基于51单片机的数字电压表设计说明

1.1数字电压表介绍数字电压表简称DVM，数字电压表基本原理是将输入的模拟电压信号转化为数字信号，再进行输出显示。

而A/D转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，器基本结构是由采样保持，量化，编码等几部分组成。

因此AD转换是此次设计的核心元件。

输入的模拟量经过AD转换器转换，再由驱动器驱动显示器输出，便得到测量的数字电压。

本次自己的设计作品从各个角度分析了AD转换器组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。

通过自己的实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到液晶学过的知识。

其实也为建立节约成本的意识有些帮助。

本次设计同时也牵涉到了几个问题：精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都是要慎重考虑的，这些也是在本次设计中的收获。

1.3 本次设计要求本次设计的作品要求制作数字电压表的量程为0到10v，由于用到的模数转换芯片是ADC0809，设计系统给的供电电压为+5v，所以能够测量的电压围为-0.25v到5.25v之间，但是一般测量的直流电压围都在这之上，所以采用电阻分压网络，设计的电压测量围是0到25v之间，满足设计要求的最大量程5v的要求。

同时设计的精度为小数点后三位，满足要求的两位小数的精度，在不考虑AD芯片的量化误差的前提下，此次设计的精度能够满足一般测量的要求。

2单片机和AD相关知识2.1 51单片机相关知识51单片机是对目前所有兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的８为单片机之一。

单片机是在一块芯片集成了CPU、RAM、ROM、定时器／计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。

51系列单片机包含以下几个部件：一个８位CPU；一个片振荡器及时钟电路；4KB的ROM程序存储器；一个128B的RAM数据存储器；寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；32条可编程的I/O口线；两个16位定时／计数器；一个可编程全双工串行口；５个中断源、两个优先级嵌套中断结构。

51系列单片机如下图：图1 51单片机引脚图2.2 AD转换器相关知识ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式ＡＤ转换器。

其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

（1）主要特性：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度围为-40～+85摄氏度7）低功耗，约15mW。

（2）部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

图2 ADC0909引脚3 数字电压表系统设计3.1系统设计框图此次设计的是数字电压表，要求的电压围是0~5v，而设计扩展的量程为0~25v。

系统设计主要包括四个部分：分别是电源模块、AD模数转换部分、51单片机最小系统部分、1602液晶显示部分。

首先由单片机初始化ADC0809模数转换芯片和1602液晶显示，当外接被测电压后，ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号输入到单片机的I/O口，通过单片机处理后将电压的大小显示在1602液晶上面。

如下是本次设计作品的框图：图3 系统框图3.2 单片机电路单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出，而且四个I/O口都已经用排阵引出，方便外接I/O扩展用。

图4 单片机最小系统3.3 ADC采样电路由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000~111分别选中IN0~IN7。

ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。

CLK为输入时钟，为AD转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。

START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。

OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，是转换后的数字量从D0~D7输出。

EOC为转换结束信号，启动转换后EOC变为低电平，转换完成后EOC编程高电平。

图5 ADC模数转换3.4显示电路以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。

1602字符型通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样：图6 1602引脚图3.5供电电路和参考电压由于此次系统的芯片工作电压为+5v，所以用常用的三端稳压器LM317和LM337构成的电源系统供电，其中ADC0809要提供一个准确的参考电源才能正常的工作，而LM317正好能够达到要求。

图7 系统供电部分3.6 数字电压表系统电路原理图如下是此次数字电压表系统的总原理图，其中的连线用网络标号表示出来，省去了连线的麻烦，而且是总图的可读性增强。

图8 数字电压表总原理图4 软件设计4.1 系统总流程图此次设计的数字电压表系统比较简单，就设置了一个量程为0~25v，所以没有用到按键控制，也没有其他的功能，因此程序比较简单，在输入模拟信号时采用电阻分压，最终的采样输入电压只有实际输入电压的十分之一，所以在编写程序中要编写一段数据调整程序，如下为系统总流程图：图9 系统流程图4.2 程序代码/********电压表********/#include<reg52.h>#include<intrins.h>//库函数头文件，代码中引用了_nop_()函数/*ADC初始定义*/sbit start=P3^0; //转换开始控制sbit oe=P3^2; //输出允许控制sbit eoc=P3^1; //转换结束信号sbit clock=P3^3; //转换时钟sbit P0_2=P0^2; //蜂鸣器sbit P0_5=P0^5;sbit P0_6=P0^6;sbit P0_7=P0^7;/*1602液晶初始定义*/sbit RS=P0^0; //读控制sbit RW=P0^3; //写控制sbit E=P0^1; //使能端unsigned char da0,da1,da2,da3,da4;unsigned int temp;unsigned int d1,d2,d3;unsigned char dat; //数字电压量unsigned char lcdd[]="0123456789";void lcd_w_cmd(unsigned char ); //写命令函数void lcd_w_dat(unsigned char dat); //写数据函数void display(unsigned char dat); //显示函数unsigned char lcd_r_start(); //读状态函数void int1(); //LCD初始化函数void delay(unsigned char t); //可控延时函数void delay1(); //软件实现延时函数，5个机器周期/*显示函数部分*/void display(unsigned char dat){temp=5*dat; //量程扩大五倍da0=temp/51/10; //十位da1=temp/51%10; //个位d1=temp%51;d1=d1*10;da2=d1/51; //十分位d2=d1%51;d2=d2*10;da3=d2/51; //百分位d3=d2%51;d3=d3*10;da4=d3/51; //千分位lcd_w_cmd(0x0c); //设置光标不显示、不闪烁delay(20);lcd_w_cmd(0xc0); //第二行起始显示地址0x80 delay(20);delay(2);lcd_w_dat('V'); //显示字符串‘volatage is’lcd_w_dat('o');lcd_w_dat('l');lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('t');lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('g');lcd_w_dat('e');lcd_w_dat(' ');//显示电压的大小lcd_w_dat(lcdd[da0]); //十位lcd_w_dat(lcdd[da1]); //个位lcd_w_dat('.'); //小数点lcd_w_dat(lcdd[da2]); //十分位lcd_w_dat(lcdd[da3]); //百分位lcd_w_dat(lcdd[da4]); //千分位lcd_w_dat('V'); //单位}/*主函数*/void main(){P0_2=1; //关蜂鸣器P0_5=P0_6=P0_7=0; //选择000第一通道int1(); //LCD初始化while(1){start=0;start=1; //获得上升沿复位start=0; //获得下降沿启动转换，同时ALE开锁存do{clock=~clock; //时钟信号}while(eoc==0); //等待转换结束，eoc=1结束oe=1; //三态锁存缓冲器打开dat=P1; //数字电压信号输出oe=0; //三态锁存缓冲器关闭display(dat);}}/*延时函数*/void delay(unsigned char t){unsigned char j,i;for(i=0;i<t;i++)for(j=0;j<20;j++);}/*延时函数1*/void delay1(){_nop_();_nop_();_nop_();}/*LCD初始化函数*/void int1(){lcd_w_cmd(0x3c); // 设置工作方式lcd_w_cmd(0x0c); // 设置光标lcd_w_cmd(0x01); // 清屏lcd_w_cmd(0x06); // 设置输入方式lcd_w_cmd(0x80); // 设置初始显示位置}/*LCD读状态函数*///返回值：返回状态字，最高位D7=0，LCD控制器空闲；D7=1,LCD控制器忙unsigned char lcd_r_start(){unsigned char s;RW=1; //RW=1，RS=0，读LCD状态delay1();RS=0;delay1();E=1; //E端时序delay1();s=P2; //从LCD的数据口读状态delay1();E=0;delay1();RW=0;delay1();return(s); //返回读取的LCD状态字}/*LCD写命令函数*/void lcd_w_cmd(unsigned char ){unsigned char i;do{ // 查LCD忙操作i=lcd_r_start(); // 调用读状态字函数i=i&0x80; // 与操作屏蔽掉低7位delay(2);}while(i!=0); // LCD忙，继续查询，否则退出循环RW=0;delay1();RS=0; // RW=0，RS=0，写LCD命令字delay1();E=1; //E端时序delay1();P2=; //将com中的命令字写入LCD数据口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);;}/*LCD写数据函数*/void lcd_w_dat(unsigned char dat){unsigned char i;do{ // 查忙操作i=lcd_r_start(); // 调用读状态字函数i=i&0x80; // 与操作屏蔽掉低7位delay(2);}while(i!=0); // LCD忙，继续查询，否则退出循环RW=0;delay1();RS=1; // RW=1，RS=0，写LCD数据delay1();E=1; // E端时序delay1();P2=dat; // 将dat中的显示数据写入LCD数据口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);}5 数字电压表电路仿真5.1 仿真总图为了验证此次设计原理图的正确性，在制作实物之前用专业软件做了仿真，在Proteus 软件中设置AT89C51单片机的晶振频率为12 MHz。