模拟电压显示器要点

摘要 本文介绍了一种基于单片机的模拟电压显示器的。该设计主要由主控系统模块、A/D转换模块，程序存储器扩展模块及显示模块等模块组成。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成（因为ADC0809无法仿真，所以在仿真时使用ADC0808），它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到主控系统模块。主控系统模块选择了8031单片芯片作为控制芯片，该模块主要是把A/D转换模块ADC0809传送来的数字量经过处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示，再由于8031没有内置的程序存储器ROM，所以需要程序存储器扩展模块对其进行程序存储器的扩展。 本设计电路结构简单，实现方便，功耗低，所用的元件较少，成本低。 此模拟电压显示器可以通过改变电位器W1产生的0-5V电压，依次点亮L1-L12共十二个LED。                                 关键字：单片机 A/D转换 电压显示器 前言 电压显示器是对电压进行显示的装置，是科学实验和设备调试中的一种常用设备。本文介绍了采用80C31单片机作为主控制器，通过W1电位器来设置调整产生0-5V的电压值，并由十二个LED数码管显示表示相应的输入电压值。本系统由单片机程控设定数字信号经过D/A转换器输出模拟量，再经过驱动电路点亮相应的LED数码管。A/D的输入电压每增加5／12 V（417mV），则点亮一个LED。当A/D的输入电压>4.58V时，12个LED全部点亮。当A/D的输入电压<0.417V时，12个LED全部熄灭。 本文主要分析了模拟电压显示器的设计需求，阐述了模拟电压显示器的软硬件的设计原则，介绍了模拟电压显示器各模块电路的功能及设计思路，完成了模拟电压显示器的全部设计，给出了完整的电路图和程序。本文设计的重点是单片机主控系统和D/A转换电路，设计的难点是怎样利用8位的A/D对W1输出的电压进行采样，通过单片机控制，根据采样值点亮相应的12个LED数码管。 第一章 系统总体设计 一、系统设计任务与要求 1、系统设计任务 该模拟电压显示器采用80C31系列单片机为主控芯片，通过A/D转换实现对W1输出的电压进行采样，根据采样值点亮相应的LED。即利用电位器W1产生的0-5V电压，一次点亮十二个LED。 主要技术指标： A/D的输入电压每增加5／12 V（417mV），则点亮一个LED。当A/D的输入电压>4.58V时，12个LED全部点亮。当A/D的输入电压<0.417V时，12个LED全部熄灭。 该模拟电压显示器由单片机系统、程序存储器扩展电路、A/D转换模块、分频电路、译码器模块、LED驱动显示电路、锁存器模块等模块构成。 2、系统设计要求 根据设计任务，详细分析模拟电压显示器的设计需求，并进行软硬件的总体设计。在完成总体设计后，进行硬件功能模块的设计，利用proteus软件和Keil4软件完成模拟电压显示器的全部电路的软硬件设计工作，利用Keil4软件完成模拟电压显示器的全部控制软件的仿真调试工作。利用Proteus软件完成大部分功能模块的电路仿真。 系统总体设计 二、系统总体设计 按照系统设计要求，在保证实现的基础上，要尽可能降低系统成本。整个系统从功能上划分为主控系统模块、程序存储器扩展电路、A/D转换模块、分频电路、译码器模块、LED驱动显示电路、锁存器模块等模块。 1、 主控系统模块 方案一：采用各类数字电路来组成控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。 方案二：采用8031单片机作为整机的控制单元，通过A/D对W1输出的电压进行采样。此系统比较灵活，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求[1]。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，故本设计采用方案二来实现。 2、 程序存储器扩展电路 由于8031单片机内部没有程序存储器ROM，所以无论程序长短，都必须扩展程序存储器。 在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。芯片少，接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量大。本次设计选用2764 8K*8字节的EPROM芯片，该芯片接口简单，工作可靠，占用单片机I/O口线资源少。 3、 A/D转换模块 本设计中需要利用A/D转换对W1输出的模拟电压值进行采样，并实现数字量显示，所以需要用到A/D转换芯片。 本设计中采用A/DC0808 A/D转换芯片，该芯片是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式的A/D转换芯片，内部除了8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其可以根据地址译码信号来选择8路模拟输入，可以使8路模拟输入公用一个A/D转换器进行转换，提高了经济性。 4、 分频电路模块 本设计中需要将4MHz晶振产生的脉冲信号八分频后做为A/DC0808的时钟信号。所以需要分频芯片对脉冲信号进行分频。 在本系统设计中，采用的是74LS393芯片对脉冲信号进行分频，该芯片是一个双四位二进制计数器，结构简单，实现方便，价格便宜。 5、 译码器模块 本设计中A/DC0809采样输出后送到单片机，需要一个译码器来产生地址信号，由此信号来决定单片机地址。 在本系统设计中，采用的是74LS138译码器芯片来产生地址信号，74LS138是常用的3-8线译码器，常用于单片机和数字电路中。 6、 LED驱动显示电路模块 本设计中需要根据W1输出的不同的电压值，依次点亮12个LED数码管，则系统中需要一个LED驱动电路对12个LED进行驱动，才能正常显示。 在本系统设计中采用了74LS240芯片对12个LED进行驱动。74LS240是八单线驱动器（反码、三态输出），能够很好地驱动12个LED。 7、 锁存器模块 本设计中，在A/D转换的过程中，P0口地址和数据是分时输出的，所以需要锁存对其地址进行锁存，在本系统设计中采用了74LS373芯片对其地址进行锁存。 三、系统原理框图 模拟电压显示器整个系统的原理框图如下图1所示： 图1 整个系统的原理框图 第二章 系统硬件各功能模块的设计 本章主要对主控系统模块，程序存储器扩展电路与锁存器模块，A/D转换模块三个主要模块进行了具体的设计分析，最后对整个系统进行了总体设计。 一、主控系统模块的设计 1、8031单片机简介 128B内部RAM，32个I/O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，8031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。8031采用PDIP封装形式，引脚配置如图2所示。 图2 8031的引脚图 2、8031芯片的各引脚功能 P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是8031不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是8031带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。 P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。 P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器的读/写数据。 P3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表2所示： 表2 P3口各位的第二功能 P3口各位 第二功能 P3.0 RXT（串行口输入） P3.1 TXD（串行口输出） P3.2 /INT0（外部中断0输入） P3.3 /INT1(外部中断1输入) P3.4 T0（定时器/计数器0的外部输入） P3.5 T1（定时器/计数器1的外部输入） P3.6 /WR（片外数据存储器写允许） P3.7 /RD（片外数据存储器读允许）     Vcc为+5V电源线，Vss接地。 ALE：地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，8031的CPU在P0.0-P0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，8031自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。 /EA:片外存储器访问选择线，可以控制8031使用片内ROM或使用片外ROM, 若/EA=1，则允许使用片内ROM, 若/EA=0，则只使用片外ROM。 /PSEN：片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，8031自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。 RST：复位线，可以使8031处于复位(即初始化)工作状态。通常8031复位有自动上电复位和人工按键复位两种。 XTAL1和XTAL2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8031片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。 3、单片机在系统设计中的接线如图3： 图3单片机接线图 二、程序存储器扩展电路与锁存器模块的设计 1、设计分析 由于8031单片机不像89C51单片机那样，内部存在程序存储器ROM，所以必须在8031的外围电路中对其进行程序存储器的扩展，8031对程序存储器和数据存储器均可进行0000H～FFFFH的64K字节地址内容的有效寻址。8031外扩展存储器时，P2作高位的地址输出，P0作低位地址输出和数据线。 2、具体设计