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1、单片机原理及应用 课程设计报告书题 目：数字电压表的设计 姓 名：杜典武学 号：103521034专 业：电气工程及其自动化 指导老师：万青老师设计时间：2012 年 11 月1目 录1. 引 言 . 11.1. 设计意义 . 11.2. 系统功能要求 . 12. 方案论证及方框图 . 13. 单元电路设计细则 . 44. 调试及性能分析 . 95. 系统的电路原理图 . 116. 电子元器件清单 . 127. 源程序清单 . 38.参考资料 . 29. 收获 . 错误！未定义书签。1数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计数字电压表的设计1. 引 言（1）设计意义：我们学习的是单片机这门课
2、程，这门课程最显著的特点就是它是一门实用技术课程，它要求我们不仅仅要掌握扎实的理论基础，更重要的是要学会如何去真真利用它为我们的电路设计服务，也只有通过课程设计这样的动手实践才是我们掌握这门技术的最佳途径，因此，我们开设这样的实践是很重要的，也是我们努力去学习钻研的动力。数字电压表设计意义：数字电压表是采用数字化检测技术，把连续的模拟量（直流输入电压）换成不连续的、离散的数字形式并加以现实的仪表，克服了传统模拟电压表的读书不方便和不精确等问题。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，还可以与 PC 进行实时通信。目前，由各种单片 A/D 转
3、换器构成的数字电压表，已广泛应用于电子电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，展现了强大的生命力。与此同时，由数字电压表扩展而成的各种通用及专用数字化仪器，也把电量及非电量测量技术提高到了崭新的水平，因此，通过这次课程设计能让我们了解这些知识，为以后研究相关技术打下坚实的基础。（2）系统功能要求：简易数字电压表可以测量 05V 范围内的 8 路输入电压值，并在 4 位 LED 数码管上轮流显示或单路选择显示。其测量最小分辨率位 0.02V.2. 方案论证及方框图（1）硬件设计方案及方框图：1数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计数字电压表系统设计方框图数字电压表测量电路是由
4、 A/D 转换、数字处理及显示控制等组成。A/D 转换由集成芯片 ADC0809 电路完成。ADC0809 具有 8 路模拟输入端口，地址线（第 2325 脚）可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换。第22 引脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。第 6 引脚为测试控制，当输入一个2us 宽电平脉冲时，就开始 A/D 转换。第 7 引脚为 A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时，第 7 引脚输出高电平。第 9 引脚为 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 引脚为 ADC0809 的时钟输入端，利用单片机第 30 引脚的
5、六分频晶振频率，再通过 14024 二分频的得到 1MHz 的时钟。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通道。P0 端口用作 A/D 转换数据输入，P2 端口用作 ADC0809 的A/D 转换控制。（2）软件设计方案及方框图：2数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计主程序流程图系统刚上电时，初始化程序主要执行 70H-77H 内存单元清 0 和 P2 口置 0 等准备工作 。在刚上电时，系统默认为循环显示 8 个通道的电压值状态。当进行一次测量后，将显示每一通道的
6、A/D 转换值，每个通道的数据显示时间在 1S 左右。主程序在调用显示子程序与测试子程序之间循环。3第 5/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计A/D 转换测试子程序流程图A/D 转换测量子程序用来控制对 ADC0809 的 8 路模拟输入电压的 A/D 转换，并将对应的数值移入70H77H 内存单元。3. 单元电路设计细则（1）数码管显示器：数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加
7、位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字4第 6/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且
8、功耗更低。（2）单片机的晶振电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联
9、电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般 IC 的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。本设计采用 12MHz 晶振，并联两个 30pF 电容构成晶振电路。5第 7/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计（3 该模块为数字电压表的显示模块，主要由 4 位 7 端共阳 LED 数码管和 PNP 三极管构成的选通电路构成。其中，我们需注意共阳数码管的数字 0-9 的编码，另外，每个位选管要与程序对应。位选
10、是通过单片机 P3.0-P3.3 口控制三极管的基极从而控制每位数码管的选通。显示模块电路6第 8/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计（4） ADC0809 模块： 结构和转换原理如图(3-15)所示为 ADC0809 的内部结构框图。ADC0809 由 3 部分组成： 8 路模拟量选通开关、8 位 A/D转换器和三态输出数据锁存器。 ADC0809 允许 8 路模拟信号输入，由 8 路模拟开关选通其中一路信号，模拟开关受通道地址锁存和译码电路的控制。当地址锁存信号 ALE 有效时，3 位地址 C、B 、A 进入地START6CLOCK7转换结束（中断）EOC模拟量输入IN7I
11、N6IN5IN4IN3IN2IN1IN0543218 通道多路模拟开关VxVcW1W2逐次逼近型寄存器SAR开关树组地址选择ABC 输出缓三冲态锁存器D7D6D5D4D3D2D1D0数字量输出地址锁存器和译码器ALE 地址锁存允许256R 电阻分压器9ENABLEVccGNDVREF(+)VREF(-)ADC0809 的内部结构ADC0809 的引脚地址锁存器，经译码后使 8 路模拟开关选通某一路信号。7第 9/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计8 位 A/D 转换器为逐次逼近式，由 256R 电阻分压器、树状模拟开关（这两部分组成一个 D/A 变换器）、电压比较器、逐次逼近寄
12、存器、逻辑控制和定时电路组成。三态门输出锁存器用来保存 A/D 转换结果，当输出允许信号 OE 有效时，打开三态门，输出 A/D 转换结果。因输出有三态门，便于与单片机总线连接。 引脚功能由引脚图(3-15) b 所示，ADC0809 共有 28 个引脚，采用双列直插式封装。ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址来实现。其主要引脚功能如下所示。IN0 IN7：8 路模拟量输入端。D7 D0：8 位数字量输出端。A、B、C：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电
13、平有效。START： A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一 个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一5V。GND：地。（5）通道选择及单路/循环模块：该模块两个按键开关分别是控制单路/循环和通道选择的，当单路/循环按键未按下时，数码管上的通道位是循环显示通道，当该键按下时，数码管通道位显示的是某一
14、路通道，看起来就像暂停一样，即单路测压。另外一个按键通道选择按键，当你选择单路时，按一下通道选择键，数码管上的通道位显示的数字会加1，即通道移向下一位测压。8第 10/18 页数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计通道选择及单路/循环按键电路4. 调试及性能分析（1）调试方法及步骤：a.软件仿真调试：首先将电路原理图用 Proteus7.0 仿真软件画出来，再用 Keil 单片机编程软件将数字电压表程序编写出来，通过 Proteus7.0 仿真软件中与 Keil 软件的联调功能，将编好的程序导入单片机中，在 Proteus7.0 中实现软件仿真。b.实物调试：将硬件电路都连接完好后，将单片
15、机编号的数字电压表程序通过 ISP 程序烧入软件烧入到单片机中，用直流可调电压源给 ADC0809 的模拟输入端口通以不同电压值的电压，将数字电压表装置上的数码管上读出的电压值记录下来，与可调电压源上显示的标准值进行比较并分析。实物调试数据：数据误差分析：a.绝对误差任取三组进行分析:9第 11/18 页.数字电压表的设计 单片机原理及应用课程设计 4.23-4.2=0.02V 3.68-3.6=0.08V 3.18-3.2=-0.02V由于我们用的可调直流电压源只能精确 0.1V，所以实际上，我们的误差可以说已经可以忽略了，相当的小。该数字电压表的设计的最高分辨率约为 0.02V。我们因为不知道标准电压值的小数点后第二位的数值，而无法估
