简易数字电压表

单片机课程设计报告

简易数字电压表

一、设计任务与要求

1.电压表的测量围为0-5V;

2.测量精度约为20mV。

二、方案设计与论证

方案一：

选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计电路：

方案二：

用单片机设计电路：

设计采用STC89C52单片机、A/D转换器ADC0809和共阴数码管为主要硬件，分析了数字电压表Proteus软件仿真电路设计及编程方法。将单片机应用于测量技术中，采用ADC0809将模拟信号转化为数字信号，用STC89C52实现数据的处理。通过数码管以扫描的方式完成显示。

方案比较：

方案1：3为半双积分式A/D转换器MC14433转换精度为读数的±0.05%±1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有输入阻抗高，功耗低，电源电压围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。缺点是工作速度低，且外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂。

方案2：设计电路简单。易于控制，且性能稳定；单调试过程需要一定的编程基础，可利用Proteus软件仿真电路设计和调试。Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，因此可用此软件方便调试电路。

经过以上两种方案的特点比较，方案二中的电路设计采用比较常见的元器

件，对这种方案有一定的专业基础，故采用第二种方案。

三、单元电路设计与参数计算

1 A/D转换模块

1.1 ADC0809主要特性

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域。

ADC0809主要特性:8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW。

1.2 ADC0809的外部引脚特征

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图1所示。

图1 ADC089引脚图

下面说明各个引脚功能:

IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。

地址输入控制（4条）：

ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：

表1 ADC0809通道选择表

START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。

EOC: EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。

D1-D8：数字量输出端，D1为高位。

OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。

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:时钟输入端。

1.3 ADC0809的部结构及工作流程

ADC0809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，其部结构如图2所示。

图2 ADC0809的部结构

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。

ADC0809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D0-D7读出数据。

2单片机系统

2.1 STC89C52性能

STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

STC89C52功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片震荡器和掉电模式。

2.2 STC89C52各引脚功能

STC89C52提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片震荡器及时钟电路，同时，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。STC89C52采用PDIP 封装形式，引脚配置如图3所示。

STC89C52芯片的各引脚功能为：

P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，