基于单片机的数字电压表的设计.pdf

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1、目录一、设计思路.11.设计的思路和采取的技术方案.11.1 设计的思路.11.2 采取的技术方案.12.工具设备要求和技术规范.22.1 工具设备要求.22.2 技术规范.2二、设计过程与说明.31.设计过程.31.1 设计前期调研.31.2 设计方案.31.3 设计要求.41.4 硬件电路设计.51.5 软件设计.102.设计过程中碰到的问题与解决措施.132.1 碰到的问题.132.2 解决措施.13三、设计成果简介.141作品特点.141.1 技术指标.141.2 性能特点.141.3 创新之处.152.归纳总结.153.设计成果.163.1 总原理图.163.2 单片机数字电压表设计

2、 PCB 图.173.3 基于单片机数字电压表设计仿真图.183.4 测试文件.203.5 实物图.203.6 运行测试图.223.7 程序代码.22五、参考文献.291一、设计思路一、设计思路1.设计的思路和采取的技术方案设计的思路和采取的技术方案1.11.1 设计的思路设计的思路本设计采用主要采用 STC89C51 主控芯片和 ADC0809 芯片组成简易数字电压表，可以对输入的 05 V 的模拟直流电压进行测量，并且通过一个 4 位一体的 LED 数码管进行显示。该电压表的测量电路由三个模块组成：A/D 转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片 ADC0809 来完成，

3、它负责把采集到的模拟量转换成相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片 STC89C51 来完成，其负责把 ADC0809 传送来的数字信号经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着 ADC0809 芯片的工作。1.2 采取的技术方案采取的技术方案查阅资料：根据任务书的要求和条例，查阅相关资料和借阅文献。了解数字电压表的基本原理和实现方法、学习巩固相关专业知识、拟定大致方案。制定方案：硬件：阅读 STC89C51RC 参考手册、学习 STC89C51RC 的外部硬件资源。设计最小系统、模数转换电路、按键电路、复位电路、显示电路。并通过编写相关模块驱动来验证电

4、路是否正常工作。软件：熟悉使用 KEIL 编程软件、Proteus 仿真软件，掌握 STC89C51 中断、定时器、串口的编程。创建相关任务、掌握电压测量的原理、掌握数字电压表设计的核心算法的编写。完成基于单片机的数字电压表的设计与制作的所有功能，并对其进行反复验证和测试。22.2.工具设备要求和技术规范工具设备要求和技术规范2.1 工具设备要求工具设备要求（1）恒温烙铁（2）万用表（3）稳压电源（4）Keil uVision52.2 技术规范技术规范（1）GB/T 51198-2017 电子产品工艺设计规范（2）GB/T 4728 电子产品调试与检测标准（3）GB/T 12856-1991

5、程序设计语言（4）GB/T 50951-1985 电子设备用机电元件基本试验规程及测量方法3二、设计过程与说明二、设计过程与说明1.1.设计过程设计过程1.1 设计前期调研设计前期调研数字电压表的主要功能是通过模数转换技术，将原本是模拟变化的模拟电压信号转换成数字变化的数字信号，然后通过主控芯片，将其显示在相关的显示模块上。他广泛地应用在各个领域医疗，工业，食品等等都离不开电压表。它呈现的形式有很多，比如我们看到的汽车油量，温度，气压，压力等等这些信息其实本质上是电压的形式，只不过他们之间存在某种特定的映射关系，为我们展现出了如此丰富多彩的信息。由此可见，数字电压表的功能以及它所发挥的作用是多

6、么的巨大，和人们的生活是如此的息息相关。1.2 设计方案设计方案运用 STC89C51 单片机作为核心控制处理单元，通过 A/D 转换将被测值转换为数字量送入单片机中。而 A/D 转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，其基本结构是由采样保持，量化，编码等组成。因此 AD 转换是此次设计的核心元件。输入的模拟量经过 AD 转换器转换，再由驱动器驱动到 LED 数码管显示输出，便得到测量的数字电压。4图图 2-12-1 单片机数字电压表的系统框图单片机数字电压表的系统框图1.3 设计要求设计要求（1）设计单片机最小系统。（2）采用 51 单片机进行控制，显示采用共阴极四位一体的

7、 LED 数码管，设计硬件电路，绘制实现本设计内容的硬件电路原理图和系统的组成框图。（3）给出 ADC0809（或 ADC0808）的功能说明与使用方法。（4）编写程序，提交程序设计流程图。（5）制作硬件电路或在 Proteus 仿真系统上搭建设计平台。（6）下载程序至设计平台，调试程序，实现程序功能。5（7）撰写毕业设计报告。1.4 硬件电路设计硬件电路设计1.4.1 硬件设计硬件设计STC89C51RC 单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位单片机。STC89C51RC 片内含有 4k字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗(WDT)，两

8、个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。并且它支持两种软件可选的省电工作模式。空闲模式停止 CPU 的工作，但允许 RAM、定时器/计数器、串行通信端口和中断系统继续工作。掉电模式保存 RAM 的内容，但振荡器停止工作并禁止所有其他组件工作，直到下一次硬件复位。由于在单个芯片中结合了多功能 8 位 CPU 和闪存，ATMEL 的 STC89C51RC 是一种高效微控制器，为许多嵌入式控制系统提供了灵活且廉价的解决方案。图图 2-22-2 主控芯片电路图主控芯片电路图61.4.2 LED 数码管数码管LED 数码管是由多个发

9、光二极管封装在一起，形成一个“8”字形的器件。引线已经在内部连接好，只需要绘制它们的单独笔划和公共电极。数码管实际上是由七个八字形的发光管组成，小数点是八位。这些段由字母 a、b、c、d、e、f、g、dp 表示。本设计中采用的是七段 LED 数码管来显示电压值。LED 具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，数码管是由 8 个发光二极管构成的显示器件。图图 2-3 LED 数码管原理图数码管原理图1.4.3 ADC0809ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接

10、口。7由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装。对 ADC0809 主要信号引脚功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809;START 下降沿时启动

11、芯片，开始进行 A/D 转换;在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST.A、B、C-地址线。通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址。CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。EOC转换结束信号。E0C=0,正在进行转换;E0C=1,转换结束。使用中该状态 信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接连接。D0为最低位，D7为最高位。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的

12、数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE，输出转换得到的数据。Vcc+5V 电源。Vref参考电源参考电压用来输入的模拟量信号进行比较，作为逐次逼近基准。其典型值为+5V（Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V）。8图图 2-4ADC08092-4ADC0809 原理图原理图1.4.4 蜂鸣器电路蜂鸣器电路蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，其根本区别是产品对输入信号要求不一样。有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为 VDC、VDD 等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从而实现出磁场交变，带动铝片振动发音。无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公

13、司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给予直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，铝片不能振动发音。本设计采用的是有源蜂鸣器模块。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机 IO 引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个三极管的电路。通过一个三极管 C8550 来放大驱动蜂鸣器，当 8550 的基极是一个低电平时，三极管处于饱和状态，蜂鸣器通电报警，当基极为高电平，三极管处于截止状态，蜂鸣器停止报警。9图图 2-52-5 有源蜂鸣器模块原理图有源蜂鸣器

14、模块原理图1.4.5 电压表总原理图电压表总原理图图图 2-6 电压表电压表总原理图总原理图101.5 软件设计软件设计1.5.1 系统软件总体设计系统软件总体设计采用单片机 STC89C51RC 作为主控芯片，控制整个电路的运行。STC89C51RC 具有在系统可编程功能，无需将芯片从工作环境中取出，即可轻松改写单片机存储器中的程序。STC89C52RC 需要外接普通的 12MHz 晶振，提供稳定的时钟脉冲。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成单片机中各端口的特殊寄存器、定时器工作模式和工作状态的设置。系统初始化后，进行定时器中断、外部中断、显示数据等工作。图图 2-7 数字电压

15、表设计与制作主流程图数字电压表设计与制作主流程图111.5.2 电压测量流程图电压测量流程图使用 ADC0809 模数转换芯片设计数字电压表电路。该设计方案以单片机 STC89C51 为主控芯片，以 ADC0809 模数转换芯片为核心，将模数转换芯片组成数字电压表电路。该电路可准确测量被测有效电压值，附加四位显示功能，有效电压值可精确到 0.01V。12图图 2-8 电压测量部分流程图电压测量部分流程图开始OE 低电平ST 低高低电平，产生一个下降沿启动 ADAD 转换结束后 ECOOE 高电平读取 IO 口的数据OE 低电平返回 IO 口的 AD数据结束高低132.2.设计过程中碰到的问题与

16、解决措施设计过程中碰到的问题与解决措施2.1 碰到的问题碰到的问题问题 1：在应用滤波电容的过程中，电路无法导通。问题 2：LED 数码管亮度不足，显示有闪烁。问题 3：仿真无法通过。2.2 解决措施解决措施解决措施 1：开始时是把电容串联在电路中，导致电路无法导通，而后我们短路电容，解决了问题。解决措施 2：添加上拉电阻，对调用延时进行逐行修改，解决亮度不足和显示闪动问题。解决措施 3：由于源程序中存在多个错误，无法通过仿真。经过单步调试，将存在的错误一一排除，软件仿真通过。14三、设计成果简介三、设计成果简介1 1作品特点作品特点1.1 技术指标技术指标项目说明工作电压（V）5V工作电流（

17、mA）2060mA工作环境-20+50芯片类型51 系列单片机处理速度48MHz1.2 性能特点性能特点（1）：主芯片选用 STC89C51RC 系列单片机，STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP(In SytemProgremming)在系统可编程芯片，最高时钟频率为 80MHz，片内含 8K Bytes 的刻反复擦写1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序 即可将用户的程序代码下载进单片机内

18、部，省去了购买通用编程器，而且速度更快，为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。（2）：核心芯片采用 ADC0809，ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809 为一路的数字转换，该芯片功能强大，性能优越，能为很多领域，特别是对模拟量转换工作精确性和可靠性有较高要求的场合，提供较好的实时转换。15（3）：采用 7 段 LED 数码管显示，其能在低电压、小电流条件下驱动发光。发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高。还具有体积小、重量轻、抗冲击性好

19、，固态封装、寿命长等特点。符合本设计简便实用的初衷。1.3 创新之处创新之处（1）除电源按键之外还设计了复位按键，以便应对突发状况。（2）一款基于 51 系列单片机的便携式、低功耗数字电压表。（3）采用 ADC0809 转换芯片，该芯片功能强大、性能优越，对模拟量转换工作精确性和可靠性都具有较高的要求。（4）能实时显示测量的电压值并能超量程报警。2.2.归纳总结归纳总结岁月辗转成歌，时光流逝如花。转眼间又是一年毕业季，回首大学的岁月，心中不免出现一阵感慨。这两年好像啥也没经历，又好像什么都经历过了。不知这是否是每个即将毕业的学子所要经历的离别。随着毕业的日子即将到来，我的毕业设计也即将画上圆满

20、的句号。毕业设计是我们学业生涯最后一个检验环节，它不仅仅是对我们所学的知识和能力的一种检验，也是对我们实践和动手能力的一种提升。2020 年 12 月，在与老师交流讨论中我的命题下来了。从开始的茫然，到现在的逐渐的思路清晰，再到毕业设计的完成。我深刻的感受到了这一路走来是多么的不容易，当设计完成的那一刻，我感到如释重负，感慨万千。虽中途历经坎坷，但收获颇丰，就像这个世界泥泞破碎，却也能开出温柔的花朵。我的毕业设计主要涉及硬件和软件两方面的开发，通过本次毕业设计使得我软件和硬件开发方面的能力都得到了提升。首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发与制作的流程。基本掌握了 KEIL 编程软件的开发使用

21、，掌握了绘制原理图的方法，掌握了仿真软件的使用，设计了单片机最小系统。通过本次设计对单片机接口以及外部硬件电路有了更深层次的了解，掌握了一些常见的单片机外围电路引脚和连接方法。完成实物的焊接后，便开始硬件调试。经过不断的调试和修改设计方案，是对理论知识实际应用的一种检验方式。是每个电信学子必备的技能。16通过此次毕业设计我认识到了自身很多的不足，理论知识不过硬，硬件电路焊接不过关。但这次毕业设计也让我学到了很多，提高了我分析问题和解决困难的能力，能多方面的看待问题并找到其他解决问题的方式。加深了专业知识的认知并能让所学的知识能够得到更好的应用。但由于本人所掌握的知识有限，以至于本设计还存在诸多

22、的不足，电路板排版的不够美观、程序不够简练、测量精度还有待提升、数码管显示不够完美等。经历长时间的制作与调试，系统能正常测量电压值。3.3.设计成果设计成果3.1 总原理图总原理图图图 3-1 电压表总原理图电压表总原理图173.2 单片机数字电压表设计单片机数字电压表设计 PCB 图图图图 3-2 基于单片机的数字电压表设计与制作基于单片机的数字电压表设计与制作 PCB 图图183.3 基于单片机数字电压表设计仿真图基于单片机数字电压表设计仿真图图图 3-3 数字电压表量程内测量电压仿真图数字电压表量程内测量电压仿真图19图图 3-4 数字电压表超量程报警仿真图数字电压表超量程报警仿真图20

23、3.4 测试文件测试文件图图 3-5 测试文件编译测试文件编译3.5 实物图实物图21图图 3-6 单片机数字电压表设计实物图单片机数字电压表设计实物图223.6 运行测试图运行测试图图图 3-7 单片机的数字电压表运行测量图单片机的数字电压表运行测量图3.7 程序代码程序代码/程序头函数#include/宏定义#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Data_ADC0809 P1/ADC0809sbit ST=P3 2;23sbit EOC=P3 3;sbit OE=P3 1;sbit W1=P2 0;sbit

24、W2=P2 2;sbit W3=P2 4;sbit W4=P2 6;sbit BUZZ=P2 1;sbit dian=P0 5;/*定义全局变量*/unsigned char dis3;/显示数值/*共阴 LED 段码表*/unsigned char code tab=0 x5F,0 x44,0 x9D,0 xD5,0 xC6,0 xD3,0 xDB,0 x47,0 xDF,0 xD7,0 x5e/*字母 U*/,0 x20;/gc.debfa/*函数功能:AD 转换子程序*/ADC0809 读取信息uchar ADC0809()24uchar temp_=0 x00;/初始化高阻太OE=0;

25、/转化初始化ST=0;/开始转换ST=1;ST=0;/外部中断等待 AD 转换结束while(EOC=0)/读取转换的 AD 值OE=1;temp_=Data_ADC0809;OE=0;return temp_;/*函数功能:延时子程序入口参数:出口参数:*/void delay(unsigned int x)25unsigned int i,j;for(i=0;i x;i+)for(j=0;j 248;j+);/=/=/=/*函数功能:将 0-255 级换算成 0.00-5.00 的电压数值入口参数:i出口参数:*/void convdata(unsigned char dat1)unsig

26、ned int Vo;Vo=(float)dat1/51)*100);if(dat1=255)BUZZ=1;else BUZZ=0;26dis0=Vo/100;/十位dis1=Vo%100/10;/个位dis2=Vo%100%10;/小数点后第 1 位/*函数功能:数码管显示子程序入口参数:出口参数:*/void display(void)P0=tabdis0;dian=1;W1=0;delay(3);dian=0;W1=1;P0=tabdis1;W2=0;delay(3);W2=1;P0=tabdis2;W3=0;27delay(3);W3=1;P0=tab10;W4=0;delay(3);

27、W4=1;/*函数功能:主程序入口参数:出口参数:*/void main(void)while(1)/主循环convdata(ADC0809();/数据转换display();/显示数值29五、参考文献五、参考文献1杨永德.51 单片机 C 语言入门方法J.电子制作,2019(14):48-49.2严格非.现代单片机技术的进展J.中国新通信,2018,20(08):237.3刘婷.传感器设计中应用单片机技术的分析J.数码设计,2017,6(09):85.4秦晓梅，陈育斌(单片机原理综合实验教程M(大连:大连理工大学出版社，2014.5姚越,吴宝庆.关于单片机技术应用的研究J.科技资讯，2018，16（09）：112-113.6王子剑.“智能化”电子产品中单片机技术的应用J.电子技术与软件工程,2017(15）：251.7丁小一,吕菲.基于工作过程导向的“单片机技术与应用”课程开发与实践J.无线互联科技,2018,15(09):88-89.