单片机原理及接口技术课程设计
1 绪论
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（直流输入电抓）转换成不连续、离散的数字形式并加以显小的仪表。传统的指针式电压表表功能单一、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，由精度高、抗十扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC 进行实时通信。本系统用单片机ATC51构成数字电压表控制系统，具有精度高、速度快、性能稳定和电路简且工作可靠等特点，具有很好的使用价值。
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为基础，可扩展成各种数字仪表及非．巨量的数字化仪表，其应用覆盖电子电工测量、工业测量、自动化仪表等领域。与指针式电坏表相比，数字电压表具有很多优点：读数直观、准确，以数字形式显示电压，避免读数视差和视觉疲劳；显示范围宽、分辨力高，指针电压表准确度由0.1～5.0 分为7 个等级，数字电压表由0.0005～ 1.0 分为11 个等级，数字电压表分辨力日前可做到从2 到10 ；转入阻抗（转入电阻）高（l～104Mft ) ，吸收被测信号电流极小，测量误差小，几可忽略；集成度高，功耗小；可扩展能力张。
如今，微型化是计算机发展的重要方向，把计算机的运算器、控制器、存贮器输入/输出接口四个组成 部分集成在一个硅片内，于是就出现了以一个大规模集成电路为主组成 的微型计算机——单片微型计算机，简称单片机，由于单片机的重要应用领域为智能化电子产品，一般需要嵌入仪器设备内，故又称为嵌入式微控制器。本课程设计要求采用单片机来设计一个数字电压表，输入为0～5V线性模拟信号，输出通过LED显示。这里就涉及到模数转换，LED显示器与单片机的连接，单片机时钟电路与复位电路和驱动的接法。需了解各设计要求，并清楚各芯片的引脚及其功能和各芯片之间的连接方法，重点为所选单片机C51各引脚的选取及其分配。对于此次课程设计要求，采用了51系列单片机、ADC0808、7段LED数码管、可变电阻等器件，从局部到整体的设计，成功实现其功能要求。
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2 整体系统框图
2.1 整体系统框图和系统原理 2.1.1 系统方案描述
通过电压输入，将其放大（或可省这一步），再将其进行A/D转换，得到数字信号，通过51单片机及其程序控制将其用LED显示出来，51系列单片机需连复位电路和晶振电路。
51系列 单片机 数据显示 电压输入
A/D 电压放大 复位电路 图1系统原理框图
2.1.2 A/D转换器接口
在单片机的实时控制和智能仪器仪表等应用系统中，被控制或被测量对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量，这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到计算机进行处理。计算机处理的结果，也常常需要转换为模拟信号，驱动相应有招待机构，实现对被控对象的控制。若输入是非电的模拟信号，还必须通过传感器转换成电信号并加以适当的放大。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器。实现数字量转换成模拟量的器件称为D/A转换器。图2为具有模拟量输入和模拟量或数字量输出的MCS-51应用系统结构框图。
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模拟信号（非电量） A/D 转 换 器 MCS-51 数字量输出 模拟信号（电信号） D/A转换器 模拟量输出
图2、具有模拟量输入和模拟量或数字量输出的MCS-51应用系统框图
本设计中是具有模拟量输入和数字量输出的设计，其中模拟信号是电信号，所以如框图中采用相应的结构图。 2.1.3 LED显示器及接口
在单片机应用系统中，使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器成本低廉、配置灵活，与单片机接口方便。这里主要讲LED显示器的结构。LED显示器是由发光二极管来显示字段的器件。在单片机应用系统中常用七段显示器。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。图三为七段发光显示器的结构图。一个显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管控制a～g七个段的亮或暗，另一个发光二极管控制一个小数点的亮或暗。这种七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但与单片机的控制接口非常简单，使用方便。
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表一、七段LED显示器的段选取码
显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B 共阴极段选码 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 77H 7CH 共阳极段选码 C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 88H 83H 显示字符 共阴极段选码 C D E F P U 39H 5EH 79H 71H 73H 3EH 31H 6EH FFH 00H 共阳极段选码 C6H A1H 86H 8EH 8CH C1H CEH 91H 00H FFH Y 8． “灭”
2.2 系统原理
如图3所示，A/D转换由集成电路0808完成，0808具有8路模拟输入端口，地址线（23～25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2μS宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出10脚为0808的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、P3.0～P3.3端口作为四位LED数码管显示控制控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0808的A/D转换控制。
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图3系统原理图
3 系统硬件设计
3.1 内部时钟电路
单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器 和 对振荡频率有微调作用，通常取(30±10)pF石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。时钟电路如图4所示。
图4内部时钟电路
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最常用的内部时钟方式是采用外接晶体（陶瓷谐振器的频率稳定性不高）和电容组成的并联谐振回路，否认是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐和振回路及参数相同， MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz~24MHz之间选择，一般取11.0592MHz。我们取12MHz。电容的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20pF~100pF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐和振器时典型取值为47pF, 取60pF~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
3.2 上电复位电路
图5上电复位电路图
单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。单片机的复位方式可由手动复位方式完成。
3.3 A/D转换模块设计 3.3.1 ADC0808简介
A/D转换器ADC0808由八路模拟 开关、地址锁存与译码器、比较器、 D/A转换器、寄存器、控制电路和三 态输出锁存器等组成。
图6 ADC0808引脚图
N0～IN7：8路模拟量输入。A、B、C：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择
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八路模拟量输入。
ALE：地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。
D0～D7：八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。 OE：允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。
START：启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。
EOC：转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 3.3.2 ADC0808内部结构图
图7 ADC0808内部结构图
3.3.3 A/D转换电路设计
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图8 ADC0808与单片机的连接
4 系统软件设计
4.1 主程序设计 1. 初始化程序
系统上电时，初始化程序将70H～77H内存单元清0，P2口置0。 2. 显示子程序
显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H～77H内存单元中，测量数据在显示时需转换成为十进制BCD码放在78H～7BH内存单元中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。 3. 主程序
在刚上电时，系统默认为循环显示8个通道的电压值状态。当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间为1s左右。主程序在调用显示子程序和测试子程序之间循环，主程序流程图见图9.
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图9主程序流程图
4. 模/数转换测量子程序
模/数转换测量子程序用来控制对0808八路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H～77H内存单元。 4.2 系统源程序编写清单
LED_0 EQU 30H LED_1 EQU 31H LED_2 EQU 32H ;存放段码 ADC EQU 35H CLOCK BIT P2.4 ;定义ADC0808时钟位 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0
START: MOV LED_0,#00H MOV LED_1,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE ;段码表首地址 MOV TMOD,#02H
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MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0
WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST ;启动AD转换 JNB EOC,$ ;等待转换结束 SETB OE MOV ADC,P1 ;读取AD转换结果 CLR OE MOV A,ADC MOV B,#100 ;AD转换结果转换成BCD码 DIV AB MOV LED_2,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B LCALL DISP SJMP WAIT INT_T0: CPL CLOCK ;提供ADC0808时钟信号 RETI
DISP: mov dptr,#table MOV A,LED_0 ;数码显示子程序 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.3
mov dptr,#table MOV A,LED_1 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.2
mov dptr,#table MOV A,LED_2 MOVC A,@A+DPTR setb acc.7 CLR P2.1
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MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1 RET DELAY: MOV R6,#10 ;延时5毫秒 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 ntov:
mov dptr,#tab mov a,adc
movc a,@a+dptr mov b,#2 div ab mov r1,b mov r1,b mov b,#10 div ab
mov led_2,a mov led_1,b cjne r1,#01,kk1 mov led_0,#05 back: ret
kk1: mov led_0,#00 ajmp back RET
TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH tab:
db 0, 0 , 0 , 1, 0, 2, 0, db 4, 0, 0, 5, 0, 6, 0, 0, 7, 0 db 8, 0, 0, 9, 0, 0, 10, 0, 11, 0 db 0, 12, 0, 13, 0, 0, 14, 0, 15, 0 db 0, 16, 0, 17, 0, 0, 18, 0, 19, 0 db 0, 20, 0, 0, 21, 0, 22, 0, 0, 23 db 0, 24, 0, 0, 25, 0, 26, 0, 0, 27 db 0, 28, 0, 0, 29, 0, 0, 30, 0, 31 db 0, 0, 32, 0, 33, 0, 0, 34, 0, 35 db 0, 0, 36, 0, 37, 0, 0, 38, 0, 39 db 0, 0, 40, 0, 0, 41, 0, 42, 0, 0 db 43, 0, 44, 0, 0, 45, 0, 46, 0, 0 db 47, 0, 48, 0, 0, 49, 0, 50, 0, 0 db 51, 0, 0, 52, 0, 53, 0, 0, 54, 0 db 55, 0, 0, 56, 0, 57, 0, 0, 58, 0
0, 3, 0 第 - 11 - 页 共 15 页
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db 59, 0, 0, 60, 0, 0, 61, 0, 62, 0 db 0, 63, 0, , 0, 0, 65, 0, 66, 0 db 0, 67, 0, 68, 0, 0, 69, 0, 70, 0 db 0, 71, 0, 0, 72, 0, 73, 0, 0, 74 db 0, 75, 0, 0, 76, 0, 77, 0, 0, 78 db 0, 79, 0, 0, 80, 0, 0, 81, 0, 82 db 0, 0, 83, 0, 84, 0, 0, 85, 0, 86 db 0, 0, 87, 0, 88, 0, 0, , 0, 90 db 0, 0, 91, 0, 0, 92, 0, 93, 0, 0 db 94, 0, 95, 0, 0, 96, 0, 97, 0, 0 db 98, 0, 99, 0, 0, 100, 0, 0, 0 END
5 系统仿真与调试
简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在0.05V以内。 在进行电路的局部调试之后，我又进行了系统整机调试。首先为ADC0808接上+5V的电压，为其它芯片接上+5V的工作电压。另外还要输入待测的模拟电压，该电压从0V开始输起，依次增大，直到达到待测电压的上限5V为止，记录测量数据并分析系统性能。
图10 Protues电路仿真图
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图11输入电压 图12实际显示电压
调好程序后将目标程序导入Proteus进行软硬件调试，基于单片机实现的数字电压表如图11和图12所示，测试值与真实值分析见表2。
表2 测试值与真实值
电压表测试值/V 电压表真实值/V 绝对误差/V 0.00 0.00 +0.00 1.30 1.33 +0.03 2.10 2.15 +0.05 3.25 3.26 +0.01 5.00 5.05 +0.05 从表中可以看出，电压表测得值误差均在0.05V以内，这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相比较接近，因此在一般的应用场合都可以满足要求。
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课设总结及心得
仿真测试表明，系统性能良好，测量读数稳定易读、更新速度合理，直流电压测量范围为0～5V，最小分辨率为0.02V，满足任务书指标要求。但是，该系统也存在一定程度的不足，例如：
1、输入电压易发生干扰不稳定，且驱动能力可能存在不足，需在被测信号的输入端加上一部分驱动电路，比如将量程转换电路改成带放大能力的自动量程转换电路，将幅值较小的信号经适当放大后再测量，可显著提高精度；
2、输出量可用平均值算法来改善，使测量准确度更高。 3、若能将测量的电压值实时保存，使用时将更方便。
4、ADC0808可实现对8个通道的输入信号轮流转换，本设计仅仅使用了其中一个通道，造成了较大的资源浪费。若能对电路稍加改进，实现对多路信号的轮流测量并自动保存相应结果，其应用价值将会更大。
本次实验为制作一个数字电压表，用到51系列单片机和模数转换器，显示器等，并且需要编程，硬件制作和调试。设计过程中出现不少问题，也可以学到不少知识。要了解单片机系统结构、指令系统、C语言（汇编语言也可）及单片机应用系统的基本设计方法。利用Proteus和Keil软件进行设计，掌握其应用，在绘制电路图时，开始不是很熟悉，对一些基本操作都不是很熟练，在经过看一些操作介绍和对同学的请教后对其操作了解得很清楚了，再在已有的电路图制作安排上将其绘制出来就很简单了。在实验中，获得不少，首先是将一些单片机和C语言的知识复习了一遍，其次是学会了两个软件的用法，最后是增加了动手经验。也发现自己还有很多地方有待改进，需要去多努力。最后要感谢老师在百忙之中指点我，谢谢！
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参考文献
1、李朝青，单片机原理及接口技术，北京航空航天超大型出版社。 2、王贤勇，赵传申，单片机原理与接口技术应用教程，清华大学出版社 3、杨恢先 黄辉先等.单片机原理及应用.长沙：国防科技大学出版社，2003年 4、谭浩强. C程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，2005年
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