基于单片机数字电压表的设计和仿真

基于单片机数字电压表的设计和仿真内容摘要：

的设计 ”。 主要考核我们对单片机技术，编程能力等方面的情况。 观察独立分析、设计单片机的能力，以及实际编程技能。 由单片机系统及 A/D 转换芯片构建 许多的应用电路这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片 ， 显示模块等的结合构建数字电压表。 由于单片机的发展已经成熟 ， 利用单片机系统的软硬件结合 ， 可以组装出来。 此方案的原理是模数 (A/D)转换芯片的基准电压端 ， 被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。 模数 (A/D)转换芯片将被测量电压输 数字电压表的设计 11 入 端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号 ， 然后通过对单片机系统进行软件编程 ， 使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号 ， 通过一定的算法计算出被测量电压的值。 最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。 它主要利用 A/D 转换器，对多路电压值进行采样，得到相应的数字量，然后按照数字量与模拟量的比例关系得到对应的模拟电压值，通过显示设备显示出来。 系统过程就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。 由于采用高性能的单片机芯片为核心，同时利用 LED 数码管为显示设备，这样就使 显示清晰直观、读数准确，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件 ，大大的提高了测量的精确度。 此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点 ， 还能改进上一种设计方案设计不灵活 ， 难与在原基础上进行功能扩展等不足。 数字电压表的设计 12 第 3章 单片机简介及本设计单片机的选择 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择 综合上一章提到的两种设计方案的各方面优点及其在现在的所设计电压表的实用性 ， 我们选择第二种电压表设计方案 ， 即由单片机系统及数字芯片构建的方法来我们本次设计。 在 这一设计中 ， 我们涉及到了一个关键系统模块 —— 单片机系统模块 ， 而目前单片机的种类是很繁多的 ， 主要有主流的 8 位单片机和高性能的 32 位单片机 ，结合本设计各方面因素 ， 8 位单片机对于本设计已经是绰绰有余了 ， 但将用哪一种类 8的单片机呢。 在这里 ， 不得不先简单的介绍一下几种常用的 8单片机。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 ， 具有一个完整计算机5 系列单片机 ， AVR 单片机 ， PIC 单片机。 应用最广的 8 位单片机还是 intel 的 51 系列单片机。 51 系列单片机的特点是 ： 硬件结构合理 ， 指令系统规范 ， 加之生产历史悠久 ， 世 界有许多芯片公司都买了 51 的芯片核心专利技术 ， 并在其基础上扩充其性能 ， 使得芯片的运行速度变得更快 ， 性价比更高。 AVR 单片机是 atmel 公司推出较新的单片机 ， 它的显著特点是 ： 高性能 ， 低功能 ， 高速度 ， 指令单周期为主 ， 但性格方面比 51 单片机要高。 有专门的 I/O方向寄存器。 虽然有转强的驱动电压 ， 但 I/O 口使用不比 51 单片机方便。 PIC单片机系列是美国微芯公司的产品 ， 也是市面上增长最快的单片机之一 ， 属精简指令集单片机 ， 其特点是 ： 高速度 ， 高性能 ， 但在性格方面比 51 单片机要高 ，也有专门的 ,I/O 方向寄存器 ， I/O 口使用不比 51 单片机方便综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要 ,我们将选择 51 系列单片机 . 本设计中选用是 51 系列的 AT89C51， 它是低电压 ， 低功耗 ， 高性能的 CMOS8 位单片机 ， 片内含 8KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 256B 的随机存取数据存储器 ， 2 个 I/O 口线 , 3 个 16位定时 /计数器 ， 片内振荡器及时钟电路 ， 并与 MCS51 系列单片机兼容。 在设计中 ， 单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务 ， 一方面 ， 它将 A/D 转换器。 显示器和语音芯片等通过 I/O 口地址线和数据线连接起来 ； 另一 方面 ， 它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出 ， 从而实现册电压的功能。 AT89C51简介 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的一种高性能、低功耗、带 4KFlashMemory的 8 位 CMOS 单片微型计算机芯片。 FlashMemory 又称闪烁存贮器 ,它是 EPROM 数字电压表的设计 13 和 EEPROM 技术有机结合的产物。 其既具有 EPROM 一样的可编程能力 ,又带有象EEPROM 的电可擦除性能 ,而且还具有不挥发性、访问速度快 (约 60ns)和密度高等特点。 由于以上优点使 AT89C51 可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电 后重要数据和状态信息不会丢失 , 其性能价格比远高于同类芯片。 它与 MCS51 指令系统兼容 ,片内 FPEROM 允许对程序存储器在线重复编程 ,也可用常规的 EPROM 编程器编程 ,可循环写入 /擦除 1000 次。 一般的 EEPROM 的字节擦除时间和写入时间基本上均为 10ms,对于任一实时控制系统来说 ,这样长的时间是不可能在线修改程序的。 与 EEPROM 相比较 , FPEROM 大大缩短了存储内容擦除和写入的时间 ,为在线改写程序提供了极大的方便 ,而且价格也比带 EPROM87C 系列单片机便宜 ,这就更显示出了 89C 系列 的优越性。 另外，为处理频率降为零的操作，AT89C51 设置了静态逻辑，支持两种可由软件选择的省电模式：其中低功率停顿（ Idle）模式，结束 CPU 工作并允许 RAM、定时／计数器、串行端口和中断系统继续工作；而功率下降（ Down）模式，保存 RAM 内容，但停止内部振荡，从而关闭其他功能直到下一个外部的硬件复位，方可重新启动。 AT89C51 主要有以下几个特点： 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程 序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 1可编程串行通道 1低功耗的闲置和掉电模式 1片内振荡器和时钟电路 数字电压表的设计 14 AT89C51引脚功能 图 1 AT89C51 的引脚排列 1～ 8 ～ 脚：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。 9RST：复位输入。 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。 高电平有效，在次输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。 此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该引脚接 +5 伏 备用电源，一旦在使用中突然掉电则可以保护片内 RAM 中的信息不丢失。 其复位电路有如下 图 2接法 图 2 单片机复位电路 晶震电路 10～ 17 `～ 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 数字电压表的设计 15 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： P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 18 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 19 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 20 GND: 接地。 21～ 28 ～ : 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。 29：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 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现。 30：当访问外部存储器时，地址锁存允许 /编程线的输出电平用于锁存地址的低位字节。 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 31 /VPP：当 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， 将内部锁定为 RESET；当 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）。 32～ 39 ～ ：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。 40 VCC：供电电压。 AT89C51在连线时要注意的问题 单片机 AT89C51 在连线时，我认为最需要注意的地方应该是 AT89C51 的复 位 数字电压表的设计 16 电路。 因为我们在调试程序时发现复位电路的有无、电容电阻的大小都直接影响到结果是否能够正常的实现。 在本系统中采用自动上电复位，其电路图如图(a)，设电容和电阻值分别为 10uF 和 这样确保 RST 引脚至少保持 2 个机器周期的高电平而完成复位过程。 AT89C51 一般上电就复位，振荡器及时钟发生器同时开始工作， CPU 时序从此开始。 复位后各片内特殊功能寄存器状态如表 所示。 此外， 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。 数字电压表的设计 17 第 4章 显示器件的介绍和选择 显示器件简介 本次设计中有显示模块 ， 而常用的显示器件比较多 ， 有数码管 ， LED 点阵 ，1602 液晶 ， 12864 液晶等。 数码管是最常用的一种显示器件 ， 它是由几个发光二极管组成的 8字段显示器件 ， 其特点是价格非常的便宜 ， 用也非常的方便 ， 显示效果非常的清楚。 小电流下可以驱动 发 光 ， 发光响应时间极短 ， 体积小 ， 重量轻 ， 抗冲击性能好 ， 寿命长。 但数码管只能是显示 0— 9 的数据。 不能够显示字符 ， 这也是数码管的不足之处。 LED 阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。 具有高亮度 ， 功耗低 ， 视角大 ， 寿命长 ， 耐湿 ， 冷 ， 热等特点 ， LED 点阵显示器件可以显示数字 ， 英文字符 ，中文字符等。 但用 LED 点阵显示的软件程序设计比较麻烦 32 个字符。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵。