1、桂林电子科技大学微机综合设计报告- 1 -基于 AT89S51 的简易数字电压表的设计摘要：本课题是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量 05V 之间的直流电压值，四位数码管显示，使用的元器件数目较少。外界电压模拟量输入到 A/D 转换部分的输入端，通过ADC0809 转换变为数字信号，输送给单片机。然后由单片机给数码管数字信号，控制其发光，从而显示数字。此外，本文还讨论了设计过程中的所用的软件硬件环境，调试所出现的问题等。关键词：单片机； AT89S51；数字电压表； ADC0809,四位数码管任务书1.设计题目基于 AT89S51 的简易数字电压表的设计。2.设计内容与要求用 AT89S
2、51 单片机和 ADC0809 组成一个数字电压表，要求能够测量 05V 的直流电压值，并用四位数码管显示，并要求所用元器件最少。3,。设计目的意义(1).通过亲身的设计应用电路，将所用的理论知识应用到实践中，增强实践动手能力，进而促进理论知识的强化。(2).通过数字电压表的设计系统掌握 51 单片机的应用。掌握 A/D 转换的原理及软件编程及硬件设计的方法，掌握根据课题的要求，提出选择设计方案，查找所需元器，设计并搭建硬件电路，编程写入 EPROM 并进行调试等。目录一、系统原理框图二、AT89S51 的结构三、器件的比较与选择四、系统硬件及仿真图桂林电子科技大学微机综合设计报告- 2 -五
3、、相关软件简介六、程序流程图与源程序七、数字电压表发展及未来八、设计体会九、参考文献基于 AT89S51 的简易数字电压表的设计桂林电子科技大学微机综合设计报告- 3 -第一章 系统原理框图选择 AT89S51 作为单片机芯片，选用四位 8 段共阴极 LED 数码管实现电压显示，利用ADC0809 作为数模转换芯片。将数据采集接口电路输入电压传入 ADC0809 数模转换元件，经转换后通过 D0 至 D7 与单片机 P0 口连接，把转换完的模拟信号以数字信号的信号的形式传给单片机，信号经过单片机处理从 LED 数码显示管显示。P2 口接数码管位选，P1 接数码管，实现数据的动态显示，如图 4.
4、1 所示。AT89S51P1 P0P3 P2AD0809D0D7IN0IN7VREF+VREF- CLKOEST、ALE四位数码管位选段选控制线数据待测电压图 4.1 系统原理框图第二章： AT89S51 的结构在本次课题设计中我们选择了 AT89S51 芯片。AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，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
5、中央处理器和 ISP Flash 存桂林电子科技大学微机综合设计报告- 4 -储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 2.1 AT89S51 内部结构概述 三 级 程 序 存 储 器 保 密 锁 定 128*8 位 内 部 RAM 32 条 可 编 程 I/O 线 两 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 6 个 中 断 源 可 编 程 串 行 通 道 低 功 耗 的 闲 置 和 掉 电 模 式 片 内 振 荡 器 和 时 钟 电 路2.2 CPU 结构CPU 是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1. 运算器 运算器以
6、完成二进制的算术/逻辑运算部件 ALU 为核心。它可以对半字节（4）、单字节等数据进行操作。例如，能完成加、减、乘、除、加 1、减 1、BCD 码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。图 2.1 单片机(AT89S51)引脚及外观桂林电子科技大学微机综合设计报告- 5 -运算器还包含有一个布尔处理器，用以处理位操作。它以进位标志位 C 为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。2.程序计数器 PCPC 是一个
7、16 位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为 64kB，PC 有自动加 1 功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加 1。3.指令寄存器 指令寄存器用于存放指令代码。CPU 执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送如指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。2.3 存储器和特殊功能寄存器1. 存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。2.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）的地
8、址范围为 80HFFH。在 MCS51 中，除程序计数器 PC 和四个工作寄存器区外，其余 21 个特殊功能寄存器都在这 SFR 块中。其中 5 个是双字节寄存器，它们共占用了 26 个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表 2。其中带号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了 8051 的状态，实际上是 8051 的状态字及控制字寄存器。用于 CPU PSW 便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是 P0P3，它们实际上是 4 个八位锁存器（每个 I/O 口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就
9、构成了一个并行口。MCS51 共有 P0P3 四个这样的并行口，可提供 32 根 I/O 线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器 A、标志寄存器 PSW、数据指针 DPTR 等的功能前已提及。2.4 P0-P3 口结构P0 口功能 ：P0 口具有两种功能：第一，P0 口可以作为通用 I/O 接口使用，P0.7P0.0用于传送 CPU 的输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。第二，P0.7P0.0 在 CPU 访问片外存储器时用于传送片外存储器 de 低8 位地址，然后传送 CPU 对片外存储器的读写P1 口 功能
10、 ：P1 口的功能和 P0 口 de 第一功能相同，仅用于传递 I/O 输入/输出数据。P2 口的功能 ：P2 口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O 使用。它的第二功能和 P0 口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高 8 位地址。 P3 口功能 ：P3 口有两个功能：第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每个引脚都不同。 桂林电子科技大学微机综合设计报告- 6 -表 2.1 P3 口第二功能引脚 名称 功能P3.0 RXD 串行数据接收口P3.1 TXD 串行数据发送口P3.2 INT0 外中断 0 输入P3.3 INT1 外中
11、断 1 输入P3.4 T0 计数器 0 计数输入P3.5 T1 计数器 1 计数输入P3.6 WR 外部 RAM 写选通信号P3.7 RD 外部 RAM 读选通信号2.5 时钟电路和复位电路1.时钟电路单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路由振荡器和分频器组成。MCS-51 内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器。两个引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。在片外跨接一晶振和两个匹配电容 C1、C2 如图2.5 所示。就构成一个自激振荡器。振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百千赫至24MHz 可适当选取某一频率。匹配电容 C1、C2 要根据石英晶体振荡器的
12、要求选取。当晶振频率为 12MHz 时,C1C2 一般选 30pF 左右。图 2.5 中 PD 是电源控制寄存器PCON.1 的掉电方式位，正常工作方式 PD=0。当 PD=1 时单片机进入掉电工作方式，是一种节能工作方式。上述电路是靠 MCS-51 单片机内部电路产生振荡的。也可以由外部振荡器或时钟直接驱动 MCS-51。 桂林电子科技大学微机综合设计报告- 7 -2.复位电路复位是单片机的初始化操作。其功能主要是将程序计数器(PC)初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序，并将特殊功能寄存器赋一些特定值。复位是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态一种操作。复位是上
13、电的第一个操作，然后程序从0000H 开始执行。在运行中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞” 。要使其进入正常状态，唯一办法是将单片机复位，以重新启动。复位后，程序计数器(PC)及各特殊功能寄存器(SFR)的值如表 4.2 所示。表 4.2 程序计数器及各特殊功能寄存器的复位值寄存器 复位状态 寄存器 复位状态PC 0000H TH1 00HACC 00H P0P3 FFHPSW 00H IP xx000000BSP 07H IE 0xx00000BDPTR 0000H TMOD 00HTCON 00H SCON 00HTL0 00H SBUF 不定TH0 00H PC
14、ON 0xxx0000BTL1 00H图 4.3 复位电路的内部及外部方式桂林电子科技大学微机综合设计报告- 8 -RST 引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。RST 引脚内部有一个斯密特 ST 触发器(图 2.10)以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与VSS 引脚之间接一个 8.2k 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间接一个约 10F 的电解电容，即可保证上电自动复位。图 4.4 自动和手动复位电路图上电或手动复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能
15、使单片机复位。上电后，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 K 后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或手动复位的操作。第三章 器件的比较与选择3.1 显示器本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED 点阵，1602 液晶，12864 液晶等。1. 数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的 8 字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示 09
16、的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。2. LED 点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED 点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。3. 1602 液晶是工业字符型液晶，能够同时显示 16*2 即 32 个字符。1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。桂林电子科技大学微机综合设计报告- 9 -使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜
17、。4. 12864 液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示 1602 液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示 8*4 个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比 1602 液晶贵了很多。综合上述，根据本设计的要求和价格的考虑，选择数码管显示器。单位数码管如图 4.4 所示，四位共阴极数码管如图 4.5 所示。abcdegGNDfdpGNDa bcef gd dpabcdefgdp dpgfedcba 5V（ a） （ b） 共 阴 极 共 阳 极 abcdegGNDfdpGNDa bcef gd dpabcdef
18、gdp dpgfedcba 5V（ a） （ b） 共 阴 极 共 阳 极 桂林电子科技大学微机综合设计报告- 10 -图 4.5 四位共阴极数码管3.2 模数（A/D）芯片A/D 转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过 A/D 转换器把输入模拟量变成数字量再处理。A/D 转换的常用方法有：计数式 A/D 转换，逐次逼近型 A/D 转换，双积分式 A/D 转换， V/F 变换型 A/D 转换。在这些转换方式中，记数式 A/D 转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双积分式 A/D 转换精度高，多用于数据采集及精度要求比较高的场合，如 5G14433（31/2 位） ，AD
19、7555（41/2 位或 51/2 位）等，但速度更慢。随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的 A/D 转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有 3 种类型，即双积分式 A/D 转换器、逐次逼近式 A/D 转换器和并行式 A/D 转换器。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。(1)A/D 芯片的比较 双积分式 A/D 转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。1. AD0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，它是由一个 8 路的模拟开关、一个地址锁存译码器、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
20、许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。些 A/D 转换器是的特点是 8 位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。2. AD0832 也是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。3. TLC2543C 是 12 位开关电容逐次逼近 A/D 转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。图 4.4 单位数码管
