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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 单片机原理及应用 课题名称 数字电压表设计 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2012年 5 月 30 日 湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 单片机原理及应用 课 题 数字电压表设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2012 年 5 月 21 日任务完成日期 2012 年 5 月 30 日设计内容与设计要求设计内容：本课题要求以MCS-51系列单片机为核心，设计一个简易数字电压表对模拟信号进行检测，能将所测量的电压在LED显示器上显示，并具有方便的键盘操作功能。设计要求：1）确定系统设计方案； 2）进行系统
2、的硬件设计；3）完成必要的参数计算与元器件选择；4）完成应用程序设计；5）应用程序的调试。主 要 设 计 条 件要求简易数字电压表用串行A/D转换器对05v范围内的信号进行检测，并能将所测量的电压在LED显示器上显示（0.005.00），键盘操作有：复位、显示通道+、显示通道-、停止、功能。说 明 书 格 式1. 课程设计任务书2. 目录3. 总体方案确定4. 各单元硬件电路设计说明5. 软件设计与说明（包括流程图）6. 调试结果与必要的调试说明7. 使用说明8、总结9、参考文献附录附录A 系统原理图附录B 程序清单进 度 安 排设计时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍
3、下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、总体方案星期三、系统设计及调试星期四、系统设计及调试星期五、软件设计及调试第二周星期一、软件设计及调试星期二、软件设计及调试星期三、软件设计及调试星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参 考 文 献参考文献王迎旭.单片机原理与应用.2版.北京：机械工业出版社，2012赵晓安.MCS-51 单片机原理及应用.天津:天津大学出版社，2001胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社，2002张刚毅,彭喜元.单片机原理与应用设计.北京:电子工业出版社,2008周向红.51单片机课程设计.武汉：华中科技大学出版社，2011
4、郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2011吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用.北京:清华大学出版社,2002目录第1章 引言7第2章设计总体方案72.1设计要求72.2 设计思路72.3设计方案8第3章硬件电路设计83.1 单片机系统83.2 A/D转换模块83.3 复位电路93.4 时钟电路设计103.5 LED显示器与单片机接口设计103.6总体电路设计11第4章 程序设计114.1程序设计总方案124.2系统子程序设计124.2.1 初始化程序124.2.2 A/D转换子程序124.2.3 显示子程序13第5章 仿真135.1软件调试135.2 显示结果1
5、4第6章 使用说明14第7章 心得体会15参考文献16附录A 程序清单17附录B 原理图25第1章 引言在电量的测量中，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。 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
6、如直流电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。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PCF8591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。第2章 设计总体方案2.1设计要求以MCS-51系列单
7、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，能够显示两位小数。 用键盘实现复位、显示通道+、显示通道-、循环显示、单通道显示、停止等功能。2.2 设计思路据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。A/D转换采用PCF8591实现，与单片机的接口为P1口。电压显示采用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设计方案硬件电路设计由6个部分组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量
8、电压输入电路、按键控制电路。硬件电路设计框图如图2-1所示。测量电压输入 振荡电路 AT89C51 P1 P2 P2 P0 时钟电路 按键电路 复位电路A/D转换电路显示系统PCF8591图2-1 数字电压表系统硬件设计框图第3章硬件电路设计3.1 单片机系统 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器
9、，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2 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。 PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行IC总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个IC总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向IC总线以串行的方式进行传输。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数
10、模转换。PCF8591的最大转化速率由IC总线的最大速率决定。PCF8591引脚AIN0AIN3：模拟信号输入端。 A0A3：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。 （2.56V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线、 时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟 输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使 用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端。 3-1 A/D连接图 单片机与AD转换芯片PCF8591连接如图3-1所示。PCF8591遵循IC协议，SCL、SDA分别为PCF8591的时钟线和数据线，需接10K上拉电阻，以使
11、信号线保持高电平通过两者配合完成一次完整的IC总线时序。图中正是通过单片机的P1.1和P1.2控制SCL和SDA总线的电平变化来控制AD芯片PCF8591的启动的。而RV1RV4则是AD芯片的模拟输入端，用来产生模拟信号。3.3 复位电路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
12、。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图3-2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3-2 复位电路3.4 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。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增益反相放大器，外部电路只需要一个晶振和2个电容即可，如图3-3所示。图3-3 振荡电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。3.5 LED显示器与单片机接口设计为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，
