基于单片机控制的数字电压表 可扩展性, 单片机, 电压表, 可靠性, 测量

Bazinga

1 引言
　　由于单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点，已经在各个技术领域得到了迅猛发展。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本设计重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。
　　2 总体设计方案
　　2.1 设路计思路
　　按系统功能要求，决定控制系统采用AT89S51单片机，A/D转换采用ADC0809.系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行其功能的扩展。本文采用AT89S51作为核心元件，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位中央处理器和ISP Flash存储单元，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。
　　采用NS公司的分辨率为8位的逐次比较型的高精度的模数转换器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。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。把采取的电压进行处理然后通过单片机的P口送到单片机然后经过程序处理，由LED电路把电压数值显示出来。单片机加上外围的串口显示电路由74LS245和数码管三极管组成。
　　器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89s51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
　　2.2 设计方框图
　　数字电压表系统设计方案


图1 数字电压表系统设计方案
　　3 设计原理分析
　　3.1 单片机AT89S51
　　AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
　　3.2 AT89S51的特点
　　40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
　　主要特性在：
　　● 与MCS-51单片机产品兼容
　　● 4K字节在系统可编程Flash存储器
　　● 1000次擦写周期
　　● 全静态工作：0Hz-33MHz
　　● 32个可编程I/O口线
　　● 2个16位定时器/计数器
　　● 6个中断源
　　● 全双工UART串行通道
　　● 低功耗空闲和掉电模式
　　● 掉电后中断可唤醒
　　● 看门狗定时器
　　● 双数据指针
　　● 灵活的ISP编程（字或字节模式）
　　● 4.0---5.5V电压工作范围
3.3 ADC0809的内部逻辑结构
　　八路数字电压表主要利用A/D转换器，处理过程是先用A/D转换器对各路电压值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值，然后把模拟值通过显示器显示出来。设计时假设待测的输入电压为八路，电压值的范围为0~5V，要求能在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。测量的最小分辨率为0.0119V,c测量误差为±0.02V。

　　ADC0809是8路8位ADC芯片，片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和3态输出锁存器等，特别适合与微机接口。时钟频率=1.26MHz，转换时间=100μs，转换误差≤±1LSB，内含8路数据选择器以便进行8路ADC。8路8位2进制码LSTTL电平输出，28脚封装。ADC0809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的内部逻辑结构如图3.1所示。


图2 ADC0809的内部逻辑结构
　　3.4 引脚结构
　　 ADC0809具有8路模拟量输入通道IN0～IN7，通过3位地址输入端C、B、A（因脚23、24、25）进行选择。引脚22为地址锁存控制端ALE，当输入为高电平时，C、B、A引脚输入的地址锁存与ADC0809内部的锁存器中，经内部译码电路译码选中相应的模拟通道。引脚6为启动转换控制端START，当输入一个2 us宽的高电平脉冲时，就启动ADC0809开始对输入通道的模拟量进行转换。引脚7为A/D转换的结束信号EOC。ADC0809为逐次比较型A/D转换器，当开始转换时，EOC信号为低电平，经过一定时间，转换结束，转换结束信号EOC输出高电平，转换结果存放与ADC0809内部的输出数据锁存器中。引脚9为A/D转换数据输出允许控制端OE，当OE为高电平时，存放与输出数据存储器中的数据通过ADC0809的数据线D0～D7输出。引脚10为ADC0809的时钟信号输入端CLOCK。在连接时，ADC0809的数据线D0～D7与AT89S51的P0口相连，ADC0809的地址引脚、地址锁存端ALE、启动信号START、数据输出允许控制端OE分别与AT89S51的P2口相连，转换结束信号EOC与AT89S51的P3.7口相连。时钟信号输入端CLOCK信号，由单片机的地址锁存控制端ALE提供。单片机的系统时钟为12MHZ。
　　IN0－IN7：8条模拟量输入通道 。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
　　地址输入和控制线：4条 。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条 。ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。
　　CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为1MHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
　　3.5 ADC0809应用说明
　　ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机。
　　3.6 ADC0809工作原理
　　8路模拟信号由ADC0809的IN0～IN7端输入，AT89S51单片机的ALE端口输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号（产生CLK信号的方法就得用软件来产生）。A/D转换完成之后，从EOC端返回AT89S51一个转换结束信号，单片机随即用信号将A/D转换的数字输出从D0～D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。A/D转换过程全部结束。再经软件程序转换成a～g 7段码输出，驱动LED数码管。各位数码管由位控信号P3.0、P3.1、P3.2、P3.3控制，由74LS245反相驱动将依次巡回点亮数码管。
3.7 复位电路的设计
　　本设计采用了上电自动复位和手动复位，上电自动复位是再加电瞬间电容通过充电来实现的，其电路如图3.2所示。在充电瞬间，电容C通过复位电阻R充电，RST端出现正脉冲，以复位。只要电源VCC的上升时间不超过1MS,就可以实现自动复位，既接通电源就完成了系统的复位初始化，手动复位是通过按钮实现的。


图3 复位电路
　　3.8 时钟电路的设计
　　任何一块单片机的正常工作都离不开时钟信号，本设计中利用8951内部的高增益反相放大器，外加石英晶体以及两个电容就构成了稳定的自激振荡器。给单片机提供了时钟信号，保持单片机按正常的时序工作。


图4 时钟电路