基于单片机的数字电压表设计

基于单片机的数字电压表设计

一、数字电压表设计

1、目的及意义

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。除此之外，数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点：读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强等。因此 对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。但是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，可是这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求。而应用单片机为核心单元的数字电压表，其灵活性高、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。本课题目的就是以单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好的直流数字电压表。要求测量范围为0～5V。

2、总体设计方案

数字电压表主要包括两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路采用ATMEL公司的AT89C51作为主处理器，系统主要由信号采集、A/D转换、数据处理输出、驱动显示等几个功能模块组成。系统框图1如下：

图1 硬件原理框图

被测直流电压由A/D转换单元采集后被量化，再由单片机对A/D转换的结果进行标度变换，得到被测电压的数值，通过单片机对数次转换结果求平均值、并通过SOI串行数据接口把所求平均值输出给显示驱动单元，由该单元完成译码，并驱动数码管显示。

电压表的数字化是将连续模拟的电压量经A/D转化后变为不连续的离散的数字量

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并加以显示。在设计过程中采用分模块设计，按照图1把电路分A/D转换、数据处理输出、驱动、显示四个单元。数值显示是采用八段数码管，由单片机以动态扫描方式驱动，在此方式下能保证足够的亮度和较长的使用寿命。

单片机是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用。在众多单片机中，要算AT89C51更实用，它是至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。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AT89C51是一种高效微控制器。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52单片机的外形及引脚排列如图2

图2 AT89S52单片机的外形及引脚排列

89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装(DIP)方式，下面分别简单介绍。电源引脚 Vcc(40引脚）：+5V电源。GND(20引脚)：接地。时钟引脚XTAL1(19引脚)是片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。XTAL2(20引脚)是

片内振荡器反相放大器的输出端。复位RST(9引脚)是将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。EA/Vpp(31引脚)为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存储器，在PC值超过0FFFH后将自动转向外部程序存储器。当它为低电平时，只限定在外部程序存储器，地址为0000H~FFFFH。Vpp

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为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。ALE/PROG(30引脚)，ALE为低八位地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE的负跳沿江P0口发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器，然后再作为数据端口。PROG为该引脚的第二功能，在对片外存储器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。PSEN(29引脚)是片外程序存储器的读选通信号。在单片机读片外程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信号。pin39-pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口，P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口。P1口能驱动4个LSTTL负载。Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口，P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口，P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。

TLC549是 TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。REF+：正基准电压输入 2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。 REF－：负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。且要求：（REF+）－（REF-）≥1V。 VCC：系统电源3V≤Vcc≤6V。 GND：接地端。 /CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN≥2V，输入低电平 VIN≤0.8V。 DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后。ANALOGIN：模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，当 ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”(00H)。 I/O CLOCK：外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。TLC549 引脚图如图3

图3 TLC549 引脚图

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TLC549 器件工作时，当/CS变为低电平后， TLC549芯片被选中， 同时前次转换结果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端输出，接着要求自 I/O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个 I/O CLOCK信号的作用，是配合 TLC549 输出前次转换结果的 A6-A0 位，并为本次转换做准备：在第4个 I/O CLOCK 信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。转换时间为 36 个系统时钟周期，最大为 17us。直到 A/D转换完成前的这段时间内，TLC549 的控制逻辑要求：或者/C保持高电平，或者 I/O CLOCK 时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次 A/D转换开始。TLC549 工作时序图如图4

图4 TLC549工作时序图

LED数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。LED 的段码端口A～G分别接至AT89C51的P0.0～P0.7口。如图5。位选端1～8分别接至P1.0～P1.7。如图6。

图5 LED 的段码端口

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