1 引言 .......................................................................................................................................... 1 2 设计要求及思路 ...................................................................................................................... 2 2.1设计要求 ....................................................................................................................................................................... 2 2.2设计思路 ............................................................................................................................ 2 3 硬件选择和电路设计 .............................................................................................................. 3 3.1硬件选择 ............................................................................................................................ 3 3.1.1 A/D转换器ADC0808............................................................................................... 3 3.1.2 AT89C51..................................................................................................................... 4 3.1.3 七段共阳极数码管 ................................................................................................... 6 3.2电路设计 ............................................................................................................................ 6 3.2.1 主电路部分 ............................................................................................................... 6 3.2.2 显示电路 ................................................................................................................... 7 3.2.3 八路电压生成电路 ................................................................................................... 7 3.2.4 通道选择电路 ........................................................................................................... 8 3.2.5 整体电路 ................................................................................................................... 8 4 软件设计与说明 .................................................................................................................... 10 4.1 PROTEUS软件简介 ........................................................................................................ 10 4.1.1 Proteus ISIS的启动................................................................................................. 10 4.1.2 Proteus ISIS的工作界面..........................................................................................11 4.2 KEIL简介 .........................................................................................................................11 4.3 程序的总体设计 .............................................................................................................. 13 4.4 模数转换 .......................................................................................................................... 14 4.5 数据处理及转换 .............................................................................................................. 14 5 系统的调试及仿真 ................................................................................................................ 16 5.1 系统的调试 ...................................................................................................................... 16 5.2 系统的仿真 ...................................................................................................................... 16 5.2.1 单路显示的仿真 ..................................................................................................... 16 5.2.2 多路显示的仿真 ..................................................................................................... 17 6心得体会 ................................................................................................................................. 18 参考文献 .................................................................................................................................... 19 附录 ............................................................................................................................................ 20
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1 引言
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。它是一门实践性很强的技术，不仅需要掌握硬件电路没计，同时要求学习者掌握一门编程语言，汇编或者C语言等，因此给广大初学者的学习带来了很大的难度。
在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，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、离散的数字量形式并加以显示的仪表。传统的指针式刻度电压表功能单一，精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，读取简单，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，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，展示出强大的生命力。因此本次课程设计要求学生自己设计一个数字电压表，可以加强学生对单片机应用的理解，通过实践提高学生的动手动脑能力。
以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。
本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数装置LED显示数字电压信号。
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2 设计要求及思路
2.1设计要求
1.以MCS-51系列单片机为核心控制器件，组成一个简单的直流数字电压表。 2.采用8路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值。
3.电压显示用4位一体的LED数码管显示，第一位显示通道号，后面三位显示测量电压值，电压值精确到小数点后两位，测量最小分辨率为0.02V。
2.2设计思路
1.根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。 2.A/D转换采用ADC0808实现，与单片机的接口为P0口引脚。 3.电压显示采用4位一体的LED数码管。
4.LED数码的段码输入,由并行端口P1产生：位码输入，用并行端口P2低四位产生。
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3 硬件选择和电路设计
3.1硬件选择
3.1.1 A/D转换器ADC0808
IN0～IN7：为模拟量的输入口,我们选取IN3口为入口，外接可变电阻，通过改变阻值来控制模拟量的输入。
A、B、C：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。 ALE：地址锁存启动信号,在ALE的上升沿,将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。
D0～D7：八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。 OE：允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 START：启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。
EOC：转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 CLK：时钟输入信号，选用频率500KHZ。
多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存与译码。管脚图如图3-1所示。
图3-1 ADC0808管脚图
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3.1.2 AT89C51
VCC：供电电压。 GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位
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字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
N PSE：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周
期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示。
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图3-2 AT89C51管脚图
3.1.3 七段共阳极数码管
设计中采用的是4个8段LED数码管来显示通道值和电压值。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，它由8个发光二极管组成，其中7个按„8‟字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。把8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我采用共阳极接法。当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。数码管的显示是由I/O输出要显示的值的驱动信号完成的，并且每一位数码管要接片选信号，在动态显示的情况下进行输出显示。
3.2电路设计
3.2.1 主电路部分
主电路部分主要是89C51和0808之间的连接，以及外部时钟电路和复位电路。时钟电路为89C51提供12MHZ的时钟，当系统出现异常时通过复位电路来为系统复位。图中用节点的方式对每个端口进行连接，这样电路看上去比较清晰，通过ADC0808芯片采样输入口IN0~IN7输入的0～5 V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89C51芯片的P0口。AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码，并通过其P1口传送给数码管。
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同时它还通过其P2口的低四位产生位选信号，控制数码管的亮灭，实现动态显示。P2.6控制ADC0808的地址锁存启动信号(ALE)和启动信号输入端(START)；P2.4控ADC0808的输出允许端(OE)；P2.5连接ADC0808的转换结束信号(EOC)。如图3-3所示：
图3-3 主电路图
3.2.2 显示电路
显示电路由四个七段数码管组成，数据输入端A，B，C，D，E，F，G，DP分别接于89C51的P1.0~P1.7。片选端口1，2，3，4接于P2口的第四位P2.0~P2.3。通过对这四个端口分别送入低电平实现位选。第一位为通道显示位，第二，三，四为分别为电压整数位，十分位和百分位。如图3-4所示：
图3-4 显示电路图
3.2.3 八路电压生成电路
该电路生成八路电压值，并配有电压表（实际电路没有），用来检验实际所得电压值正确与否，从左至右分别接于IN0~IN7。如图3-5所示：
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图3-5 八路电压生成电路
3.2.4 通道选择电路
如图3-6所示，SW1接于P2.7口，用于选择电路显示或多路循环，当其打开时为单路显示，闭合时为多路循环。SW2,SW3,SW4分别接于P3.6,P3.5,P3.4口，用于单路显示时选择那个通道的电压输入，以三位二进制的形式表示路数。
图3-6 通道选择电路
3.2.5 整体电路
将上述部件连接在一起就组成了一下完整的电路图，其中大部分用节点对应的方式连接，这样整个电路图的每一个模块看上去会更加清晰，如图3-7所示：
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图3-7 整体电路图
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4 软件设计与说明
4.1 PROTEUS软件简介
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
4.1.1 Proteus ISIS的启动
双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程
序”→“Proteus 6 Professional” →“ISIS 6 Professional”，出现如图4-1所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。
图4-1 启动时的屏幕
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4.1.2 Proteus ISIS的工作界面
Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图4-2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
图4-2 Proteus ISIS的工作界面
4.2 KEIL简介
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。
Keil C51的安装与WINDOWS下的其他程序安装过程及其类似，不再叙述，安装启动后其界面如图4-3所示。
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图4-3 KEIL启动界面
在使用时首先要建立工程，通过点击“Project”（工程）菜单下面的“New Project”（新建工程），来新建一个工程。软件弹出“Create New Project”（创建新工程）窗口。如图4-4所示。
图4-4 创建新工程界面
为工程输入文件名后，点击“保存”按钮，软件将弹出“Select Device for Target”（选择MCU）窗口。只需根据自己工程的需要选择相应的MCU，然后点击“确定”按钮就可以了，如图4-5所示。
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图4-5 选择单片机界面
这里根据系统设计，选择Atmel公司的AT89C51，确定后就完成了整个工程的初步建立。
下面需要创建源文件并将源文件加入工程。首先点击“File”下面的“New”菜单，或者直接点击工具栏中的新建按钮，软件将弹出源文件编辑窗，编辑好的源文件如图4-6所示。在KEIL下的调试过程也很简单与VC等通用的编译器很相似，这里就不再叙述。
图4-6 编辑源程序界面
4.3 程序的总体设计
分别用LED_3,LED2,LED_1,LED_0代表四位数码管的显示数据地址，用开关选择显示方式是单路显示还是循环显示，如果是单路显示则读入路数值存入LED_3,切换到循环显示后通过对R0的加一使路数循环。把R0的内容送到LED_3中，启动AD转换，然后将转换结果送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到LED中显示。每显示一次在对显示方式做一次判断，之后进行下一次显示。如此循环就可是实现两种模式的的电压显示。程序流程图如图4-7所示：
开 始 13 定时器初始化 课程设计说明书
图4-7 程序流程图
4.4 模数转换
进行模数转换时先给A、B、C三路送出地址，接着给ALE和START引脚送一个正脉冲，锁存地址并启动ADC0808，然后AT89C51对ECO引脚进行查询，当ADC0808结束AD转换后ECO引脚有效，接着AT89C51给OE置1通过P1口读入转换结果。
在软件设计中，由于我们对单片机知识还没能很熟练的掌握，用中断方式较复杂，且这个程序CPU工作量不大，查询方式对速度不会产生影响，所以我们采用查询方式，确保仿真的进度和准确度。
4.5 数据处理及转换
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由于ADC0808转换后结果为二进制数，所以读取的结果必须转换为BCD码才可以显示正确结果。参考电压为5V，转换后的每一位代表5/256V。将转换结果除以51得到得整数位存入LED_2，余数部分每一位近似等于0.02V，将余数乘以2。结果每一位就等于0.01V。再把乘的结果除以10就得到电压的十分位和百分位。把结果分别送入LED_1、LED_0。LED_2,LED_1,LED_0中的结果就是电压值的整数位、十分位、百分位。
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5 系统的调试及仿真
5.1 系统的调试
程序调试过程还算顺利，在几次修改后KEIL编译通过产生HEX文件。但是把程序下载到AT89C51后LED显示的结果不是同时显示四位而是逐为显示，检查程序后发现显示子程序动态显示的延时太大了，修改延时后四位同时电亮。调节循环显示开关和路选择开关发现应该显示路显示位应该显示5的时候显示9，应该显示6的时候显示8。仔细查找后发现LED显示器的B引脚与电源短接了，改正后结果正常。
当循环开关闭合后LED显示器依次显示0-7路的路数和电压值，循环开关关闭后LED显示器显示路选择开关选择的路数及电压值。变换环线变阻器触头的位置即改变输入电压，将显示的电压值与电压表读的电压值比较结果误0.02以内。设计基本满足了要求。
5.2 系统的仿真
5.2.1 单路显示的仿真
单路显示时，开关SW1打开，后面的三个开关组成二进制数011,即选择第三路的电压测量，从数码管上可以读出第三路的电压值。其中第一位为路数，后三位为电压值。如图5-1所示：
图5-1 单路显示仿真图
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5.2.2 多路显示的仿真
多路显示时，只需将SW1开关闭合即可。这时后面的三个路数选择开关失效，数码管上循环显示各路的电压值，其中0路，1路显示结果如图5-2，图5-3，所示：
图5-2 多路显示时0路仿真图
图5-3 多路显示时1路仿真图
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6心得体会
做了一周的课程设计，我基本上圆满的完成了课设的相关任务，达到了课程设计的技术要求，相信这对以后也是有帮助的。通过课程设计这一实践环节，我对这个学期以来所学到知识有了更深层的理解，而且自己分析问题和解决实际问题的能力也有一定的提高。
同时在这个过程中我也发现了自己许多的不足，包括对所学的基础知识理解不是很透彻，以至于电路设计了很长时间，最后还得连夜赶着写论文。还有对理论知识的运用不很灵活，常常在一个问题想半天，结果还是换一个角度好一点。
本设计以AT89C51单片机为控制核心，通过集成摸数转换芯片ADC0808将被测信号转换成数字信号，经单片机内部程序处理后，由七段数码管显示测量结果。仿真测试表明，系统性能良好，测量读数稳定易读、更新速度合理，直流电压测量范围为0.00～5.00V，最小分辨率为0.02V，满足任务书指标要求。但是，该系统也存在一定程度的不足，例如：输入电压易发生干扰不稳定，且驱动能力可能存在不足，需在被测信号的输入端加上一部分驱动电路，比如将量程转换电路改成带放大能力的自动量程转换电路，将幅值较小的信号经适当放大后再测量，可显著提高精度。
认真的做完这次课程设计实践后，我自己感觉在这些都有了很大的提高。但由于时间原因，这次课程设计没能达到自己预想那么好，但所幸的是功夫不负有心人，所有功能指标都已基本实现了。在接下来的时间里，我会继续把它做好。最后我还总结出了一个结论，当认真的投入到一项工作中时，不但会得到许多收获，还会感觉到很大的乐趣。
在此，感谢老师的悉心指导及同学们的帮助。
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参考文献
[1] 叶挺秀.应用电子学[M].杭州:浙江大学出版社,1994
[2] 朱承高.电工及电子技术手册[M].北京:高等教育出版社,1990 [3] 阎石.数字电子技术（第三版）[M].北京: 高等教育出版社,1989
[4] 憨态林，李红，于林韬.单片机原理及应用（第三版）[M].电子工业出版社,2005 [5] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].清华大学出版社,2000
[6] 李朝青. 单片机原理及其接口技术[M].北京航空航天大学出版社,1990
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附录
源程序：
LED_0 LED_1 LED_2 LED_3 ADC EQU ST EOC EQU OE
START:
LOOP: LOOP2:
LOOP1:
EQU 30H EQU 31H EQU
32H
EQU 33H 35H EQU P2.6
P2.5 EQU P2.4 ORG 0000H SJMP START ORG
0030H MOV LED_0,#00H MOV LED_1,#00H MOV
LED_2,#00H
MOV LED_3,#00H MOV
DPTR,#TABLE MOV R0,#00H
JNB P2.7,LOOP1 MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3 ANL A,#70H SWAP A MOV P3,A MOV LED_3,A LCALL LED LCALL DISP1 SJMP LOOP INC
R0
MOV P3,R0 MOV LED_3,R0 LCALL LED
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DEC LED_3 LCALL DISP0
CJNE R0,#08H,LOOP2
SJMP LOOP LED: CLR SETB
CLR
JNB SETB MOV CLR MOV MOV DIV MOV MOV
MOV MUL MOV DIV MOV
MOV
RET
DISP0: MOV SJMP DISP1: MOV DISP2: MOV MOVC CLR MOV
LCALL SETB MOV
MOVC
CLR
ST ST ST
EOC,$
OE ADC,P0 OE A,ADC B,#51 AB LED_2,A A,B
B,#2 AB B,#10 AB LED_1,A LED_0,B
R5,#30H DISP2 R5,#1 A,LED_0 A,@A+DPTR P2.3 P1,A
DELAY1 P2.3 A,LED_1
A,@A+DPTR P2.2
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DELAY1: D1:
TABLE:
MOV
P1,A
LCALL DELAY1 SETB P2.2 MOV
A,LED_2
MOVC A,@A+DPTR CLR P2.1 MOV
P1,A
SETB P1.7 LCALL DELAY1 SETB
P2.1
CLR P1.7 MOV A,LED_3 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.0 MOV P1,A LCALL DELAY1 SETB P2.0 DJNZ R5,DISP2 RET MOV R7,#10
MOV R6,#250 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1
RET DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
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