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1、单片机系统数字电压表设计方案1 概述什么是数字电压表?数字电压表就是采用数字化技术,把需要测量的直流电压转换成数字形式,并显示出来。通过单片机技术,设计出来的数字电压表具有精度高,抗干扰能力强的特点。通过网上资料显示,目前由各种A/D转换器构成的数字电压表已经广泛的应用于电工测量,工业自动化仪表等各个领域。在电量的测量中,电压、电流和频率是最基本的三个被测量,其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展,更是经常需要测量高精度的电压,所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM,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。由于数字
2、式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。 目前,数字电压表的内部核心部件是A/D转换器,转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容,本系统主要包括三大模块:转换模块、数据处理模块及显示模块。其中,A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换,控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理,最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。2 设计总体方案2.1设计要求 在MCS-51系列单片机的基础上,组成一个直流数字电压表。采用1路模拟量输入,能够测量0-5
3、V之间的直流电压值。电压显示用4位一体的LED数码管显示,至少能够显示两位小数。 2.2 设计思路 基于AT89C51单片机来设计。用ADC0808芯片做为A/D转换器,与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。电压的输出显示采用4位一体的LED数码管。LED数码的段码输入,由并行端口P0产生:位码输入,用并行端口P2低四位产生。2.3 设计方案电路由以下六个部分组成;1. A/D转换电路,2.AT89C51单片机系统,3.LED显示系统、4.时钟电路、5.复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。 3硬件电路设计3.1 A/D转换模块现实世界的物理量都是模拟量,能把模拟量转
4、化成数字量的器件称为模/数转换器(A/D转换器),A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路,按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型,双重积分型等等。逼近式A/D转换的转换速度更快,而且精度更高,比如ADC0809、ADC0808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,将数字量送到单片机进行分析和显示。逐次逼近型A/D转换器转换速度快,因而在实际中广泛使用1。3.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下:开始时,
5、寄存器各位清零,转换时,先将最高位置1,把数据送入A/D转换器转换,转换结果与输入的模拟量比较,如果转换的模拟量比输入的模拟量小,则1保留,如果转换的模拟量比输入的模拟量大,则1不保留,然后从第二位依次重复上述过程直至最低位,最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图2所示:3.1.2 ADC0808 主要特性ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,带有使能控制端,与微机直接接口,片内带有锁存功能的8路模拟多路开关,可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换. ADC0808主要特性:8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有锁存控制的8路模拟开关;易与
6、各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换时间:128s;转换精度:0.2%;单个+5V电源供电;模拟输入电压范围0- +5V。3.1.3ADC0808的外部引脚特征 ADC0808芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,其引脚图如图3所示。图3 ADC0808引脚图下面说明各个引脚功能:IN0-IN7(8条):8路模拟量输入线,用于输入和控制被转换的模拟电压。地址输入控制(4条):ALE:地址锁存允许输入线,高电平有效,当ALE为高电平时,为地址输入线,用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线,用于选择8路模拟输
7、入中的一路,其对应关系如表1所示: 表1 ADC0808通道选择表地址码 对应的输入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START:START为“启动脉冲”输入法,该线上正脉冲由CPU送来,宽度应大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC: EOC为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D转换已结束,数字量已锁入三态输出锁存器。D1-D8:数字量输出端,D1为高位。OE:OE为输出允许端,高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。R
8、EF+、REF-:参考电压输入量,给电阻阶梯网络供给标准电压。Vcc、GND: Vcc为主电源输入端,GND为接地端,一般REF+与Vcc连接在一起,REF-与GND连接在一起. CLK:时钟输入端。3.1.4 ADC0808的内部结构及工作流程ADC0808由8路模拟通道选择开关,地址锁存与译码器,比较器,8位开关树型A/D转换器,逐次逼近型寄存器,定时和控制电路和三态输出锁存器等组成,其内部结构如图4所示。图4 ADC0808的内部结构其中:(1)8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。(2)地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时,锁存从ADDA、ADD
9、B、ADDC 3根地址线上送来的3位地址,译码后产生通道选择信号,从8路模拟通道中选择当前模拟通道。(3)比较器,8位开关树型A/D转换器,逐次逼近型寄存器,定时和控制电路组成8位A/D转换器,当START信号有效时,就开始对当前通道的模拟信号进行转换,转换完成后,把转换得到的数字量送到8位三态锁存器,同时通过引脚送出转换结束信号。(4)三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量,当OE信号有效时,把转换的结果送出。ADC0808的工作流程为:(1)输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中,经地址译码器从8路模拟通道中选通1路模拟量送给比较器。(2)送START一高脉冲,STA
10、RT的上升沿使逐次寄存器复位,下降沿启动A/D转换,并使EOC信号为低电平。(3)当转换结束时,转换的结果送入到输出三态锁存器中,并使EOC信号回到高电平,通知CPU已转换结束。(4)当CPU执行一读数据指令时,使OE为高电平,则从输出端D0-D7读出数据。3.2 单片机系统3.2.1 AT89C51性能ADC0808主要特性:8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有锁存控制的8路模拟开关;易与各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换时间:128s;转换精度:0.2%;单个+5V电源供电;模拟输入电压范围0- +5V,无需外部零点和满度调整;低功耗,约15mW6。3.2.2 A
11、T89C51各引脚功能AT89C51提供以下标准功能:4KB的Flash闪速存储器,128B内部RAM,32个I/O口线,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,片内震荡器及时钟电路,同时,AT89C51可降至0Hz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,但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式,引脚配置如图5所示。图5 AT89C51的引脚图表2 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 R
12、XT(串行口输入)P3.1 TXD(串行口输出)P3.2/INT0(外部中断0输入)P3.3/INT1(外部中断1输入)P3.4T0(定时器/计数器0的外部输入)P3.5T1(定时器/计数器1的外部输入)P3.6/WR(片外数据存储器写允许) P3.7/RD(片外数据存储器读允许)3.3 复位电路和时钟电路3.3.1 复位电路设计单片机在启动运行时都需要复位,使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后,只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后,如果RST端继续
13、保持高电平,MCS-51就一直处于复位状态,只要RST恢复低电平后,单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种,图6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路,只要Vcc上升时间不超过1ms,它们都能很好的工作。 图6 复位电路3.3.2 时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令,都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行,而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器,用于构成震荡器,XTAL1为该放大器的输入端,XTAL2为该放大器输出端,但形成时钟电路还需附加其他电路。 本设计系统采用内部时钟方式,利用单片机内部的高