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1、 单片机技术课程设计说明书智能数据采集系统（数字电压表的设计）专业电气工程及其自动化学生姓名xxx班级电气学号xxx指导教师xxx完成日期2010年 6 月 10 日目 录数字电压表的设计1. 概述2. 系统方案设计3. 系统硬件设计3.1 硬件流程图3.2 硬件电路图3.3 硬件电路图各组成模块分析4. 系统软件设计4.1 主程序流程图4.2 转换结果处理子程序流程图4.3 显示子程序流程图4.4 延时子程序流程图5. 结束语参考文献附录附录1 ：程序清单附录2：设计图纸附录3：元器件目录表智能数据采集系统（数字电压表的设计）1. 概述1.1课题要求设计并且制作基于51单片机的数据采集系统，
2、配置AD转换芯片，编制数据采集系统监控软件，数据采集软件，电位器提供模拟输入量（传感器实验系统提供模拟量输入），将模拟量转换成数字量，通过数码管显示出来，分析数据采集精度。1.2课题内容本文介绍了用ADC0809集成电压转换芯片和89C51单片机设计制作的数字电压表，该数字电压表可以测试的电压范围为051V,并可以将测得的电压值显示在数码管上。在数字电路和显示技术中，为了实现数字显示，需要把连续变化的模拟量变换成数字量，这种变换就是A/D转换。为了使模拟量变换成数字量，必须经过取样、量化过程。量化单位越小，整量化的误差就越小，数字量就越接近连续量本身的值。1.3课题的性质及目的 数字电压表是利
3、用模拟/数字交换器原理，以十进制数字形式显示被测电压值的仪表。数字电压表除广泛用于电压测量外，通过各种变换器还可以测量其它电量和非电量，用途非常广泛。在数字电路和显示技术中，为了实现数字显示，需要把连续变化的模拟量变换成数字量，这种变换就是A/D转换。为了使模拟量变换成数字量，必须经过取样、量化过程。量化单位越小，整量化的误差就越小，数字量就越接近连续量本身的值。模拟种类繁多，包括各种各样的物理量。实际上，很多物理量先别被转换成电压（用各种传感器），然后再由电压转换成数字量，所以电压/数字变化就是A/D转换的重点。用电压/数字变换器（ADC0809）单独做成的测量仪器即为数字电压表。2 .系统
4、方案设计ADC0809是采用逐级比较的方法完成A/D转换，可通过适当的外接电路对电压在05V之间的模拟输入量信号进行转换，为了使其可以测试051V的电压，本任务利用分压器对051V进行分压。从测试端输入的电压(05V1V)经过90K和10K电阻分压后，送到ADC0809输入端的电压大约只有测试端的1/10，经过89C51处理后，将电压值显示在3个数码管上。如测试端输入4.0V的电压时，数码管显示“04.0”。为实现对051V电压的测量，首先将电压模拟量转换为电压的数字量，其中经过抽样和量化过程，这些工作通过ADC0809完成，ADC0809 是CMOS 单片型逐次逼近式AD 转换器，它由8 路
5、模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA 转换器、逐次逼近，寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。单片机控制ADC时，有查询和中断两种方式，为此提出两种方案；方案一：（使用查询方式）采用89C51带4K字节闪烁可编程可擦除之都存储器，具有低电压、高性能的微处理器，此外还有ADC0809（逐级比较型）转换器、如干电阻或电位器、单输入端双D触发器、三态输出的八 D 透明锁存器等图1 以查询方式为控制的硬件接口方案二：（使用中断方式）接线图与查询方式部分相似，其中只需将上图中的ADC0809的EOC引脚经过一非门连接到89C51的INT1引脚即可，当转换结束后，EOC发出一个脉冲向单
6、片机提出中断申请，单片机相应中断请求，有外部中断1的中断服务程序读A/D结果，并启动ADC0809的下一次转换，外部中断采用跳沿触发方式。两种方案的电路各自特点如下：查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行别的程序，同时对0809的EOC引脚的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。具有通用性好，硬件接线和查询程序十分简单，但效率不高中断方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序，0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，此方式效率高，适合变换时间较长的ADC。缺点是需要较
7、多硬件，电路交复杂，耗电量交大，不太适合于普通场合及变换时间要求短的电路中。综上所述采用方案一（查询方式），并对细节进行进一步完善制作。3系统的硬件设计3.1简要硬件流程图如下：模拟电量产生电路(分压电路)ADC0809转换为数字量89C51对ADC0809设置和数字量进行处理CD4511锁存/7段译码驱动器7段数码管显示电压值（3个）图2硬件电路流程图注：本电路相关涉及元器件大体有90千欧和10千姆电阻各1个、ADC0809转换器1个、单输入端双D触发器（74HC74）1个、与非门（74ALS02）2个、89C51芯片1个、三极管（C1815）3个、锁存7段译码驱动器（CD4511）1个、7
8、段数码管3个、导线如干等数字电压表的硬件电路原理图如下图3所示，主要由分压电路、A/D转换、单片机处理、数码管显示等四个模块组成。分压模块如图4所示：由于AD0809的器件本身只能对电压在05V的模拟信号进行转换，为对051V范围内待测电压值准确测定，需使用电位器或电阻进行分压，采用两个并联电阻完成得到在ADC0809工作范围内的转换电压值。A/D转换模块如图4所示：就是直接利用ADC0809芯片对输入量进行转换，模拟量转换成数字量。单片机处理模块如图5所示：对ADC0809的数值进行内部运算，最终产生数码管显示的十进制值，这种方法获得值更加精确，而且处理起来更加灵活。数码管显示模块如图6、图
9、7所示：为产生更加显示效果，数码管采用动态显示的方式，与89C51之间通过锁存7段译码驱动器、上拉电阻连接，便于驱动和满足阻抗匹配、限压分流的作用，此外利用三极管分别工作在饱和区与截止区的不同性能起到数字开关的功效。图3 数字电压表系统原理电路图 图4分压、A/D转换图5 单片机数值处理图6 图7注：三个三极管的集电极分别与三个数码管的COM端相连，锁存7段译码驱动器右端的端口A、B、C、D分别于89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口相连4 系统软件设计数值电压表的控制系统软件主要分为主程序、转换结果处理子程序、显示子程序、延时子程序四个部分。4.1主程序主程序主要负责总体程序
10、管理功能，包括初始化部分与人机交互设定部分。包含了系统运行过程中所需所有子程序，如采用动态扫描方式显示电压数值，因侧主程序就需调用延时、显示程序。主程序流程图如图8所示：4.2转换结果处理子程序此程序主要是单片机对将已经过A/D转换而来的数字进行处理，分高低位的循环执行，进行一系列计算得到最终待测的电压数值，其流程图如下图所示4.3显示子程序 数码管使用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符的段码，分时选通，如此循环下去就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻出现的，而在同一时刻，只有
11、一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，显示间隔短就可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。此方式实质是以牺牲CPU的显示时间来换取器件的减少。流程图如下图所示4.4延时子程序延时子程序流程图如下图所示数码管动态时间间隔时间，其计算如下：250*2=500us ，0.5ms*10=5ms 间隔5ms 流程图如下图所示P1地位清零启动A/D转换查询A/D转换是否结束读取A/D转换结果调用转换值处理程序调用显示程序对数值进行循环动态显示图8 主程序流程图R6赋值（R6=10）R7赋值（R7=250）R7减1R6减1返 回图9 延时子程序显示十分位延时5ms显示个
12、位延时5ms显示十位延时5ms清 0返 回 图10显示子程序进位标志位清零高低位寄存器赋值设置扫描次数低位数字处理过程高位数字处理过程扫面次数检查存储高低位返 回 图11转换结果处理子程5结束语： 在单片机的应用系统中，被测量对象的相关变量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理，它的方法是多样的，宜根据实际情况来进行电路设置于连接。本文的课题是关于智能数据采集系统的设计，在实际工作学习中电力元器件电压表相对接触比较频繁、使用方便、制作简单、随着技术的发展其性能也得到了进一步的完善，
13、有普通的、万能式的在这我们选择以制作数字式电压表为例，来阐述MCS-51单片机与A/D转换器的实际连接与应用，从构思、理论分析、设计、制作、编程、校验等不同环节进行。本课题本着贴近实际使用的原则来对具体元器件进行选择，如选取ADC0809、单片机89C51等，根据具体课题内容设计要求、器件的自身性能规范来组织连接电路，为满足需要，添加必要的辅助元件。本课题中89C51采用查询的方式控制ADC，在单片机把启动信号送到ADC之后，执行别的程序，同时对0809的EOC引脚的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据，利用单片机对数值进行处理换成十进制计数数
14、值，最终通过三个数码管将数值显示出来。区别于一般的转换数值系统，它不是直接显示转换后数值，而是进行二次程序处理数值换成十进制，提高了精确度。此设计方案通用性好，从硬件方面来说，硬件接线十分简单、涉及元器件数量相对减少，从软件方面来说，端口使用量减少、查询程序编写相对简单，适合运用于对转换速度要求不高、效率不高的场合。对于任何的电力系统设计都是以性能作为衡量标准，此电路不足之处在于分压环节阻值搭配影响测量数值精确度，ADC0809逐级式转换器信噪比低、分辨率不高及线性度不稳定的情况。总得来说性能还是有待提高的。参考文献1 刘焕平.童一帆 单片机原理及应用M. 北京:北京邮电大学出版社, 2008
15、.2 求是科技. 单片机典型模块设计实例导航M. 北京:人民邮电出版社, 2005.3 王为青,程国刚. 应用开发技术Keil CX51单片机M. 北京:人民邮电出版社, 2007.4 先锋工作室. 单片机程序设计实例M. 北京:清华大学出版社, 2004.附录1：程序清单附录1.1 主程序清单主程序清单ORG 0000HANL P1，#0F0HSTART： MOV DPTR，#0000H ；ADC0809的地址MOVX DPTR，A ；启动A/D转换JNB P1.7，$ ；查询A/D转换是否结束MOVX A，DPTR ；读取A/D转换结果LCALL CHULI ；调用转换值处理程序MOV R
16、1，#05HUP： LCALL DISP ；调用显示程序DJNZ R1，UPSJMP START附录1.2 转换结果处理子程序程序清单转换结果处理子程序程序清单CHULI： CLR CMOV R5，#00H ；十进制转换的低位寄存器MOV R4，#00H ；十进制转换的高位寄存器MOV R3，#08H ；十进制调整的次数NEXT： RLC A ；将欲转换的高位移入C中MOV R2，A ；暂存于R2ADDC A，R5 ；R5*2加CMOV A，R5DA A ；做十进制调整MOV R5，A ；结果存于R5MOV A，R4 ；R4*2加CADDC A，R4DA A ；做十进制调整MOV R4，A ；
17、结果存于R4DJNZ R3，NEXT ；做十进制调整8次吗？L2： MOV A，R5ADD A，R5 ；R5*2DA A ；做十进制调整MOV R5，A ；结果存于R5MOV A，R4 ；R4*2 ADDC A，R4 ；做十进制调整MOV R4，A ；结果存于R4RET附录1.3显示子程序程序清单显示子程序程序清单DISP： MOV A，R5 ANL A，#0FH ORL A，10H MOV P1，A ；显示十分位 LCALL D5ms MOV A，R5 ANL A，#0F0H SWAP A ORL A，#20H MOV P1，A ；显示个位 LCALL D5ms MOV A，R4 ANL A
18、，#0FH ORL A，#40H MOV P1，A ；显示十位 LCALL D5ms CLR A RET附录1.4显示子程序程序清单显示子程序程序清单D5ms： MOV R6，#10D5ms1： MOV R7，#250 DJNZ R7，$ DJNZ R6，D5ms1 RET 附录2：设计图纸附录3：元器件目录表名称型号/数值数量待测电压源051V1A/D转换器ADC08091单输入端双D触发器74HC741与非门74ALS022单片机89C511三极管C18153锁存7段译码驱动器CD45111数码显像管共阴极3电源/VCC5V若干电阻90K1电阻10K1电阻6.8K1电阻470欧7电容30pF 2电容10uF1晶振12MHz1
