基于单片机的三位半数字电压表设计

基于单片机的三位半数字电压表设计内容摘要：

机的三位半数字电压表设计 11 6个中断源 可 编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2)管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。 当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P2口缓冲器可接收，输出4个 TTL 门电流，当 P2口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1” 时，它利用内 部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 管脚 备选功能 : RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0外部输入） T1（记时器 1外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位 信号的 输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 基于单片机的三位半数字电压表设计 13 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3)震荡特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱 动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4)芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 另 外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器， 串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 ADC0809 芯片介绍 ADC0809 是带有 8位 A/D转换器、 8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。 它是逐次逼近式 A/D 转换器 [3]，可以和单片机直接接口。 从 上图 23名称 可知， ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/D转换器进行转换。 三态输出锁 器用于锁存 A/D转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 1 )ADC0809 的内部逻辑结构 图 23 ADC0809 的内部逻辑结构 2 )引脚结构 引脚结果图见图 24所示 ： 图 24 ADC0809 引脚结构图 IN0－ IN7： 8条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0－ 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线： 4条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译基于单片机的三位半数字电压表设计 15 码器将 A， B， C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B和 C为地址输入线，用于选 通 IN0－ IN7上的一路模拟量输入。 通道选择表如下表所示。 表 21 地址输入线的通道选择。 表 21 地址输入线的通道选择 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 数字量输出及控制线： 11条 ST 为转换启动信号。 当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST应保持低电平。 EOC为转换结束信号。 当 EOC为高电平时 ，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。 OE 为输出允许信号，用于控制三 态 输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE＝ 1，输出转换得到的数据； OE＝ 0，输出数据线呈高阻状态。 D7－ D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。 因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ。 VREF（＋）， VREF（－）为参考电压输入。 3)ADC0809 应用说明 ： （ 1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51 单片机直接相连。 （ 2） 初始化时，使 ST 和 OE信号全为低电平。 （ 3） 送要转换的哪一通道的地址到 A， B， C端口上。 （ 4）在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 （ 5） 是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 （ 6） 当 EOC 变为高电平时，这时给 OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 74LS74芯片介绍 74LS74 内含两个独立的 D上升沿双 d触发器，每个触发器有数据输入（ D）、置位输入（ ）复位输入（ ）、时钟输入（ CP）和数据输出 (Qn＋ Q——n＋ 1)。 、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。 当 、 均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的 D数据在 CP 上升沿作用下传送到输出端。 表 2— 2列出了 74ls74 功能表。 表 2— 2 74ls74 功能表 输 入 输 出 SD RD CP D Qn＋ 1 Q—— n＋ 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 φ φ 1 1 ↑ 1 1 0 1 1 ↑ 0 0 1 1 1 ↓ Qn Qn 基于单片机的三位半数字电压表设计 17 图 24给 出了 74LS74的结构及 引脚图。 图 25 74LS74 的结构及 引脚图 第 3 章 基于单片机的数字电压表的电路设计 电源 设计 由于高压交流电会对弱电系统产生干扰，影响 系统的稳定性，而电池之类的电源又存在维护不方便和电压电流衰减等的缺点，所以本次设计采用外部稳压电源供电，这里选用普通输出的交流稳压电源输入，压衰减影响比较小，输出稳定，电路如图 35所示。 D6B R I D G ET F 1T R A N SV i n1GND2+ 5 V3U9L M 7 8 0 5 C TC60 . 1C70 . 1~~~220V8VV C C+ C8100u+ C52 2 0 0 u 图 31 电源电路 衰减电路 设计 由于本次设计采用 ADC0809 芯片作为 A/D 转换器件，而 ADC0809 的输入转换电压值范围为： 0~5V,所以对高于转换电压值的被测电压信号都应该衰减到 0~5V 这个电压值范围内。 图 32 衰减电路 基于单片机的三位半数字电压表设计 19 如上图 32 所示，使用有一定规律的 R1~R3 和 R12 电阻组合构成精密的电阻 分压器，能够实现分流大电压的目的，即 0~200V 的电压一律衰减到 200mV 以下，通过测量参考电压经过计算得到实际的电压值。 放大电路 设计 放大电路在电路中主要是对衰减电路输出的信号进行放大，让微弱的小信号变成理想的信号以送入 A/D 转换器，如此可以提高系统的精度。 图 33 放大电路 本次计主要采用的放大电路如上 33图所以，衰减后的电压经过 OPA336 放大器（放大器采用同相比例运算电路，放大倍数为： A=1+R5/R4=10.)放大倍数 10 倍放大后输入给 A/D 转换电路做模数转换 ,这样可以更加的精确 的转换 200mV 以下的电压信号。 单片机最小系统 设计 单片机最小系统由单片机、时钟电路和复位电路三部分组成。 单片机作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。 图 34 单片机最小系统 本设计单片机最小系统如图 34所示，由 AT89C51 单片机、配以 RC 上电复位电路和 振 荡电路，使系统稳定工作。 报警 电路 设计 为了使电压表在使用中能够准确的反应测量情况，给电压表配以报警电路 .当当前测量 电压 超量程测量时系统报警，电压表停止工作。 图 35 警电路 本次设计采用的的报警电路如图 35 所示，当检测到被测电压超出电压表的最基于单片机的三位半数字电压表设计 21 大量程值时蜂鸣器发出“嘀”声且 LED 发光。 具体的实现过程是单片机 电平，使得 Q1 导通，使得 LS1对地导通，蜂鸣器发出响声。 LED导通发光，当检测到使用的当前电压测量档位不适合当前档位时，电压表只发出“嘀”声，提示用户换档位测量。 A/D 转换电路 设计 A/D 转换电路就是 把输入的模拟信号转换成数字信号，然后把转换好的数字信号输出给单片机处理。 图 36 ADC0809 转换电路 本次设计采用的 A/D 转换电路如图 36 所示，将放大后的信号输入给 A/D 转换芯片的 26脚（ IN0)作为 A/D 输入转换信号，转换后的信号输出给单片机的 ~引脚最为单片机的数据信号处理输入。 由于 ADC0809 的参考电压 VREF＝ VCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。 实际显示的电压值 (D/255*VREF)。 开关电路 设计 基于单片机的电压表应该具有 不同的档位，不同的档位具有不同的测量精度。 图 37 开关 电路 如上图 37，类似于常用的万用表开关，可以根据需要手动转换测量量的量程，根据所需要测量的量选择合适的量程，开。