基于單片機控制的數(shù)字電壓表

1 引言

　　由于單片機具有簡單實用、高可靠性、良好的性能價格比以及體積小等優(yōu)點，已經(jīng)在各個技術領域得到了迅猛發(fā)展。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。本設計重點介紹單片A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構成的基于單片機的數(shù)字電壓表的工作原理。

　　2 總體設計方案

　　2.1 設路計思路

　　按系統(tǒng)功能要求，決定控制系統(tǒng)采用AT89S51單片機，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809.系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進行其功能的擴展。本文采用AT89S51作為核心元件，AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

　　采用NS公司的分辨率為8位的逐次比較型的高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809,ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。把采取的電壓進行處理然后通過單片機的P口送到單片機然后經(jīng)過程序處理，由LED電路把電壓數(shù)值顯示出來。單片機加上外圍的串口顯示電路由74LS245和數(shù)碼管三極管組成。

　　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8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價AT89s51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。

　　2.2 設計方框圖

　　數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方案

圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方案

　　3 設計原理分析

　　3.1 單片機AT89S51

　　AT89S51單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，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8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。

　　3.2 AT89S51的特點

　　40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器 此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。

　　主要特性在：

　　● 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容

　　● 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器

　　● 1000次擦寫周期

　　● 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz

　　● 32個可編程I/O口線

　　● 2個16位定時器/計數(shù)器

　　● 6個中斷源

　　● 全雙工UART串行通道

　　● 低功耗空閑和掉電模式

　　● 掉電后中斷可喚醒

　　● 看門狗定時器

　　● 雙數(shù)據(jù)指針

　　● 靈活的ISP編程（字或字節(jié)模式）

　　● 4.0---5.5V電壓工作范圍

3.3 ADC0809的內(nèi)部邏輯結構

　　八路數(shù)字電壓表主要利用A/D轉(zhuǎn)換器，處理過程是先用A/D轉(zhuǎn)換器對各路電壓值進行采樣，得到相應的數(shù)字量，再按數(shù)字量與模擬量成正比關系運算得到對應的模擬電壓值，然后把模擬值通過顯示器顯示出來。設計時假設待測的輸入電壓為八路，電壓值的范圍為0~5V，要求能在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。測量的最小分辨率為0.0119V,c測量誤差為±0.02V。

　　ADC0809是8路8位ADC芯片，片內(nèi)有8路模擬開關、地址鎖存與譯碼、256電阻梯形網(wǎng)絡、電子開關樹、逐次逼近寄存器、比較器和3態(tài)輸出鎖存器等，特別適合與微機接口。時鐘頻率=1.26MHz，轉(zhuǎn)換時間=100μs，轉(zhuǎn)換誤差≤±1LSB，內(nèi)含8路數(shù)據(jù)選擇器以便進行8路ADC。8路8位2進制碼LSTTL電平輸出，28腳封裝。ADC0809多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809的內(nèi)部邏輯結構如圖3.1所示。

圖2 ADC0809的內(nèi)部邏輯結構

　　3.4 引腳結構

　　 ADC0809具有8路模擬量輸入通道IN0～IN7，通過3位地址輸入端C、B、A（因腳23、24、25）進行選擇。引腳22為地址鎖存控制端ALE，當輸入為高電平時，C、B、A引腳輸入的地址鎖存與ADC0809內(nèi)部的鎖存器中，經(jīng)內(nèi)部譯碼電路譯碼選中相應的模擬通道。引腳6為啟動轉(zhuǎn)換控制端START，當輸入一個2 us寬的高電平脈沖時，就啟動ADC0809開始對輸入通道的模擬量進行轉(zhuǎn)換。引腳7為A/D轉(zhuǎn)換的結束信號EOC。ADC0809為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，當開始轉(zhuǎn)換時，EOC信號為低電平，經(jīng)過一定時間，轉(zhuǎn)換結束，轉(zhuǎn)換結束信號EOC輸出高電平，轉(zhuǎn)換結果存放與ADC0809內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)鎖存器中。引腳9為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE，當OE為高電平時，存放與輸出數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)通過ADC0809的數(shù)據(jù)線D0～D7輸出。引腳10為ADC0809的時鐘信號輸入端CLOCK。在連接時，ADC0809的數(shù)據(jù)線D0～D7與AT89S51的P0口相連，ADC0809的地址引腳、地址鎖存端ALE、啟動信號START、數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE分別與AT89S51的P2口相連，轉(zhuǎn)換結束信號EOC與AT89S51的P3.7口相連。時鐘信號輸入端CLOCK信號，由單片機的地址鎖存控制端ALE提供。單片機的系統(tǒng)時鐘為12MHZ。

　　IN0－IN7：8條模擬量輸入通道 。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。

　　地址輸入和控制線：4條 。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線：11條 。ST為轉(zhuǎn)換啟動信號，當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。

　　CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為1MHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。

　　3.5 ADC0809應用說明

　　ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機。

　　3.6 ADC0809工作原理

　　8路模擬信號由ADC0809的IN0～IN7端輸入，AT89S51單片機的ALE端口輸出的脈沖信號送ADC0809的10腳作為ADC的時鐘信號（產(chǎn)生CLK信號的方法就得用軟件來產(chǎn)生）。A/D轉(zhuǎn)換完成之后，從EOC端返回AT89S51一個轉(zhuǎn)換結束信號，單片機隨即用信號將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出從D0～D7端經(jīng)P0口數(shù)據(jù)總線讀入自己的存儲器中。A/D轉(zhuǎn)換過程全部結束。再經(jīng)軟件程序轉(zhuǎn)換成a～g 7段碼輸出，驅(qū)動LED數(shù)碼管。各位數(shù)碼管由位控信號P3.0、P3.1、P3.2、P3.3控制，由74LS245反相驅(qū)動將依次巡回點亮數(shù)碼管。

3.7 復位電路的設計

　　本設計采用了上電自動復位和手動復位，上電自動復位是再加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的，其電路如圖3.2所示。在充電瞬間，電容C通過復位電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，以復位。只要電源VCC的上升時間不超過1MS,就可以實現(xiàn)自動復位，既接通電源就完成了系統(tǒng)的復位初始化，手動復位是通過按鈕實現(xiàn)的。

圖3 復位電路

　　3.8 時鐘電路的設計

　　任何一塊單片機的正常工作都離不開時鐘信號，本設計中利用8951內(nèi)部的高增益反相放大器，外加石英晶體以及兩個電容就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器。給單片機提供了時鐘信號，保持單片機按正常的時序工作。

圖4 時鐘電路