【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于電壓測(cè)量外，通過(guò)各種變換器還可以測(cè)量其它電量和非電量，用途非常廣泛。 DVM 的高速發(fā)展，使它已成為實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量?jī)x器發(fā) 展的主要方向之一，而高準(zhǔn)度的 DCDVC 的出現(xiàn)，又使 DVM 進(jìn)入了精密標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 這個(gè)課題的目的是： 用單片機(jī) AT89C52 與 ADC0808 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字直流電壓表，測(cè)量 0－ 5V 之間的直流電壓值，用八段數(shù)碼管顯示數(shù)值，要求使用的元器件數(shù)目最少，而且顯示電壓要穩(wěn)定。通過(guò)設(shè)計(jì)加深對(duì)數(shù)字電壓表的工作原理的理解以及對(duì)單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用的了解，并且鞏固所學(xué)的知識(shí)。 意義在于使自己加深對(duì)數(shù)字電壓表從理論到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應(yīng)用于電壓測(cè)量外，通過(guò)各種變換器還可以測(cè)量其他電量和非電量，測(cè)量 是一種認(rèn)識(shí)過(guò)程，就是用實(shí)驗(yàn)的方法將被測(cè)量和被選用的相同參量進(jìn)行比較，從而確定它的大小。 DVM 廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域每期測(cè)量的準(zhǔn)確度和可信度取決于它的主要性能和技術(shù)指標(biāo)。所以要學(xué)習(xí)和掌握如何設(shè)計(jì) DVM 就顯得十分重要。 論文主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)在當(dāng)前數(shù)字電壓表的研究背景以及發(fā)展趨勢(shì)的前提下，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，首先討論了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選取，并且重點(diǎn)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件程序設(shè)計(jì)。硬件電路主要是單片機(jī) AT89C52 的設(shè)計(jì)、 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0808 與單片機(jī)的接口電路、 LED 顯示電路的設(shè)計(jì)以及電源電路的設(shè)計(jì)。軟 件程序的設(shè)計(jì)使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并且用 KEIL 和 PROTEUS 軟件進(jìn)行編譯和仿真，各部分的設(shè)計(jì)原理以及軟件程序在后面的章節(jié)中有詳細(xì)的介紹。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的功能要求 本設(shè)計(jì)的主要過(guò)程是模擬量經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，然后單片機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)并把處理后的數(shù)據(jù)輸出到 LED 顯示器顯示。 要求： 1. 被測(cè)電壓范圍為 0~5V 2. 顯示器件用液晶板或七段數(shù)碼管 3. 顯示電壓要穩(wěn)定，測(cè)量最小的分辨率為 4. 單片機(jī)采用 89S52 或 89C52 方案 論證 單片機(jī)的選擇 單片機(jī) AT89S52 和 AT89C52 是 51 系列單片機(jī)的型號(hào)，他們均是由 ATMEL公司生產(chǎn)的。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可在許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。 AT89S52 是一種低 功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)二者的主要性能有一點(diǎn)區(qū)別 ,但不是很大 ： 1. 前者不支持在系統(tǒng)編程，后者支持 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 2. 89C52 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR，而 89S52 具有兩個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和DPTR1 3. 89S52 含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，具有斷電標(biāo)志 POF；而前者無(wú)。 另外考慮到現(xiàn)有的資源以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)自己對(duì)兩個(gè)型號(hào)單片機(jī)的熟悉程度，采用 89C52 即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，因此本設(shè)計(jì)決定采用 AT89C52 型號(hào)的單片機(jī)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為 N 位的數(shù)字量電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，按轉(zhuǎn)換的原理分類 ：積分型、逐次逼近型、并行比較型等。 一、 積分型（如 TLC7135） 積分型 AD 工作原理是將輸入電 壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間 (脈沖寬度信號(hào) )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率， 但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片 AD 轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。 二、 逐次比較型（如 ADC080 AD574） 逐次比較型 AD 由一個(gè)比較器和 DA 轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB開(kāi)始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng) n 次比較而輸出 數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（ 12位 ）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（ 12 位）時(shí)價(jià)格很高。 三、 并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 AD 采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱 FLash(快速 )型。由于轉(zhuǎn)換速率極高， n 位的轉(zhuǎn)換需要 2n1 個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻 AD 轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。 在本設(shè)計(jì)中，要求分辨率為 ，選擇分辨率為 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片即可滿足要求，考慮到 A/D 轉(zhuǎn)換器的分類及原理，決定采用 逐次比較型 。在 逐次比較型 分辨率為 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片中，有 ADC080 ADC083 ADC0808/0809 等，它們?cè)诠δ艿膶?shí)現(xiàn)上是相通的。三者的轉(zhuǎn)換時(shí)間差別不大，均為 100us 左右，它們的電源供電電壓均為 +5v，另外 ADC0832 的功耗為 15mw、 ADC0808/0809 的功耗為太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 10mw，在非線性誤差方面， ADC0804 為 1~+1LSB， ADC0808 為 +1/2LSB， ADC0809為 +1LSB。 綜合上述差別還有現(xiàn)有資源以及自己對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換的熟悉和認(rèn)識(shí)決定采用ADC0808 為模擬 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換的芯片，組成數(shù)字直流電壓表的電路。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，決定 控制系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機(jī)， A/D 轉(zhuǎn)換采用ADC0808。 單片機(jī)的 P P3 端口作為四位 LED 數(shù)碼管顯示控制。 P0 端口作 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用， P2 端口用作 ADC0808 的 A/D 轉(zhuǎn)換控制。模擬量經(jīng)過(guò) ADC0808轉(zhuǎn)換后變成單片機(jī)可以識(shí)別數(shù)字量，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后單片機(jī) AT89C52從 ADC0808得到數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理再輸出到 LED 顯示器顯示電壓值。具體的軟硬件設(shè)計(jì)在后面章節(jié)介紹。 系統(tǒng)除能確保實(shí)現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進(jìn)行 8 路其他 A/D 轉(zhuǎn)換量的測(cè)量、遠(yuǎn)程測(cè)量結(jié)果傳送等擴(kuò)展功能。數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如 圖 21 所示： 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 AT89C52 P0 P2 P1 P3 ADC0808 4 位 LED 顯示 電源電路 晶振電路 上電復(fù)位 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)介紹 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 雖然單片機(jī)具有通用計(jì)算機(jī)的基本部件，但又不同于通用計(jì)算機(jī)。單片機(jī)主要用于控制場(chǎng)合，所追求的目標(biāo)是：盡可能體積小，又能實(shí)時(shí)、快速地對(duì)外部事件做出響應(yīng)，迅速采集大量數(shù)據(jù)，做出邏輯判斷推理后實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)調(diào)整與控制。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 31 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 一、中央處理器（ CPU) CPU 是單片機(jī)的核心部件，它由運(yùn)算器 、控制器和中斷部件等組成，數(shù)據(jù) 處理和系統(tǒng)的操作控制都是由 CPU 完成的，單片機(jī)主要功能指標(biāo)也是由它決定的。根據(jù) CPU 的字長(zhǎng)，單片機(jī)可以分為四位機(jī)、八位機(jī)和十六位機(jī)等。此外不同的單片機(jī) CPU 的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力、中斷和實(shí)時(shí)控制功能等方面差別很大，這也是衡量 CPU 功能強(qiáng)弱的主要技術(shù)指標(biāo)。 二、存儲(chǔ)器 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器多數(shù)是分開(kāi)的，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)面向控 制應(yīng)用領(lǐng)域。通常情況下，需要較大容量的程序存儲(chǔ)器和較少的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電路類型也不一樣。 單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器一般為 IKB~32KB ，通常是只讀存儲(chǔ)器（ ROM ）。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)都是專用控制器，一旦研制成功，其監(jiān)控程序也就定型，因此可以用 ROM 作為程序存儲(chǔ)器。此外，只讀存儲(chǔ)器中的內(nèi)容不會(huì)丟失，從而提高了可靠性。根據(jù)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)不同，各種類型的單片機(jī)又有三種主要形式的產(chǎn)品： ROM 型單片機(jī)：內(nèi)部具有掩膜編程的只讀存儲(chǔ)器，這種 ROM 內(nèi)的程序是由用戶委托芯片制造廠在掩膜工藝時(shí)固化的，因此用戶不能修改 ROM 中的程序。 EPROM 型單片機(jī)：例如紫外光 EPROM ，用戶可以利用紫外光擦除 EPROM 中的原有程序，寫人新的程序，使用比較方便。 無(wú) ROM 型單片機(jī)：內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接程序存儲(chǔ)器（一般為 EPROM 電路）才能組成完整的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量一般為 64B~256B ，常由靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 構(gòu)成。單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以作為工作寄存器、堆棧、位標(biāo)志、數(shù)據(jù)緩沖器等使用。 三、 I/O 接口和特殊功能部件 單片機(jī)常有數(shù)量不等的并行接口，它們可以用于和外部輸人、輸出設(shè)備接口。有的單片機(jī)還具有一至二個(gè)串行接口，一 般都具有多種工作方式，可以實(shí)現(xiàn)異步串行通信或多機(jī)通信。特殊功能部件包括定時(shí)器、 A / D 和 D / A 轉(zhuǎn)換器、 DMA 通太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 道、高速輸人輸出部件等。定時(shí)器是各種單片機(jī)都具有的，定時(shí)器的長(zhǎng)度為 8 ~16 位，數(shù)量為 1~3 個(gè)。其他的功能部件的種類和數(shù)量，不同公司不同類型的單片機(jī)之間差別很大。 單片機(jī)發(fā)展概況 一、單片機(jī)發(fā)展歷史 單片機(jī)的發(fā)展歷史可分為以下 4 個(gè)階段： 單片機(jī)初級(jí)階段（ 1974~1976 年），因工藝限制，單片機(jī)采用雙芯片形式且功能比較簡(jiǎn)單。例如，美國(guó)仙童（ Fairchild ）公司生產(chǎn)的世界上第一臺(tái) F8 單片機(jī)，由于僅包括 8 位 CPU、 64B 的 RAM 和 2 個(gè)并行口，需另加一塊 3851（由 1KB ROM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和 2 個(gè)并行 I/O 口構(gòu)成）才能構(gòu)成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。 低性能單片機(jī)階段（ 1976~1978 年），以 Intel 公司制造的 MCS48 單片機(jī)為代表，這種單片機(jī)內(nèi)集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 RAM 和 ROM等。不足之處是沒(méi)有串行口，中斷處理比較簡(jiǎn)單，片內(nèi) RAM 和 ROM 容量較小且尋址范圍不大于 4KB。 高性能單片機(jī)階段（ 1978~1982 年），這個(gè)階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行口、多級(jí)中斷系統(tǒng)、 16 位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，片內(nèi) ROM 、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A / D 轉(zhuǎn)換器可編程邏輯器件 PLD 、 USB 接口、 PWM 通道等。這類單片機(jī)的典型代表是 Intel 公司的 MCS— 51 系列、 Freescale 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于這類單片機(jī)的性能價(jià)格比高，所以仍被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用數(shù)量較多的單片機(jī)。 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位、 32 位單片機(jī)推出階段（ 1982 年至今），此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)、 32 位單片機(jī)及專用型單片機(jī)；另一方面，不斷完善高檔 8 位計(jì)算機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要。 16 位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS— 96 系列單片機(jī)，其集成度已達(dá) 120210 管子／片，主振為 12MHZ，片內(nèi) RAM 為 232B,ROM 為 8KB ，中斷處理為 8 級(jí)，而且片內(nèi)帶有多通道 10 位 A / D 轉(zhuǎn)換器和高速輸入／輸出部件（ HSI / HSO ) ，實(shí)時(shí)處理的能力很強(qiáng)。而 32 位單片機(jī)除了具有更高的集成度外，其主振 已達(dá) 66MHZ，這使 32 位單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度比 16 位單片機(jī)增快許多，性能比 8 位、 16 位單片機(jī)更加優(yōu)越。 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 目前， 8 位單片機(jī)無(wú)論在內(nèi)部資源數(shù)量還是在性能上均達(dá)到相當(dāng)高的水平，如意法半導(dǎo)體公司推出的 PSD3200 系列單片機(jī)內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)的 8032 核，主振為 40MHZ，容量達(dá)