1、引言
由于單片機(jī)具有簡單實用、高可靠性、良好的性能價格比以及體積小等優(yōu)點，已經(jīng)在各個技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。數(shù)字電壓表（digitalvoltmeter）簡稱dvm，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗*力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與pc進(jìn)行實時通信。目前，由各種單片a/d轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力。與此同時，由dvm擴(kuò)展而成的各種通用及數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。本設(shè)計重點介紹單片a/d轉(zhuǎn)換器以及由它們構(gòu)成的基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的工作原理。
2、總體設(shè)計方案
2.1設(shè)路計思路
按系統(tǒng)功能要求，決定控制系統(tǒng)采用at89s51單片機(jī)，a/d轉(zhuǎn)換采用adc0809.系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進(jìn)行其功能的擴(kuò)展。本文采用at89s51作為核心元件，at89s51是一個低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytesisp（in-systemprogrammable）的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ispflash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
采用ns公司的分辨率為8位的逐次比較型的高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809,adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。把采取的電壓進(jìn)行處理然后通過單片機(jī)的p口送到單片機(jī)然后經(jīng)過程序處理，由led電路把電壓數(shù)值顯示出來。單片機(jī)加上外圍的串口顯示電路由74ls245和數(shù)碼管三極管組成。
器件采用atmel公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器，既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能強(qiáng)大，低價at89s51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
2.2設(shè)計方框圖
圖1數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計方案
3、設(shè)計原理分析
3.1單片機(jī)at89s51
at89s51單片機(jī)是美國atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器，既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能強(qiáng)大，低價at89s51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
3.2at89s51的特點
40個引腳，4kbytesflash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器此外，at89s51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
主要特性在：
●與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容
●4k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器
●1000次擦寫周期
●全靜態(tài)工作：0hz-33mhz
●32個可編程i/o口線
●2個16位定時器/計數(shù)器
●6個中斷源
●全雙工uart串行通道
●低功耗空閑和掉電模式
●掉電后中斷可喚醒
●看門狗定時器
●雙數(shù)據(jù)指針
●靈活的isp編程（字或字節(jié)模式）
●4.0---5.5v電壓工作范圍
3.3adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
八路數(shù)字電壓表主要利用a/d轉(zhuǎn)換器，處理過程是先用a/d轉(zhuǎn)換器對各路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量，再按數(shù)字量與模擬量成正比關(guān)系運算得到對應(yīng)的模擬電壓值，然后把模擬值通過顯示器顯示出來。設(shè)計時假設(shè)待測的輸入電壓為八路，電壓值的范圍為0~5v，要求能在4位led數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。測量的zui小分辨率為0.0119v,c測量誤差為±0.02v。
adc0809是8路8位adc芯片，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼、256電阻梯形網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)樹、逐次逼近寄存器、比較器和3態(tài)輸出鎖存器等，特別適合與微機(jī)接口。時鐘頻率=1.26mhz，轉(zhuǎn)換時間=100μs，轉(zhuǎn)換誤差≤±1lsb，內(nèi)含8路數(shù)據(jù)選擇器以便進(jìn)行8路adc。8路8位2進(jìn)制碼lsttl電平輸出，28腳封裝。adc0809多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖2adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
3.4引腳結(jié)構(gòu)
adc0809具有8路模擬量輸入通道in0～in7，通過3位地址輸入端c、b、a（因腳23、24、25）進(jìn)行選擇。引腳22為地址鎖存控制端ale，當(dāng)輸入為高電平時，c、b、a引腳輸入的地址鎖存與adc0809內(nèi)部的鎖存器中，經(jīng)內(nèi)部譯碼電路譯碼選中相應(yīng)的模擬通道。引腳6為啟動轉(zhuǎn)換控制端start，當(dāng)輸入一個2us寬的高電平脈沖時，就啟動adc0809開始對輸入通道的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。引腳7為a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號eoc。adc0809為逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開始轉(zhuǎn)換時，eoc信號為低電平，經(jīng)過一定時間，轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號eoc輸出高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放與adc0809內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)鎖存器中。引腳9為a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端oe，當(dāng)oe為高電平時，存放與輸出數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)通過adc0809的數(shù)據(jù)線d0～d7輸出。引腳10為adc0809的時鐘信號輸入端clock。在連接時，adc0809的數(shù)據(jù)線d0～d7與at89s51的p0口相連，adc0809的地址引腳、地址鎖存端ale、啟動信號start、數(shù)據(jù)輸出允許控制端oe分別與at89s51的p2口相連，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號eoc與at89s51的p3.7口相連。時鐘信號輸入端clock信號，由單片機(jī)的地址鎖存控制端ale提供。單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘為12mhz。
in0－in7：8條模擬量輸入通道。adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5v，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。
地址輸入和控制線：4條。ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。a，b和c為地址輸入線，用于選通in0－in7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線：11條。st為轉(zhuǎn)換啟動信號，當(dāng)st上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st應(yīng)保持低電平。eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7－d0為數(shù)字量輸出線。
clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為1mhz，vref（＋），vref（－）為參考電壓輸入。
3.dc0809應(yīng)用說明
adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機(jī)直接相連。初始化時，使st和oe信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到a，b，c端口上。在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)eoc信號來判斷。當(dāng)eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)。
3.6adc0809工作原理
8路模擬信號由adc0809的in0～in7端輸入，at89s51單片機(jī)的ale端口輸出的脈沖信號送adc0809的10腳作為adc的時鐘信號（產(chǎn)生clk信號的方法就得用軟件來產(chǎn)生）。a/d轉(zhuǎn)換完成之后，從eoc端返回at89s51一個轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，單片機(jī)隨即用信號將a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出從d0～d7端經(jīng)p0口數(shù)據(jù)總線讀入自己的存儲器中。a/d轉(zhuǎn)換過程全部結(jié)束。再經(jīng)軟件程序轉(zhuǎn)換成a～g7段碼輸出，驅(qū)動led數(shù)碼管。各位數(shù)碼管由位控信號p3.0、p3.1、p3.2、p3.3控制，由74ls245反相驅(qū)動將依次巡回點亮數(shù)碼管。
3.7復(fù)位電路的設(shè)計
本設(shè)計采用了上電自動復(fù)位和手動復(fù)位，上電自動復(fù)位是再加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的，其電路如圖3.2所示。在充電瞬間，電容c通過復(fù)位電阻r充電，rst端出現(xiàn)正脈沖，以復(fù)位。只要電源vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動復(fù)位，既接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化，手動復(fù)位是通過按鈕實現(xiàn)的。
圖3復(fù)位電路
3.8時鐘電路的設(shè)計
任何一塊單片機(jī)的正常工作都離不開時鐘信號，本設(shè)計中利用8951內(nèi)部的高增益反相放大器，外加石英晶體以及兩個電容就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。給單片機(jī)提供了時鐘信號，保持單片機(jī)按正常的時序工作。
圖4時鐘電路