精准度还是可以的，但是如果我们是要测量大于5V的电压的时候，精准度就不能满足要求了，所以想要减小设计的电压表的测量误差，则可以通过在输入口使用分压电阻的这个办法来实现，这样就会达到既能测量5V以上的电压，又能减小误差的要求。