目录
第1章绪论 (3)
第2章设计总体方案 (4)
2.1设计要求 (4)
2.2 设计思路 (4)
2.3 设计方案 (4)
第3章硬件电路设计 (5)
3.1 AD转换模块 (5)
3.1.1 逐次逼近型AD转换器原理 (5)
3.1.2 ADC0808 主要特性 (6)
3.1.3ADC0808的外部引脚特征 (6)
3.1.4 ADC0808的内部结构及工作流程 (7)
3.2 单片机系统 (9)
3.2.1 AT89C51性能 (9)
3.2.2 AT89C51各引脚功能 (9)
3.3 复位电路和时钟电路 (10)
3.3.1 复位电路设计 (10)
3.3.2 时钟电路设计 (11)
3.4 LED显示系统设计 (12)
3.4.1 LED基本结构 (12)
3.4.2 LED显示器的选择 (12)
3.4.3 LED译码方式 (13)
3.4.4 LED显示器与单片机接口设计 (14)
3.5 总体电路设计 (14)
第4章程序设计 (16)
4.1 程序设计总方案 (16)
4.2 系统子程序设计 (16)
4.2.1 初始化程序 (16)
4.2.2 AD转换子程序 (16)
4.2.3 显示子程序 (17)
4.2.4程序代码 (17)
第5章总结 (20)
参考文献 (21)
致谢 (22)
第1章绪论
什么是数字电压表？数字电压表就是采用数字化技术，把需要测量的直流电压转换成数字形式，并显示出来。通过单片机技术，设计出来的数字电压表具有精度高，抗干扰能力强的特点。通过网上资料显示，目前由各种AD转换器构成的数字电压表已经广泛的应用于电工测量，工业自动化仪表等各个领域。
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。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。
目前，数字电压表的内部核心部件是AD转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。
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，AD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，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。
第2章设计总体方案
2.1设计要求
⑴在MCS-51系列单片机的基础上，组成一个直流数字电压表。
⑵采用1路模拟量输入，能够测量0-5V之间的直流电压值。
⑶电压显示用4位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。
2.2 设计思路
⑴基于AT89C51单片机来设计。
⑵用ADC0808芯片做为AD转换器，与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。
⑶电压的输出显示采用4位一体的LED数码管。
⑷LED数码的段码输入,由并行端口P0产生：位码输入，用并行端口P2低四位产生。
2.3 设计方案
电路由以下六个部分组成;1. AD转换电路，2.AT89C51单片机系统，3.LED 显示系统、4.时钟电路、5.复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。
第3章硬件电路设计
3.1 AD转换模块
现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模数转换器（AD转换器），AD转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种AD芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。逼近式AD转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。逐次逼近型AD转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用[1]。
3.1.1 逐次逼近型AD转换器原理
逐次逼近型AD转换器是由一个比较器、AD转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。
转换过程如下：
开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入AD转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图2所示：
3.1.2 ADC0808 主要特性
ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换. ADC0808主要特性:8路8位AD转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V。
3.1.3ADC0808的外部引脚特征
ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。
图3 ADC0808引脚图
下面说明各个引脚功能:
IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。
地址输入控制（4条）：
ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行AD转换。
ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：
表1 ADC0808通道选择表
START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。
EOC: EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示AD转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。
D1-D8：数字量输出端，D1为高位。
OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。
REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。
Vcc、GND: Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起.
CLK:时钟输入端。
3.1.4 ADC0808的内部结构及工作流程
ADC0808由8路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8位开关树型AD转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图4所示。
图4 ADC0808的内部结构
其中：
（1）8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。
（2）地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时，锁存从ADDA、ADDB、ADDC 3根地址线上送来的3位地址，译码后产生通道选择信号，从8路模拟通道中选择当前模拟通道。
（3）比较器，8位开关树型AD转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成8位AD转换器，当START信号有效时，就开始对当前通道的模拟信号进行转换，转换完成后，把转换得到的数字量送到8位三态锁存器，同时通过引脚送出转换结束信号。
（4）三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当OE信号有效时，把转换的结果送出。
ADC0808的工作流程为：
（1）输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中，经地址译码器从8路模拟通道中选通1路模拟量送给比较器。
（2）送START一高脉冲，START的上升沿使逐次寄存器复位，下降沿启动AD转换，并使EOC信号为低电平。
（3）当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器中，并使EOC信号回到高电平，通知CPU已转换结束。
（4）当CPU执行一读数据指令时，使OE为高电平，则从输出端D0-D7读出数据。
3.2 单片机系统
3.2.1 AT89C51性能
ADC0808主要特性:8路8位AD转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW[6]。
3.2.2 AT89C51各引脚功能
AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP 封装形式，引脚配置如图5所示。
图5 AT89C51的引脚图
表2 P3口各位的第二功能
3.3 复位电路和时钟电路
3.3.1 复位电路设计
单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51
就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。
图6 复位电路
3.3.2 时钟电路设计
单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。
本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图7所示。
图7 时钟电路
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。
3.4 LED显示系统设计
3.4.1 LED基本结构
LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器
由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。LED引脚排列如下图8所示:
图8 LED的基本结构
3.4.2 LED显示器的选择
在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。
4-LED显示器引脚如图9所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
图9 4位LED引脚
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个IO接口控制）显示。
3.4.3 LED译码方式
译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。
由于本设计采用的是共阴极LED，其对应的字符和字段码如下表3.3所示。
表3.3 共阴极字段码表
3.4.4 LED显示器与单片机接口设计
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。
为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口德驱动能力，使得LED能按正常的亮度显示数字，如图10所示
图10 LED与单片机接口间的设置
3.5 总体电路设计
经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图11所示。
图11 简易数字电压表电路图
此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），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P1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传送给四位LED，同时它还通过其四位IO口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0808的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波，接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动AD转换，P2.5检测AD转换是否完成，转换完成后，P2.7置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来]。
简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。
第4章程序设计
4.1 程序设计总方案
根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，AD转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。
图12 数字式直流电压表主程序框图
4.2 系统子程序设计
4.2.1 初始化程序
所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等[9]。
4.2.2 AD转换子程序
AD转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图13所示。
图13 AD转换流程图
4.2.3 显示子程序
显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。
在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。
4.2.4程序代码
LED_0 EQU 30H
LED_1 EQU 31H
LED_2 EQU 32H
ADC EQU 35H
CLOCK BIT P2.4
ST BIT P2.5
EOC BIT P2.6
OE BIT P2.7
ORG 00H
SJMP START
ORG 0BH
LJMP INT_T0
START: MOV LED_0, #00H
MOV P2, #0FFH
MOV LED_1, #00H
MOV LED_2, #00H
MOV DPTR, #TABLE
MOV TMOD, #02H
MOV TH0, #245H
MOV TL0, #00H
MOV IE, #82H
SETB TR0 WAIT: CLR ST
SETB STH
CLR ST
JNB EOC, $
SETB OE
MOV ADC, P1
CLR OE
MOV A, ADC
MOV B, #51
DIV AB
MOV LED_2, A MOV A, B
MOV B, #5
DIV AB
MOV LED_1, A
MOV LED_0, B
LCALL DISP
SJMP WAIT
INT_T0: CPL, CLOCK RETI
DISP: MOV A, LED_0 MOVC A, @A+DPTR
CLR P2.3
MOV P0, A
LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A, LED_1
CLR P2.2
MOV P0, A
LCALL DELAY
SETB P2.2
MOV A, LED_2
MOVC A, @A+DPTRL
CLR P2.1
ORL A, #80H
MOV P0, A
LCALL DELAY
SETB P2.1
RET
DELAY: MOV R6, #10
D1: MOV R7, #250
DJNZ R7, $
DJNZ R6, D1
RET
TABLE: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H DB 6DH, 7DH, 07H, 7FH, 6FH
END
第5章总结
经过一段时间的努力，课程设计基于单片机的简易数字电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus 和Keil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。
基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真。
通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模数转换芯片ADC0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。
总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。
参考文献
1张友德：《单片微型机原理、应用和实验》电子工业出版社。
2吴经国：《单片机应用技术》中国电力出版社。
3李群芳：《单片机微型计算机与接口技术》电工业出版社。
4王吉鹏等：《微机原理与接口技术》高等教育出版社。
5张晔等：《单片机应用技术》高等教育出版社。
6李建忠：《单片机原理及应用》西安电子科技大学出版社。2004年
7谢自美.《电子线路设计·实验·测试》（第二版）华中理工出版社,2000
8郭天祥：《新概念51单片机C语言教程》电子工业出版社
9王永华：《现代电气控制及PLC应用技术》（第三版）北京航空航天大学出版社
10吴刚袁燕《AD变换器性能的分析与测量》
11陈传硕王新成《数字测量仪表》中国计量出版社
12张建志《数字显示测量仪表》中国计量出版社13沙占友《新型数字电压表原理与应用》
致谢
在本次论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多的素材，还在炉温撰写和排版过程中提供热情帮助，由于我的水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师们给予批评和指正，三年的大学生活在这个季节即将划上一个句话，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始，三年来的求学生涯，在老师、同学们的帮助下，走得辛苦却也收获颇丰。可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给每一位教过我的老师，在相处的日子中，老师们严谨的治学，渊博的学识，深邃的思想，雄阔的视野，为我营造了一种良好的精神氛围，授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式从论文题目的选定到论文写作的指导，经由您悉心的点拨，再经思考后的领悟，常常让我有山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在和老师的沟通交流的过程中我们对设计有了新的认识，并且对实物的连接与布局有了新的看法，对我们的专业有了进一步的认识，希望在以后的实验中吸取更多地经验学会更多的实践知识，再次感谢自控系的所有老师，祝愿你们在今后工作生活中一帆风顺，心想事成。