1南京信息工程大学单片机原理课程设计报告单片机原理课程设计报告设计题目：直流数字电压表设计专业班级：测控技术与仪器学生姓名：倪阳肖照飞学生学号：2011234190520112341910指导老师：葛化敏成绩：二一四年 六 月 二十 日2一、设计任务、目的与要求1.1设计任务利用单片机 AT89S52 和 ADC0809 设计一个数字电压表，能够测量 0-5V 之间的直流电压值，四位数码管显示，要求使用的元器件数目尽量少。本电路主要采用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 05 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。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 ADC0809 芯片的工作。1.2 设计目的通过制作简易数字电压表，加深对所学专业知识的认识，提高分析、解决工程实际问题的能力，提高对单片机的应用能力，提高收集文献、资料的能力，从而达到综合运用所学的专业知识进行电子产品设计、制作与调试的能力。1.3设计要求电路通电或按复位键时，通过改变电位器的阻值改变模拟输入电压，不断的将模拟电压转换成数字量，通过 LED 显示出所测得的模拟电压。在测试中测试的电压值必须和实际的电压值不超过 0.5V 的电压。在改变电压时，能够准确的侧量出电压的变化值。3二、系统总体方案设计2.1系统组成本系统采用STC89C52单片机作为控制核心，对8路8位模数转换芯片ADC0809采集到的模拟电压信号进行分析处理，实现A/D转换，通过数码管显示其数字电压值。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。2.2 系统工作原理简易数字电压表测量电路由 A/D 转换、数据处理及显示控制等组成，A/D 转换由 集成电路 ADC0809 完成。ADC0809 具有 8 路模拟输入端口，地址线(第 23-25 脚) 可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换。第 22 脚位地址锁存控制，当输入为高电 平时，对地址信号进行锁存。第 6 脚位测试控制，当输入一个 2宽高电平脉 冲时，就开始 A/D 转换。第 7 脚为 A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时，第 7 脚输出高电平。第 9 脚为 A/D 转换数据输出允许控制，当 OE 脚为高电平时，A/D 转换数据从端口输出。第 10 脚为 ADC0809 的时钟输入端，利用单片机第 30 脚嘚 分频晶振频率，再通过 14024 二分频得到 1MHz 时钟，单片机的 P1、P3.0-P3.3 端口作为 4 位 LED 数码管显示控制， P3.5 端口用作单路显示/循环显示转换按钮。 P3.6 端口用作单路显示时选择显示的通道。P0 端口用作 A/D 转换数据读入，P2 端口用作 ADC0809 的 A/D 转换控制。这里主要是利用 ADC0809 模数串口芯片， ADC0809芯片的基准电压脚外接电压为5V， 则最大可以测得的电压为 5V， ADC0809 芯片的模拟输入脚通过电位器接 5V 电压，进行模拟采样，通过调整电位器的值 改变模拟量。输入的模拟量经过 ADC0809 芯片的内部 8 位开关电容逐次逼近 A/D 转换器，转换成 8 为二进制数，其最小的分辨率为 0.0196（VREF=0.0196V)，D 为转化的数字量，再通过 可以求得模拟电压，最后通过 LED 就可将所测得电压 显示出来。三、系统硬件设计3.1电源部分电路主要是要求能提供稳定可靠的电压，使整个系统能正常的工作。采用4220V 的工频交流电压，而单片机的工作电压是直流+5V，为此，先通过一个普通的变压器降低电压，再通过桥式整流，然后再通过 7805 芯片的进一步稳压，确保+5V 电源的稳定、可靠。而且 7805 集成稳压器是常用的固定输出+5V 电压的集成稳压器。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。1 脚为输入端，2 脚为接地端，3 脚为输出端，使用十分方便，可以在任何有交流电压的地方使用，不需另带电池。通过整流滤波以后输出直流电压，为了确保整个电路能正常工作，考虑到不接负载或电源电压有波动时电容能承受的耐压，必须加电容。发光二极管 D2 点亮表示电源电路正常工作，其电源电路如图所示：VIN1GND2VOUT3U57805123J1POWER1234D1BRIDGE1C4 104C5 104C6 470UF/25VC7 470UF/16VC81O4 R14 2KD2 LEDVCC3.2 A/D 转换电路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。随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的 A/D 转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照工作原理划分，ADC 主要有 4 种类型，即双积分式 A/D 转换器、逐次逼近式 A/D 转换器和并行式A/D 转换器和计数比较式 A/D 转换器。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。双积分式 A/D 转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点，比如 ICL71XX 系列等，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。与双积分相比， 逐次逼近式 A/D 转换的转换速度更快， 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。本设计中采用具有逐次逼近式A/D 转换器的 ADC0809 芯片。ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 转换器。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5以相互替换。ADC0809 的内部结构包括 8 路模拟选通开关、通道地址锁存器与译码器、8位 A/D 转换器和三态输出锁存器。多路开关接 8 路模拟量输入，可对 8 路 05V的输入模拟电压信号分时进行转换,输出具有 TTL 三态锁存器,可直接连到单片机数据总线上。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 3.2 所示。表 3.2 ADC0809 通道选择表各引脚功能如下：1)IN7IN0模拟量输入通道。ADC0809 对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围 05V，若信号过小，还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D 转换的过程中，其值应保持不变，因此，对变化速度快的模拟输入量，在输入前应增加采样保持电路。2)A、B、C地址线。A 为低位地址，C 为高位地址，用于对 8 路模拟通道进行选择。C(ADDC)B(ADDB)A(ADDA)选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN763)ALE地址锁存允许信号。由低至高电平正跳变将通道地址锁存至地址锁存器中。4)START启动转换信号。START 上跳沿时所有内部寄存器清 0；START下跳沿时，开始进行 A/D 转换。在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。5)D7D0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。6)OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机上输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻态；OE=1，输出转换得到的数据。7)CLOCK时钟信号。ADC0809 内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，要求频率范围 10kHz1.2MHz。通常使用频率为 500 kHz 的时钟信号。8)EOC转换结束状态信号。EOC0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。9)VCC+5V 电源。10)REF(+)、REF(-)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 REF(+)=+5V，REF(-)=0V。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。73.3 接口电路的设计接口电路是 ADC0809 输出的 BCD 码转换为七段译码输出，主要有时钟电路、复位电路和单片机芯片组成。P1.0/T01P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/IT014P3.5/IT115P3.6/WR16P3.7/RD17P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528XTLA119XTLA218RST9PSEN29ALE30EA31U1Y1 XTALC120PFC320PF+C2 22UFR1 1KR6510R7510 R8510 R9510 R10510 R11510 R12510 R13510D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7VCCA1接R2 接R3 接U4A 接R4 接R5接U4B接CLK接U4C图 3.3 单片机控制部分原理图3.3.1 时钟电路单片机内部每个部件要想协调一致地工作， 必须在统一口令时钟信号的控制下工作。单片机工作所需要的时钟信号有两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。图 3.5 是内部时钟方式：单片机内部有一个构成振荡器的增益反相放大器， 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输入端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成自激振荡器。在该图中，电容 C1 和 C2 取 20PF，晶体的振荡频率取 12MHz,晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。实际连接如图所示：83.3.2 复位电路部分AT89S51 的复位电路如图所示。当单片机一上电，立即复位。电容 C 和电阻 R1实现上电自动复位。 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。3.4 显示电路的设计本次设计中有显示模块，而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 09 的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。LED 点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具9有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED 点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。 16