单片机数字电压表设计.docx

唐山学院单片机原理及应用课程设计题目单片机数字电压表设计系（部）信息工程系班级10通信本2姓名jinke学号4100214236指导教师2013年1月2日至1月6日共1周单片机原理及应用课程设计任备书一、设计题目、内容及要求设计题目：单片机数字电压表设计设计内容及要求：（1）可以测量05V的8路直流电压。（2）在LED数码管上显示测量电压值，显示范围为0.00V5.00V,一位LED数码管显示路数，8路轮流显示。（3）拓展部分：通过控制键可以改变显示模式，8通道轮流显示或单路选择显示。（4）其他功能，创新部分（自定）。二、设计原始资料Proteus,KEIL三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）设计结果在计算机上能正确仿真；设计说明书一份（包括硬件原理电路、源程序清单等）四、进程安排周一：利用proteus完成硬件电路绘制周二：编写各部分应用程序周三：程序组合并调试周四：编写设计说明书周五：答辩五、主要参考资料1、何立民主编，单片机中级教程，北京航空航天大学出版社。2、张毅刚主编，单片机原理与应用设计，电子工业出版社。指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况第二组：LA/D转换器与单片机之间数据传输是采用何种方法，写出相应的程序段。2.A/D转换器中的Start信号，eoc信号和Oe信号的功能分别是什么？程序中如何控制信号的。3.7段数码管选用的是共阴极还是共阳极数码管？多个数码管显示时采用何种方法，简述程序设计思路，写出程序段。4.在设计中选用了几个数码管？数码管的位码和段码分别和单片机的那些引脚相连？综合评定指导教师签名：年月日1弓I言12单片机简介22.1 概述22.2 发展历史22.3 基本结构32.3.1 运算器32.3.2 控制器32.3.3 主要寄存器43硬件设计及其工作原理53.1 数字电压表主要器件53.1.1 单片机AT89C5153.1.2 芯片ADCo80873.1.3 七段数码管简介83.2 数字电压表电路设计93.2.1 处理器电路93.2.2 A/D转换电路103.3 控制电路103.4 显示电路113.5 整体电路图设计114数字电压表软件设计135软件仿真145.1 ProteusISIS软件简介145.1.1 ProteusISIS启动145.1.2 ProteusISIS工作界面155.2 Keil软件简介155.3 利用ProteusISIS仿真与调试166总结18参考文献19附录201引言数字电压表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压表。较之于一般的模拟电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。在测量仪器中，电压表是必须的，而且电压表的好坏直接影响到测量精度。具有一个精度高、转换速度快、性能稳定的电压表才能符合测量的要求。为此，我们设计了数字电压表，此作品主要由A/DO8O8转换器和单片机AT89C51构成，A/D转换器在单片机的控制下完成对模拟信号的采集和转换功能，最后由数码管显示采集的电压值。电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D）。数字电压表的核心部件就是A/D转换器，由于各种不同的A/D转换原理构成了各种不同类型的DVMo一般说来，A/D转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。积分式A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。根据转化的中间量不同，它又分为U-T（电压-时间）式和U-F（电压-频率）式两种。逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。在高精度数字电压表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式A/D转换器。本设计以AT89C51单片机为核心，以逐次比较型A/D转换器ADCO808、七段数码管为主体，构造了一款简易的数字电压表，能够实现自动和手动测量8路0.005.0OV的直流电压，最小分辨率为0.02V。2单片机简介2.1概述单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(MiCroContronerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积AT89C51ED2-I?/!0505A042662.1单片机芯片小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到目前基于8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镶。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量因此远超过PC机和其他计算的总和。单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。2.2 发展历史单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位SOC单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和LinUX操作系统。2.3 基本结构2.3.1 运算器运算器由运算部件算术逻辑单元(ArithmetiC&LogicalUnit,简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内谷6o运算器有两个功能：1 .执行各种算术运算。2 .执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。2.3.2 控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：1 .从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。2 .对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。3 .指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。2.3.3主要寄存器1 .累加器A累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。2 .数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。3 .指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时,必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。4 .程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC,使它总是指向下一条要执行指令的地址。5 .地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时,都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。3硬件设计及其工作原理3.1 数字电压表主要器件本次课程设计是以AT89C51单片机为控制核心，以A/D转换器ADC0808为数据采样系统，实现被测电压的数据采样；用共阴数码管显示结果的简易数字电压表,能够实现8路0.005.00V的直流电压，最小分辨率为0.02Vo3.1.1 单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPERoMFIaShProgrammableandErasab