詳解基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的工作原理

1 引言

由于單片機(jī)具有簡單實(shí)用、高可靠性、良好的性能價(jià)格比以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。數(shù)字電壓表(Digital Voltmeter)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(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)化儀表、自動(dòng)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(shí)，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(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(jì)重點(diǎn)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(jì)方案

2.1 設(shè)路計(jì)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(shí)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(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)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(jià)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(chǔ)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(chǔ)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(jià)AT89s51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)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(jì)方框圖

數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)計(jì)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CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

3.2 AT89S51的特點(diǎn)

40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 此外，AT89S51設(shè)計(jì)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(shí)計(jì)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(shí)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(chǔ)器

● 1000次擦寫周期

● 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz

● 32個(gè)可編程I/O口線

● 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

● 6個(gè)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(shí)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

3.3 ADC0809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(duì)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(yùn)算得到對(duì)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(jì)時(shí)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。測量的最小分辨率為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(shí)鐘頻率=1.26MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)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(shí)，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2 ADC0809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～I(xiàn)N7，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(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)換控制端START，當(dāng)輸入一個(gè)2 us寬的高電平脈沖時(shí)，就啟動(dòng)ADC0809開始對(duì)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(hào)EOC。ADC0809為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開始轉(zhuǎn)換時(shí)，EOC信號(hào)為低電平，經(jīng)過一定時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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(shí)，存放與輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCK。在連接時(shí)，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(dòng)信號(hào)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(hào)EOC與AT89S51的P3.7口相連。時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCK信號(hào)，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(shí)鐘為12MHZ。