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单击此处编辑母版标题样式,项目,7,简单数字电压表的设计,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,模块,7,简单数字电压表的设计,7.1,项目描述,7.2,项目目的与要求,7.3,项目支撑知识链接,7.4,项目实施,项目小结,项目拓展技能与练习,【,项目导入,】,工业测控领域的测量信号大多是模拟量，这些模拟量要送入单片机进行处理就必须进行模,/,数转换,(A/D,转换,),，经过,A/D,转换的信息就可以通过,I/O,口进行输出显示。单片机的,A/D,应用在工业控制领域十分广泛，在此我们通过数字电压表的设计来讲述单片机的,A/D,转换和数码管的接口显示电路，以便让读者掌握,A/D,转换器和数码管显示在单片机控制系统中的应用。,【,项目目标,】,1.,知识目标,(1),理解,A/D,转换器的基本原理；,(2),掌握,A/D,转换器与单片机的接口使用；,(3),掌握数码管与单片机的接口连接。,2.,能力目标,(1),能够正确使用,A/D,转换器；,(2),能够设计单片机与,A/D,转换器的接口电路；,(3),能编程控制,A/D,转换器的数据转换；,(4),能够设计单片机与数码管的接口电路。,7.1,项 目 描 述,A/D,转换在工业控制与测量领域有着广泛的应用，比如电压表。本项目就通过设计一块电压表来讲述,A/D,转换的基本原理、,A/D,转换的基本接口电路和,A/D,转换的编程以及,LED,数码管接口显示电路的设计。本项目中转换电路采用常用的,A/D,转换芯片,ADC0809,，测量电压范围为直流电压,0,5 V,，用,LED,数码管显示转换的电压值。,7.2,项目目的与要求,本项目的目的就是使用单片机,AT89C51,、,ADC0809,转换器、数码管设计一块数字电压表，该电压表能够准确测量,0,5 V,之间的直流电压值，其测量最小分辨率为,0.02 V,。项目在实施过程中需要解决以下关键问题。,(1)ADC0809,芯片的转换特性以及它与单片机的接口电路；,(2)LED,数码管显示原理及接口电路设计；,(3),单片机,C,语言及程序设计。,7.3,项目支撑知识链接,7.3.1 A/D,转换器及其接口电路,1,A/D,转换器单片机只能接收二进制数，但是在单片机构成的系统中，许多输入量都是非数字信号的模拟量，比如速度、压力、流量、温度等。这些模拟量要送入单片机进行处理，就必须转换成数字信号。,A/D,转换的作用就是把模拟量转换成单片机能够接收的数字量。因此人们把实现模,/,数转换的部件称为,A/D,转换器。,1)A/D,转换器的性能指标性能指标是选用,A/D,转换芯片的依据，也是衡量芯片质量的重要参数。,A/D,转换器的性能指标主要由以下几个。,(1),分辨率。分辨率表示输出数字量变化的一个最低有效位,(Least Significant Bit,，,LSB),所对应的输入模拟电压的变化量，一般定义为转换器的满刻度电压,(,基准电压,)VFSR,与,2n,之间的比值，即分辨率,=VFSR/2n,，其中,n,为,A/D,转换器输出的二进制位数，,n,越大，分辨率越高。,例如，,A/D,转换器,ADC0809,的分辨率为,8,位，即该转换器的输出数据可以用,2,8,个二进制数进行量化，其分辨率为,1LSB,，用百分数来表示为,1/2,8,100%=(1/256)100%0.3906%,。当电压为,5 V,，可分辨的最小电压是,19.5 mV,。,(2),量化误差。模拟量是连续的，而数字量是断续的，当,A/D,转换器的位数固定后，数字量不能把模拟量所有的值都精确地表示出来，这种由,A/D,转换器有限分辨率所造成的真实值与转换值之间的误差称为量化误差。一般量化误差为数字量的最低有效位所表示的模拟量，理想的量化误差容限是,1/2LSB,。,(3),转换时间。,A/D,转换器完成一次,A/D,转换所需要的时间。转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。当需要,A/D,转换的模拟量变化较快时，就需选择转换时间短的,A/D,转换器，否则会引起较大误差。转换时间的倒数就是转换速率。,(4),转换精度。转换精度是一个实际的,A/D,转换器和理想的,A/D,转换器相比的转换误差。绝对精度一般以,LSB,为单位给出，相对精度则是绝对精度与满量程的比值。,(5),温度系数。温度系数表示,A/D,转换器受温度影响的程度。一般用环境温度变化,1,所产生的相对误差来表示，单位是,ppm/(10,6,/),。,2)A/D,转换器的基本原理由于模拟量在时间和数值上是连续的，而数字量在时间和数值上是离散的，所以转换时不仅要在时间上对模拟信号离散化,(,即采样,),，而且还要在数值上离散化，一般步骤如图,7-1,所示。,图,7-1 A/D,转换器的基本原理,(1),采样与保持。采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量。取样定理：设取样脉冲,s(t,),的频率为,f,s,，输入模拟信号,x(t,),的最高频率分量为,f,max,，必须满足,f,s,2f,max,，,y(t,),才可以正确地反映输入信号,(,从而能不失真地恢复原模拟信号,),。取样的具体过程如图,7-2,所示。,图,7-2 A/D,转换过程中的采样,由于,A/D,转换需要一定的时间，因此在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。采样后保持的过程如图,7-3,所示。,图,7-3,采样,保持电路及输出波形,s(t,),有效期间，开关管,VT,导通，,u,I,向,C,充电，,u,O,(=,u,I,),跟随,u,I,的变化而变化；,s(t,),无效期间，开关管,VT,截止，,u,O,(=,u,C,),保持不变，直到下次采样。由于集成运放,A,具有很高的输入阻抗，因此在保持阶段，电容,C,上所存电荷不易泄放。,(2),量化和编码。数字量最小单位所对应的最小量值叫作量化单位,。将采样,-,保持电路的输出电压化为量化单位,的整数倍的过程叫作量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫作编码。,一个,n,位二进制数只能表示,2,n,个量化电平，量化过程中不可避免地会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级别分得越多,(n,越大,),，量化误差越小。电平量化的过程如图,7-4,所示。,图,7-4,划分量化电平的两种方法,2,常用,A/D,器件的接口电路,1)ADC0809,简介,ADC0809,是一种逐次逼近式,8,路模拟量输入、,8,位数字量输出的,A/D,转换器。其内部有一个,8,通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，仅选通,8,路模拟输入信号中的一个进行,A/D,转换。,ADC0809,的主要特性如下：,(1),分辨率为,8,位。,(2),转换时间为,100,s,。,(3),单一电源为,+5 V,。,(4),模拟输入电压范围为,0,5 V,，不需要零点和满刻度校准。,(5),具有可控三态输出缓存器。,(6),启动转换控制为脉冲式,(,正脉冲,),，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使,A/D,转换开始。,(7),工作范围温度为,40,85,。,(8),低功耗，约为,15,mW,。,ADC0809,的内部逻辑结构图如图,7-5,所示。由图可以看出，,ADC0809,由一个,8,路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个,A/D,转换器和一个三态输出锁存器构成。多路开关可选通,8,个模拟通道，允许,8,路模拟通道分时输入，供,A/D,转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存,A/D,转换完成的数字量，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。,图,7-5 ADC0809,的内部逻辑图,2)ADC0809,引脚功能,ADC0809,引脚如图,7-6,所示。由引脚图可见，,ADC0809,共有,28,个引脚，采用双列直插式封装。,ADC0809,虽然有,8,路模拟通道可以同时输入,8,路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。其主要引脚的功能如下：,图,7-6 ADC0809,引脚,(1)START,：,A/D,转换启动信号端。,START,端输入下降沿时启动芯片，开始,A/D,转换，在数据转换期间该引脚需要保持低电平状态；,START,端输入上升沿时复位。,(2)EOC,：转换结束信号输出端。,EOC=0,时，表示正在进行转换；,EOC=1,时，表示转换结束。该端既可以作为查询的状态标志，也可以作为中断请求信号。,(3)OE,：输出允许信号端，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换后的数字量。,OE=0,时，输出数据线呈高阻；,OE=1,时，输出转换得到的数据。,(4)CLOCK,：时钟信号端。由于,ADC0809,内部没有时钟发生装置，因此该引脚用于连接外部时钟，时钟频率在,10,1280 kHz,之间。,(5),Vcc,和,GND,：,Vcc,为电源端，接,5 V,；,GND,为接地端。,(6)VREF(+),和,VREF(,),：正、负基准电压输入端。,(7)ALE,：地址锁存允许端，高电平有效，用于将,ADDA,ADDC,地址状态送入地址锁存器。,(8)IN0,IN7,：,8,路模拟信号输入端。,(9)D0,D7,：,8,位数字量输出端，可以与单片机直接相连。,(10)ADDA,ADDC,：地址输入线，用于选择通道，其选择结果见表,7-1,。,从前面的引脚功能可以看出，只有在,ALE,信号有效时，,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,输入的通道地址才被锁存。启动信号,START,启动后开始转换，但是,EOC,信号是在,START,的下降沿到来,10,s,后才变为无效的低电平。这要求查询程序待,EOC,无效后再开始查询，转换结束后由,OE,产生信号输出数据。,3,ADC0809,与,51,单片机的接口及应用,ADC0809,与,89C51,的典型连接电路如图,7-7,所示。电路的连接主要涉及两个问题：一是,8,路模拟信号通道的选择，二是,A/D,转换完成后转换数据的传送。,图,7-7 ADC0809,与单片机的连接,1),模拟通道的选择在图,7-7,中模拟通道选择信号,ADDA,、,ADDB,和,ADDC,分别接低三位地址,A0,、,A1,、,A2(,即,P0.0,、,P0.1,、,P0.2),，而地址锁存允许信号,ALE,由,P2.0,控制，则,8,路模拟通道的地址为,0FEF8H,0FEFFH,。此外，通道地址选择以作写选通信号。,图中把,ALE,信号与,START,信号连接在一起，这样可以使得在信号的前沿写入通道地址，紧接着在其后沿就可以启动转换。,ADC0809,的启动信号,START,由片选线,P2.0,与写信号的“或非”产生。这要求一条向,ADC0809,写操作指令来启动转换：,#define ADDIN0 XBYTE0 xfef0 /,定义,0809,的口地址,ADDIN0=0 x00;/,启动,A/D,转换,(INT0),2),转换数据的传送,A/D,转换后的数据应及时传送给单片机进行处理。数据的传送可采用下述三种方式：,(1),定时传送方式。对于一种,A/D,转换来说，转换时间作为一项技术指标是已知和固定的，因此可采用延时子程序处理。在,A/D,转换启动后就调用延时子程序，时间延时已到，转换就完成了，然后就可进行数据传送。,(2),查询方式。,A/D,转换芯片有转换完成的状态信息，例如,ADC0809,的,EOC,引脚，因此可采用查询方式测试,EOC,的状态，即可知道转换是否完成，并确定何时进行数据传送。,(3),中断方式。把转换完成的状态信号,(EOC),作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管采用上述哪种方式，只要确定转换完成，就可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效,(OE,信号即有效,),时，将数据送上数据总线，供单片机读取。,【,例,7-1】,在图,7-7,所示的接口电路设计中实现,8,路模拟量输入，该系统为巡回监测系统。过程分析：,ADC0809,的,8,路通道地址为,0FEF0H,0FEF8H,。在,51,程序设计中，要访问外部,RAM,器件，需通过,XBYTE,指令定义在本系统中。,ADC0809,的通道,0,的地址为,0 xfef0,，读取该通道值的语句为,ad_value,=XBYTE0 xfef0,。,程序设计如下：,#include,#include,#define AD0809 0 xfef0,sbit,P3_5=P35;,Unsigned char,dat,=0 xff;,Unsigned char,channel_num,=0 x00;,Unsigned char ad_value8;,/*,主程序*,/,main()IT1=1;EA=1;EX1=1;XBYTEAD0809+channel_num=0 x00;/,启动,ADC0809 While(1);/*,主程序*,/Void Int1_Int1SR()interrupt 2,ad_valuechannel_num,=XBYTEAD0809+channel_num;,channel_num,+;,XBYTEAD0809+channel_num=0 x00;/,重新启动,ADC0809,If(channel_num,=8),channel_num,=0;,7.3.2 LED,数码管显示控制技术,1,LED,数码管在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，则使用,LED,数码管是一种较好的选择。,LED,数码管即为发光二极管显示器,(Light Emitting Diode,，,LED),，具有显示醒目、成本低、配置灵活、接口方便等特点。单片机应用系统中常用它来显示系统的工作状态和采集的信息输入数值等。,1)LED,数码管简介,LED,数码管显示器由,8,只发光二极管组成。,7,只发光二极管排成“,8”,字形，另一段构成小数点，各段标记如图,7-8,所示。通过不同的组合，可用来显示数字,0,9,、字母,A,F,及小数点“”等。,图,7-8 7,段数码管结构,LED,数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是,0.5,英寸和,0.8,英寸；按显示颜色也有多种，主要有红色和绿色；按亮度强弱可以分为超亮、高亮和普亮。,LED,数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同，正向压降一般为,1.5,2 V,，额定电流为,10,mA,，最大电流为,40,mA,。静态显示时取,10,mA,为宜，动态扫描显示可以加大脉冲电流，但一般不超过,40,mA,。,LED,数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极和共阳极两种接法，如图,7-8(b),和,(c),所示。共阴极,LED,显示器的发光二极管所有字段的阴极均连接低电平，因此在使用共阴极数码管时，需要在相应字段上加高电平，才会使其发光；共阳极数码管所有字段的阳极均连接高电平，在使用时，需要在相应显示字段上加低电平。由于发光二极管排成“,8”,字形，因此要显示某个字符时，将相应字段点亮即可。例如，要显示,1,，点亮,b,、,c,段；要显示,2,，点亮,a,、,b,、,g,、,e,、,d,段。输出点亮相应段的数码称字形码，字形码各位定义见表,7-2,。,2),编码方式,LED,数码管的编码方式有多种，按小数点计否可以分为七段码和八段码；按公共端连接方式可以分为共阴极字段码和共阳极字段码。不计小数点的共阴字段码和共阳字段码互为反码。表,7-3,给出的是共阴极和共阳极数码管的八段码编码表。,2,LED,数码管显示电路,1),数码管静态显示及其接口电路在静态显示方式下，每位数码管的,a,g,和,dp,端与一个,8,位的,I/O,口相连。静态显示的主要优点是电路设计简单，显示稳定，编程简单，而且,LED,的亮度控制容易，只需在驱动端增加相应的电流调节电阻即可方便地调节,LED,的亮度；不足之处是占用硬件资源较多，每个,LED,需要独占,8,条输出线，随着显示位数的增加，需要的,I/O,口线也将增加。图,7-9,就是,2,位共阳极数码管的静态电路。,图,7-9,数码管静态显示接口电路,在图,7-9,中显示“,28”,的程序如下：,#include,uchar,code DSY_CODE=/,段码表,0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 xff,；,void main (),P0=0 xFF,；,While(1),P0=DSY_CODE2,；,/,显示数字,2,P2=DSY_CODE8,；,/,显示数字,8,2),数码管动态显示及其接口电路,LED,静态显示使用的元器件较多，在数码管显示器较多的场合，电路显得繁琐，为了简化线路，降低成本，单片机应用系统中常常采用动态扫描显示方式。动态扫描显示是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每一位的,a,段连在一起，,b,段连在一起，,，,h,段连在一起，共,8,段，由一个,8,位的,I/O,口控制，而每一位的公共端由另外一个,I/O,口控制，如图,7-10,所示。,图,7-10,动态扫描显示电路,动态方式的工作原理是：逐个地循环点亮各位显示器，也就是说在任一时刻只有,1,位显示器在显示。为了使人看到所有显示器都在显示，就需加快循环点亮各位显示器的速度,(,提高扫描频率,),，利用人眼的视觉残留效应，给人感觉到与全部显示器持续点亮的效果一样。,一般地，每秒循环扫描不低于,50,次。在这里需要指出的是，由于每位显示器只有部分时间点亮，因此看上去亮度有所下降，为了达到与持续点亮一样的亮度效果，必须加大显示器的驱动电流。一般有几位显示器，电流就得加大几倍。动态扫描显示电路的特点是：占用,I/O,端线少；电路较简单，硬件成本低；编程较复杂，,CPU,要定时扫描刷新显示。当要求显示的位数较多时，通常采用动态扫描显示方式，如图,7-10,所示。,从图,7-10,中可以看出，各位数码管的,a,h,端并联在一起，通过驱动器与单片机系统的,P1,口相连，每只数码管的共阳极通过电子开关与,Vcc,相连，电子开关,(,三极管,),受控于,P3,口。图中数码管为共阳极数码管。要点亮某一位数码管时，先将该位显示代码送至,P1,口，再选通该位电子开关,(,相应的口线输出低电平,),。,在图,7-9,中，动态显示“,28”,的,C51,程序如下：,#include,#include,#define,uchar,unsigned,int,sbit,P30=P30,sbit,P37=P37 /,定义位线,uchar,code DSY_CODE=/,段码表,0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 xff,；,/*,延时程序*,/,Void,DelayMS(unit,x),uchar,t;,while(x,-),for(t=120;t0;t-);,/*,主程序*,/,void main (),While(1)P0=DSY_CODE2;/,数字,2,的段码送,P0,口,P30=0;DelayMS(1);P30=1;/,关闭,P0=DSY_CODE8;/,数字,8,的段码送,P0,口,P37=0;DelayMS(1);P37=1;,7.4,项 目 实 施,按照项目的设计要求，将系统分为主控模块、,A/D,转换模块、,LED,显示模块、驱动电路模块等，如图,7-11,所示。主控模块是,AT89C51,小系统，,A/D,转换模块采用,ADC0809,转换器芯片，,LED,显示模块采用,3,位,7,段共阳数码管实现。,图,7-11,单片机的数字电压表系统框图,7.4.1,项目硬件设计,单片机的,P1.0,P1.7,作为,3,位动态数码管的字段显示控制，,3,位数码管采取共阴极数码管，数,/,模转换器,ADC0809,采样通道,3,输入的模拟量，,CLK,信号连接,P1.3,引脚，由,T0,定时器提供，,P1.2,连接,START,可启动模,/,数转换，,P1.1,连接,EOC,可判断模,/,数转换是否结束，数据的传输由,P1.0,控制，,ADC0809,的参考电压,VREF=,Vcc,，,VREF,接地，硬件的具体设计见硬件原理图,7-12,。,图,7-12,数字电压表的硬件原理图,7.4.2,项目软件设计,由于,ADC0809,在进行,A/D,转换时需要,CLK,信号，而本设计中的,CLK,接在单片机的,P1.3,引脚上，因此产生,CLK,信号的方法要用软件来实现，即由定时器,T0,来提供。编程思路如下：首先在确定控制方式后，对引脚进行初始化并选择转换的通道，然后启动,A/D,转换，待转换结束后要把数据传送到,P0,口进行显示。具体思路如程序流程图,7-13,所示。,图,7-13,程序流程图,根据程序流程图，写出单片机,C,语言程序清单如下：,#include,#define,uchar,unsigned char,#define,uint,unsigned,int,/,各数字的数码管段码,(,共阴,),uchar,code DSY_CODE=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x,7f,0 x6f;,sbit,CLK=P13;/,时钟信号,sbit,ST=P12;/,启动信号,sbit,EOC=P11;/,转换结束信号,sbit,OE=P10;/,输出使能,/*,延时子程序*,/,void,DelayMS(uint,ms),uchar,i;,while(ms,-),for(i,=0;i120;i+);,/*,数码管显示转换结果子程序*,/,void,Display_Result(uchar,d),P2=0 xf7;/,第,4,个数码管显示个位数,P0=DSY_CODEd%10;DelayMS(5);,P2=0 xfb;/,第,3,个数码管显示十位数,P0=DSY_CODEd%100/10;DelayMS(5);,P2=0 xfd;/,第,2,个数码管显示百位数,P0=DSY_CODEd/100;DelayMS(5);,/*,主程序*,/,void main(),TMOD=0 x02;/T1,工作模式,2,TH0=0 x14;TL0=0 x00;IE=0 x82;TR0=1;P1=0 x3f;/,选择,ADC0809,的通道,3(0111)(P1.4,P1.6)while(1),ST=0;ST=1;ST=0;/,启动,A/D,转换,while(EOC,=0);/,等待转换完成,OE=1;Display_Result(P3);OE=0;,/*T0,定时器中断给,ADC0809,提供时钟信号*,/,void Timer0_INT()interrupt 1,CLK=,CLK;,7.4.3,项目综合仿真与调试,1,使用,Keil,C51,编译源程序,Keil,C51,是,MCS-51,系列兼容单片机的开发系统，利用它可以编辑、编译、汇编、连接,C,程序和汇编程序，从而可以生成在单片机中进行烧录的,.hex,文件，具体步骤在项目,1,中已作详细介绍,(,在此略去,),，具体生成的文件如图,7-14,所示。,图,7-14,数字电压表程序仿真生成的,.hex,文件,2,使用,Proteus,系统仿真软件调试并验证系统运行的结果具体仿真的步骤在项目,1,中已作详细介绍。下面给出,Proteus,下的仿真结果，如图,7-15,所示。在图,7-15,中，可通过调节电位器来显示不同的电压值,(0,5 V),。,图,7-15,数字电压表的,Proteus,仿真图,3,动手做在完成系统仿真后，可以按照本系统硬件设计部分给出的原理图，在万能板,(,或印刷板,),上进行电子元器件的连接与调试。本项目所需的元件清单见表,7-4,。,项 目 小 结,本项目通过设计制作一个数字电压表，讲述了,A/D,转换的原理、,ADC0809,转换器的使用和,LED 7,段数码管接口电路的设计。经过对仿真实验结果进行分析可知，达到了预期效果。设计中通过对信息采集、数据处理及信息显示等方面的学习，大家可掌握单片机对,ADC0809,的数据处理和单片机与数码管的接口技术，为今后应用单片机处理相关应用问题奠定扎实的基础。,项目拓展技能与练习,【,拓展技能训练,】,在项目,7,的基础上设计一块电压表，实现,ADC0809,的各个通道的电压测量，用,Proteus,软件进行仿真。,【,项目练习,】,(1),叙述,A/D,转换的原理。,(2),简述,ADC0809,内部结构和引脚的使用功能。,(3),简述数码管的显示原理。,(4),写出共阳极数码管显示字符和数字的编码。,(5),设计单只数码管循环显示数字“,0,9”,，要求：主程序中的循环语句反复将,0,9,的段码送至,P0,口，使数字,0,9,循环显示，结果用,Proteus,进行仿真。,(6),设计用数,/,模转换芯片,ADC0809,来控制,PWM,输出，要求：通过调节可变电阻,Rp1,来调节脉冲宽度。,
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