【文章內(nèi)容簡介】 于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其它電量和非電量，用途非常廣泛。 DVM 的高速發(fā)展，使它已成為實現(xiàn)測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當前計量儀器發(fā) 展的主要方向之一，而高準度的 DCDVC 的出現(xiàn)，又使 DVM 進入了精密標準測量領域。 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 5 這個課題的目的是： 用單片機 AT89C52 與 ADC0808 設計一個數(shù)字直流電壓表，測量 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。通過設計加深對數(shù)字電壓表的工作原理的理解以及對單片機的發(fā)展和應用的了解，并且鞏固所學的知識。 意義在于使自己加深對數(shù)字電壓表從理論到實踐的認識，自己動手設計數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應用于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其他電量和非電量，測量 是一種認識過程，就是用實驗的方法將被測量和被選用的相同參量進行比較，從而確定它的大小。 DVM 廣泛應用于測量領域每期測量的準確度和可信度取決于它的主要性能和技術指標。所以要學習和掌握如何設計 DVM 就顯得十分重要。 論文主要內(nèi)容 本設計在當前數(shù)字電壓表的研究背景以及發(fā)展趨勢的前提下，根據(jù)設計的要求，首先討論了系統(tǒng)設計方案的選取，并且重點介紹了硬件電路的設計以及軟件程序設計。硬件電路主要是單片機 AT89C52 的設計、 A/D 轉換器 ADC0808 與單片機的接口電路、 LED 顯示電路的設計以及電源電路的設計。軟 件程序的設計使用匯編語言實現(xiàn)，并且用 KEIL 和 PROTEUS 軟件進行編譯和仿真，各部分的設計原理以及軟件程序在后面的章節(jié)中有詳細的介紹。 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)的功能要求 本設計的主要過程是模擬量經(jīng)過 A/D 轉換器轉換后變成單片機可以識別的數(shù)字量，然后單片機處理得到的數(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，測量最小的分辨率為 4. 單片機采用 89S52 或 89C52 方案 論證 單片機的選擇 單片機 AT89S52 和 AT89C52 是 51 系列單片機的型號，他們均是由 ATMEL公司生產(chǎn)的。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機可在許多較復雜系統(tǒng)控制場合應用。 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 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 通過查閱相關資料發(fā)現(xiàn)二者的主要性能有一點區(qū)別 ,但不是很大 ： 1. 前者不支持在系統(tǒng)編程，后者支持 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 7 2. 89C52 具有一個數(shù)據(jù)指針 DPTR，而 89S52 具有兩個數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和DPTR1 3. 89S52 含有一個看門狗定時器，具有斷電標志 POF；而前者無。 另外考慮到現(xiàn)有的資源以及系統(tǒng)設計的要求，根據(jù)自己對兩個型號單片機的熟悉程度，采用 89C52 即可滿足系統(tǒng)設計的要求，因此本設計決定采用 AT89C52 型號的單片機。 A/D 轉換器的選擇 A/D 轉換的功能是把模擬量電壓轉換為 N 位的數(shù)字量電壓。 A/D 轉換器的種類很多，按轉換的原理分類 ：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 壓轉換成時間 (脈沖寬度信號 )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時器 /計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片 AD 轉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 由一個比較器和 DA 轉換器通過逐次比較邏輯構成，從 MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉換器輸出進行比較，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)點是速度較高、功耗低，在低分辯率（ 12位 ）時價格便宜，但高精度（ 12 位）時價格很高。 三、 并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 AD 采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱 FLash(快速 )型。由于轉換速率極高， n 位的轉換需要 2n1 個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻 AD 轉換器等速度特別高的領域。 在本設計中，要求分辨率為 ，選擇分辨率為 8 位的 A/D 轉換芯片即可滿足要求，考慮到 A/D 轉換器的分類及原理，決定采用 逐次比較型 。在 逐次比較型 分辨率為 8 位的 A/D 轉換芯片中，有 ADC080 ADC083 ADC0808/0809 等，它們在功能的實現(xiàn)上是相通的。三者的轉換時間差別不大，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陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 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 A/D 轉換的熟悉和認識決定采用ADC0808 為模擬 /數(shù)字量轉換的芯片，組成數(shù)字直流電壓表的電路。 系統(tǒng)設計框圖 按系統(tǒng)功能實現(xiàn)要求，決定 控制系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機， A/D 轉換采用ADC0808。 單片機的 P P3 端口作為四位 LED 數(shù)碼管顯示控制。 P0 端口作 A/D轉換數(shù)據(jù)讀入用， P2 端口用作 ADC0808 的 A/D 轉換控制。模擬量經(jīng)過 ADC0808轉換后變成單片機可以識別數(shù)字量，當模數(shù)轉換結束后單片機 AT89C52從 ADC0808得到數(shù)據(jù)經(jīng)過處理再輸出到 LED 顯示器顯示電壓值。具體的軟硬件設計在后面章節(jié)介紹。 系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進行 8 路其他 A/D 轉換量的測量、遠程測量結果傳送等擴展功能。數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方案框圖如 圖 21 所示： 圖 21 系統(tǒng)設計框圖 AT89C52 P0 P2 P1 P3 ADC0808 4 位 LED 顯示 電源電路 晶振電路 上電復位 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 9 第 3 章 硬件電路設計 單片機介紹 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉換器、 A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 雖然單片機具有通用計算機的基本部件，但又不同于通用計算機。單片機主要用于控制場合，所追求的目標是：盡可能體積小，又能實時、快速地對外部事件做出響應，迅速采集大量數(shù)據(jù)，做出邏輯判斷推理后實現(xiàn)對被控對象的參數(shù)調(diào)整與控制。 單片機的內(nèi)部結構 圖 31 單片機內(nèi)部結構圖 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 10 一、中央處理器（ CPU) CPU 是單片機的核心部件，它由運算器 、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，單片機主要功能指標也是由它決定的。根據(jù) CPU 的字長，單片機可以分為四位機、八位機和十六位機等。此外不同的單片機 CPU 的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力、中斷和實時控制功能等方面差別很大，這也是衡量 CPU 功能強弱的主要技術指標。 二、存儲器 單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器多數(shù)是分開的，這是因為單片機面向控 制應用領域。通常情況下，需要較大容量的程序存儲器和較少的數(shù)據(jù)存儲器，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的電路類型也不一樣。 單片機內(nèi)部的程序存儲器一般為 IKB~32KB ，通常是只讀存儲器（ ROM ）。因為單片機的應用系統(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 作為程序存儲器。此外，只讀存儲器中的內(nèi)容不會丟失，從而提高了可靠性。根據(jù)內(nèi)部程序存儲器的結構不同，各種類型的單片機又有三種主要形式的產(chǎn)品： ROM 型單片機：內(nèi)部具有掩膜編程的只讀存儲器，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固化的，因此用戶不能修改 ROM 中的程序。 EPROM 型單片機：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 ROM 型單片機：內(nèi)部沒有程序存儲器，必須外接程序存儲器（一般為 EPROM 電路）才能組成完整的微型計算機。 單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器容量一般為 64B~256B ，常由靜態(tài)隨機存取存儲器 RAM 構成。單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器可以作為工作寄存器、堆棧、位標志、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、輸出設備接口。有的單片機還具有一至二個串行接口，一 般都具有多種工作方式，可以實現(xiàn)異步串行通信或多機通信。特殊功能部件包括定時器、 A / D 和 D / A 轉換器、 DMA 通太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 11 道、高速輸人輸出部件等。定時器是各種單片機都具有的，定時器的長度為 8 ~16 位，數(shù)量為 1~3 個。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之間差別很大。 單片機發(fā)展概況 一、單片機發(fā)展歷史 單片機的發(fā)展歷史可分為以下 4 個階段： 單片機初級階段（ 1974~1976 年），因工藝限制，單片機采用雙芯片形式且功能比較簡單。例如，美國仙童（ Fairchild ）公司生產(chǎn)的世界上第一臺 F8 單片機，由于僅包括 8 位 CPU、 64B 的 RAM 和 2 個并行口，需另加一塊 3851（由 1KB ROM、定時器／計數(shù)器和 2 個并行 I/O 口構成）才能構成一臺完整的計算機。 低性能單片機階段（ 1976~1978 年），以 Intel 公司制造的 MCS48 單片機為代表，這種單片機內(nèi)集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、 8 位定時器 /計數(shù)器、 RAM 和 ROM等。不足之處是沒有串行口，中斷處理比較簡單，片內(nèi) RAM 和 ROM 容量較小且尋址范圍不大于 4KB。 高性能單片機階段（ 1978~1982 年），這個階段推出的單片機普遍帶有串行口、多級中斷系統(tǒng)、 16 位定時器／計數(shù)器，片內(nèi) ROM 、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A / D 轉換器可編程邏輯器件 PLD 、 USB 接口、 PWM 通道等。這類單片機的典型代表是 Intel 公司的 MCS— 51 系列、 Freescale 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于這類單片機的性能價格比高，所以仍被廣泛應用，是目前應用數(shù)量較多的單片機。 8 位單片機鞏固發(fā)展及 16 位、 32 位單片機推出階段（ 1982 年至今），此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機、 32 位單片機及專用型單片機；另一方面，不斷完善高檔 8 位計算機，改善其結構，以滿足不同用戶的需要。 16 位單片機的典型產(chǎn)品如 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS— 96 系列單片機，其集成度已達 120210 管子／片，主振為 12MHZ，片內(nèi) RAM 為 232B,ROM 為 8KB ，中斷處理為 8 級，而且片內(nèi)帶有多通道 10 位 A / D 轉換器和高速輸入／輸出部件（ HSI / HSO ) ，實時處理的能力很強。而 32 位單片機除了具有更高的集成度外，其主振 已達 66MHZ，這使 32 位單片機的數(shù)據(jù)處理速度比 16 位單片機增快許多，性能比 8 位、 16 位單片機更加優(yōu)越。 太原理工大學陽泉學院 — 畢業(yè)設計說明書 12 目前， 8 位單片機無論在內(nèi)部資源數(shù)量還是在性能上均達到相當高的水平，如意法半導體公司推出的 PSD3200 系列單片機內(nèi)含標準的 8032 核，主振為 40MHZ，容量達