数字电压表设计

编程电源（Vpp）。 8031引脚功能： Vcc:+5V电源电压。 Vss:电路接地端。 P0.0～P0.7:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮 器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出 字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。 P1.0～P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8 位地址。 通道1吸收/发出一个TTL负载。 P2.0～P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作 高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。 P3.0～P3.7:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载， P3通道的每一根线还有 ☆另一种功能： P3.0:RXD，串行输入口。 P3.1:TXD，串行输出口。 P3.2:INT0，外部中断0输入口。 P3.3:INT1，外部中断1输入口。 P3.4:T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。 P3.5:T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端 P3.6:WR，外部数据存贮器写脉冲。 P3.7:RD，外部数据存贮器读脉冲。 RST/VpD:引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器 周期的高电平可以实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限 度以下）， 后备电源加到此引脚，将只给片内 RAM供电。 ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当 的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低 8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数 据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输 出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡 频率的固定速率 输出，因而它能用作外部时钟或定时，8751内的 EPROM编程时，此端输编程脉冲信号。 PSEN:引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产 生，低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。
输入电路 A/D转换器 单片机 显示器
逻辑控制器 时钟脉冲
图6.1 数字电压表基本组成框图
3.4软硬件调试
软件调试的任务是利用开发工具进行调试，发现和纠正程序的错 误，同时也能发现硬件的故障。软件调试是一个模块接一个模块进行 的。首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功能，接口电路的控制 是否正常。最后调试整个程序。尤其注意的是各模块间能否正确的传递 参数。 1. 检查数码管显示模块程序。观察数码管上是否能够显示相应的 字符。 2. 检查A/D转换模块程序。可以在硬件电路的输入端输入已知的几 个电压，分别观察数码管上是否显示相应的电压值。 3. 检查数据的转换模块程序。 程序可分为数据采集系统、数据转换系统、显示系统，这三部分 先独立测试，然后整体调试。 ①数据采集系统：因为ADC0809本身并没有内部时钟，需要外部时钟 来提供工作的时钟频率。如果利用单片机ALE端脚提供的频率为6MHZ， 而ADC0809工作的频率在10KHZ-1MHZ。因此，需要增加含触发器功能的 器件，从面增加了系统的复杂程度。后来，经过小组不断的讨论与思 考，最终用软件编程来提供ADC0809工作的时钟频率，从而解决了这个 问题。 ②显示系统的调试：要显示的数据存放在71H、72H单元中，先在 30H~39H分单元中存放0~9的数，运行显示程序，进行查表指令，察看显 示的结果是否与存放值一样。在测试的过程中发现小数点没有显示，通 过下面几条指令，把小数点显示出来。 MOVC A,@A+DPTR CJNE R2,#0FEH,NOT_ONE ;不是左边第一个数码管， 则转移 ORL A,#80H ;左边第一个数码管显示小 数点 NOT_ONE: MOV P0,A ;数码管段选 另外，发现四位数码管显示的亮度不一样，有时还存在闪烁的情 况，后来经过调整各位数码管显示的间隔，调用延时函数解决了亮度不
P1 P0
P3
P2
AD0809
D0~D7 IN0~IN7
VREF+ VREFCLK OE ST、ALE
两位数码管
位选 段选 控制线 数据 待测电压
图4.1 系统原理框图
4.2 8031的结构及其功能
在本次课题设计中我们选择了8031芯片。8031和8051是最常见的
mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉 及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。
<8031管脚图>
4.2.1 8031内部结构及其功能概述
8031引脚功能 （1）主电源引脚Vss和Vcc ① Vss接地 ② Vcc正常操作时为+5伏电源 （2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 ① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引 脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 ② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。 当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。 （3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp ① RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平 （由低到高跳变），将使单片机复位 在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电 源，以保持内部RAM中的数据。 ② ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节 锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性 地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目 的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲， ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型 单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能） ③ 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或 数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八LSTTL输 入。 ④ /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为 高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程 序存储器。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM
3.3 数字电压表工作原理
数字电压表的系统工作原理：首先，被测电压信号进入A／D转换 器，单片机中控制信号线发出控制信号，启动A／D转换器进行转换，其 采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最 后发出显示控制与驱动信号，驱动外部的数码管显示相应的数据。图 6.1所示为DVM的基本组成框图，需指出的是，图中将DVM分成模拟和数 字两大部分，从框图上看，A／D转换器包含在模拟部分，这样划分并不 严格，因为A／D转换器本身具有数字电路的性质，特别是大规模集成化 A／D转换器是模拟与数字两系统相互结合的，就连逻辑控制也集成在其 中。
4.2.2 CPU结构
CPU 是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 1. 运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。它可以对半 字节（4）、单字节等数据进行操作。 2.程序计数器PC PC是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范 围为64kB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自 动加1。 3.指令寄存器 指令寄存器用于存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中 读取的指令代码送如指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电 路发出相应的控制信号，完成指令功能。
课程设计报告
题 目 数字电压表设计 学 院 名 称 潇湘学院 专 业 通信工程 班 姓 学 指 导 教 级 名 号 师 002班 谭芳芳 0954040220 宋芳
一、设计目的
用8031单片机和ADC0809构成数字电压表，测量0-5v的电压，将所 测电压用数码管动态显示出来。 通过数字电压表的设计系统掌握51单片机的应用。掌握A/D转换的 原理及软件编程及硬件设计的方法，掌握根据课题的要求，提出选择设 计方案，查找所需元器，设计并搭建硬件电路，编程进行调试等。
一的问题。 ③整体测试:把三部分进行程序联调，编译程序，看是否存在错误。 经过多次的尝试与查找相资料，最后做出并完善了整体的方案。 4.系统进一步改进方案 为进一步提高测量精度，建议把精确到小数点后一位改为精确到小 数点后三位。
3.5系统功能分析
本课程设计是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量0－5V之间 的直流电压值，两位数码显示，使用的元器件数目较少。外界电压模拟 量输入到A/D转换部分的输入端，通过A/D转换变为数字信号，输送给单 片机。然后由单片机给数码管数字信号，控制其发光，从而显示数字电 压值。
四、硬件资源及其分配
4.1 系统原理框图
选择8031作为单片机芯片，选用两位8段共阴极LED数码管实现电压 显示，利用ADC0809作为数模转换芯片。将数据采集接口电路输入电压 传入ADC0809数模转换元件，经转换后通过D0至D7与单片机P1口连接， 把转换完的模拟信号以数字信号的信号的形式传给单片机，信号经过单 片机处理从LED数码显示管显示。P2口接数码管位选，P0接数码管段 选，实现数据的动态显示，如图4.1所示。 8031
3.2 数字电压表的介绍
模拟电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精
度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头， 读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不 高，测高内阻源时精度明显下降。数字电压表作为数字技术的成功应 用，发展相当快。数字电压表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功 能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别 是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型 化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机 接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数 字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。 DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变 成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限 个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A／D转换器，最后用电 子计数器计数显示，困此，DVM的基本组成是A／D转换器和电子计数 器。 DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物 理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还 应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。DVM对直流电压 直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能 选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。
EA/VPP:引脚31，当保持TTL高电平时，如果指令计数器小于4096， 8051执行内部ROM的指令，8751执行内部EPROM的指令，当使TTL为 低电平时， 从外部程序存贮器取出所有指令，在8751内的EPROM编程 时，此端为21V编程电源输入端。 XTAL1:引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，HMOS芯片使 用外部振荡源时，此端必须 接地。 XTAL2:引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端，HMOS芯片 使用外部振荡器时，此端用于输入外部计一个数字电压表，能测量0－5V间的直流电 压。 2、在2位数码管上显示0.0 — 5.0 V。
三、设计原理分析
3.1 数字电压表的概述
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（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字 形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、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表，由精度高、抗干扰 能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各 种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、 工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命 力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把 电量及非电量测量技术提高到崭新水平。重点介绍单片A/D 转换器以及 由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。