钱霞冬：基于单片机的简易数字电压表设计

钱霞冬：基于单片机的简易数字电压表设计内容摘要：

D8：数字量输出端， D1 为高位。 OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。 当 A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 REF+、 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：时钟输出端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 ADDA、 ADDB、 ADDC:3 位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。 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。 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 6 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、 ADDB、 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， START 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 D0D7 读出数据。 A／ D 转换电路的接口设计 A／ D 转换器采用集成电路 ADC0808。 ADC0808 具有 8 路模拟量输入信号 IN0～IN7(1～ 5 脚、 26～ 28 脚 )，地址线 C、 B、 A(23～ 25 脚 )决定哪一路模拟输入信号进行 A／D 转换，本电路将地址线 C、 B、 A 均接地，即选择 0 号通道输入模拟量电压信号。 22 脚ALE 为地址锁存允许控制信号，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。 6 脚 START为启动控制信号，当输入为高电平时， A／ D 转换开始。 本电路将 ALE 脚与 START 脚接钱霞冬：基 于单片机的简易数字电压表设计 7 到一起，共同由单片机的 P2． 0 脚和 WR 脚通过或非门控制。 7 脚 EOC 为 A／ D 转换结束信号，当 A／ D 转换结束时， 7 脚 输出一个正脉冲，此信号可作为 A／ D 转换是否结束的检测信号或向 CPU申请中断的信号，本电路通过一个非门连接到单片机的 P3． 2 脚。 9 脚OE 为 A／ D 转换数据输出允许控制信号，当 OE 脚为高电平时，允许读取 A／ D 转换的数字量。 该 OE 脚由单片机的 P2． 0 脚和 RD 脚通过或非门控制。 10 脚 CLOCK 为 ADC0808的实时时钟输入端，利用单片机 30 引脚 ALE 的六分频晶振频率得到时钟信号。 数字量输出端 8 个接到单片机的 P0 口。 图 5 如下 : 图 5 单片机与 ADC0808的接口 . 复位电路和时钟电路 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。 MCS51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 [1]。 复位完成后，如果 RST 端继续保持高电平， MCS51 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 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。 MCS51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 8 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，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图 7 所示。 图 7 时钟电路 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 30177。 10pF，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。 LED 显示电路设计 LED 基本结构 LED 是发光二极管显示器的缩写。 LED 由 于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。 LED 显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。 在单片机中使用最多的是七段数码显示器。 LED 七段数码显示器由 8 个发光二极管组成显示字段，其中 7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。 LED 引脚排列如下图 8 所示 : 图 8 LED引脚排列 LED 显示器的选择 在应用系统中，设计要求不同，使用的 LED 显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸 ，型号不同的 LED 显示器供选择，在本设计中，选择 4 位一体的数码型 LED 显示器，简称“ 4LED”。 本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。 4LED 显示器引脚如图 9所示，是一个共阴极接法的 4位 LED 数码显示管，其中 a， b，钱霞冬：基 于单片机的简易数字电压表设计 9 c， e， f， g 为 4 位 LED 各段的公共输出端， 4 分别是每一位的位数选端， dp 是小数点引出端， 4 位一体 LED 数码显示管的内部结构是由 4 个单独的 LED 组成，每个 LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。 图 9 4位 LED引脚 对于这种结构的 LED 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4位 LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个 I/O 接口控制）显示。 LED 译码方式 译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于 LED 数码管显示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。 硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换。 软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码，译码程序通常为查表程序。 本设计系统中为了简化硬件线路设计， LED 译码采用软件编程来实现。 由于本设计采用的是共阴极 LED，其对应的字符和字段码如下表 所示。 表 共阴极字段码表 显示字符 共阴极字段码 0 3FH 1 06H 2 5BH 3 4FH 4 66H 5 6DH 6 7DH 7 07H 8 7FH 9 6FH 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 10 LED 显示器与单片机接口设计 由于单片机的并行口不能直接驱动 LED 显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。 如果驱动电路能力差，即负载能力 不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED 显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。 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，即将 LED 的 AG 段显示引脚和 DP 小数点显示引脚并联到 P0 口与上拉电阻之间，这样，就可以加大 P0 口作为输出口的驱动能力，使得 LED能按照正常的亮度显示出数字，如图 10 所示。 图 10 LED与单片机接口间的设计 总体电路设计 经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流 电压表硬件电路原理图如图 10 所示。 钱霞冬：基 于单片机的简易数字电压表设计 11 图 10简易数字电压表电路图 此电路的工作原理是： +5V 模拟电压信号通过变阻器 VR1 分压后由 ADC0808 的 IN0 通道进入（由于使用的 IN0通道，所以 ADDA,ADDB,ADDC 均接低电平），经过模 /数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道 D0D7传送给 AT89C51 芯片的 P1 口， AT89C51 负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示段码传送给四位 LED，同时它还通过其四位 I/O 口 、 、 、 产生位选信号控制数码管的亮灭。 此外， AT89C51还控制 ADC0808 的工作。 其中，单片机 AT89C51 通过定时器中断从 输出方波，接到ADC0808 的 CLOCK, 发正脉冲启动 A/D转换， 检测 A/D 转换是否完成，转换完成后， 置高从 P1 口读取转换结果送给 LED 显示出来。 简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus 软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。 但要真正实现 电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。 4 系统软件设计 程序设计总方案 根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块， A/D 转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图 11所示。 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 12 图 11 数字式直流电压表主程序框图 系统子程序设计 初始化程序 所谓初始化，是对将要用到的 MCS_51 系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模 式，初值预置，开中断和打开定时器等。 程序如下 : Void(){ ST=0。 OE=0。 ET1=1。 //定时 /计数器 1开中断 EA=1。 开中断 TMOD=0x10； TH1=(655365000)/256。 //T1 初值： 5ms TL1=(655365000)%256。 TR1=1。 //定时 /计数器运行控制位 ST=1。 ST=0。 } 根据定时 /计数器的运算模式和工作方式获取 TMOD 的值，并对 TMOD 赋值。 设计初值，用赋值语句将计数初值赋予 TH1， TL1。 A/D 转换子程序 A/D 转换子程 序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图 12 所示。 开始 初始化 调用 A/D 转换子程序 调用显示子程序 结束 钱霞冬：基 于单片机的简易数字电压表设计 13 图 12 A/D转换流程图 系统上电状态，初始化 ADC0808 的启动地址，数码管显示关闭，开始启动 A／ D 转换。 等待启动结束后，将 ADC0808 的 0 号通道模拟量输入信号转换输出的数字量结果通过数码管动态显示的方式显示到三位数码管上。 程序如下 : Sbit ST=P3^0。 //启动。