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1、机械与电子工程学院课程设计报告课 程 名 称 单片机课程设计 设 计 题 目 基于单片机的数字电压表设计 所学专业名称 自动化 班 级 自动化114 学 号 2011210862 学 生 姓 名 孙 静 指 导 教 师 王 炳 庭 2014年 5 月 18 日机电学院单片机课程设计任 务 书设计名称： 基于单片机的数字电压表设计 学生姓名： 孙静 指导教师： 王炳庭 起止时间：自 2014 年 5 月 5 日起 至 2014 年 5 月 18 日止一、课程设计目的1) 进一步熟悉和掌握单片机的结构和工作原理;2) 掌握单片机的接口技术及ADC0809芯片的控制方法；3) 通过实际程序设计和调试
2、，逐步掌握模块化程序设计的方法和调试方法。二、课程设计任务和基本要求设计任务：（1）以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单直流数字电压表； （2）采用1路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值；（3）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； （4）尽量使用较少的元器件。基本要求：（1）根据设计任务，选择AT89C51单片机为核心控制器件。（2）A/D转换采用ADC0808实现，接口为P1口和P2口高四位引脚。（3）电压显示采用4位一体的LED数码管。（4）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。机电学院单片机课程设计指
3、导老师评价表院（部）机电学院年级专业11级自动化学生姓名 孙静 学生学号2011210862题 目 基于单片机的数字电压表设计一、指导老师评语该设计是基于单片机的数字电压表设计，能够测量电压值并进行数字显示,课程设计撰写思路清晰，语言流畅简练，层次清晰，逻辑性较强，用词准确，各种数据齐备、规范，文献引用正确，科学性较强。课程设计达到要求。指导老师签名： 年 月 日 二、成绩评定指导老师签名： 年 月 日 目录摘要与关键字11.绪论 .21.1设计背景.2 1.2设计要求及任务.2 2.1方案设计与选择.33 系统硬件设计 .53.1 A/D转换模块.5 3.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理5
4、 3.1.2 ADC0808 主要特性.5 3.1.3 ADC0808的外部引脚特征.6 3.1.4 ADC0808的内部结构及工作流程7 3.2 单片机系统8 3.2.1 AT89C51性能8 3.2.2 AT89C51各引脚功能8 3.3 复位电路和时钟电路10 3.3.1 复位电路设计10 3.3.2 时钟电路设计11 3.4 LED显示系统设计11 3.4.1 LED基本结构11 3.4.2 LED显示器的选择12 3.4.3 LED译码方式12 3.4.4 LED显示器与单片机接口设计134 系统程序设计 .144.1 程序设计总方案14 4.2 系统子程序设计14 4.2.1 初始
5、化程序14 4.2.2 A/D转换子程序.14 4.2.3 显示子程序165 仿真验证 .175.1 软件调试17 5.2显示结果及误差分析.17 5.2.1 显示结果17 5.2.2 误差分析.196结 论 .20参考文献 21附 录 一.22 整体仿真图22附录二 程序代码 .23摘要与关键字摘要与关键字摘要：摘要：数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，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
6、强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。 关键字关键字 ：数字电压表 ； A/D 转换器 ； PC； 电压测量1.绪论1.11.1设计背景设计背景传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电
7、压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。1.21.2设计要求设计要求及任务及任务 以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。 采用1路模拟量输入，能够测量0-5V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。 尽量使用较少的元器件。 2.2.系统整体方案设计系统整体方
8、案设计根据简易数字电压表设计的需要，为单片机和A/D转换器提供以下设计方案。 2.1方案设计与选择方案设计与选择2.1.12.1.1 单片机方案单片机方案方案一方案一：AT89S51AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S51具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的
9、随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。方案二：方案二：AT89C51AT89C51 AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k字节Flash可擦写存储器（PEROM）。AT89C51器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，AT89C51的片内Flash允许程序存储器通过传统编程器反复编程。由于芯片内集成了通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的微处理
10、器ATMEL AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、高性价比的解决方案。 AT89C51具有如下特点：4k Bytes Flash存储器、128 bytes的RAM以及32个I/O口、2个16位定时/计数器,5个中断优先级2层中断嵌套中断、1个全双工串行通信口、片内时钟振荡器。2.1.22.1.2 A/DA/D转换器方案转换器方案 方案一：方案一：ADC0808ADC0808 ADC0808是逐次逼近型A/D转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出地数字代码，而不需要经过中间变量。主要由比较器，环形分配器，控制门，寄存器等组成。 方案二：方案二：ADC0809ADC0809
11、ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路考官开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。2.22.2 方案确定方案确定 2.2.12.2.1 单片机的选择单片机的选择 AT89S51与T89C51相比,外型管脚完全相同，但AT89S51比AT89C51新增了一些功能，支持在线编程，烧写次数高，工作频率高，电源范围宽，抗干扰性强，加密功能强，性能有了较大提升，价格比89C51低！ 综上所述：方案一比方案二更佳，因此选择方案一即单片机用AT89S51。 2.2.22.2.2 A/DA/D转换器的选择转换器
12、的选择 与ADC0808相比ADC0809 具有转换起停控制端，转换时间为100s，模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准，工作温度范围为-4085摄氏度 ，低功耗，约15mW等特性。综上所述：由于两个方案都可以实现同样的功能，但方案二编程简单，价格便宜，更符合设计要求求，因此选择方案二。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计3.13.1 A/DA/D转换模块转换模块现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转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。双积分式A/D转换器具有抗干
13、扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。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。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，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。3.1.13.1.1 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理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
14、：开始时，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31所示：顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入电压 输入数字量图3-1 逐次逼近式A/D转换器原理图3.1.23.1.2 ADC0808ADC0808 主要特性主要特性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
15、关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域。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15mW。3.1.33.1.3 ADC0808ADC0808的外部引脚特征的外部引脚特征 ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图22所示。图3-2 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
