单片机课程设计报告简易数字电压表一、设计任务与要求1.电压表的测量围为0-5V;2.测量精度约为20mV。

二、方案设计与论证方案一：选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计电路：方案二：用单片机设计电路：设计采用STC89C52单片机、A/D转换器ADC0809和共阴数码管为主要硬件，分析了数字电压表Proteus软件仿真电路设计及编程方法。

将单片机应用于测量技术中，采用ADC0809将模拟信号转化为数字信号，用STC89C52实现数据的处理。

通过数码管以扫描的方式完成显示。

方案比较：方案1：3为半双积分式A/D转换器MC14433转换精度为读数的±0.05%±1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有输入阻抗高，功耗低，电源电压围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。

缺点是工作速度低，且外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂。

方案2：设计电路简单。

易于控制，且性能稳定；单调试过程需要一定的编程基础，可利用Proteus软件仿真电路设计和调试。

Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，因此可用此软件方便调试电路。

经过以上两种方案的特点比较，方案二中的电路设计采用比较常见的元器件，对这种方案有一定的专业基础，故采用第二种方案。

三、单元电路设计与参数计算1 A/D转换模块1.1 ADC0809主要特性ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片带有锁存功能的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，由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域。

ADC0809主要特性:8路8位A/D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；模拟输入电压围0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW。

1.2 ADC0809的外部引脚特征ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图1所示。

图1 ADC089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A/D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 ADC0809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A/D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。

1.3 ADC0809的部结构及工作流程ADC0809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A/D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，其部结构如图2所示。

图2 ADC0809的部结构其中：（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A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成8位A/D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。

ADC0809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A/D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。

2单片机系统2.1 STC89C52性能STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机存储器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

STC89C52功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片震荡器和掉电模式。

2.2 STC89C52各引脚功能STC89C52提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B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，片震荡器及时钟电路，同时，STC89C52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。

STC89C52采用PDIP 封装形式，引脚配置如图3所示。

STC89C52芯片的各引脚功能为：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89C52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89C52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。

图3 STC89C52的引脚图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，89C52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，89C52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89C52使用片ROM或使用片外ROM, 若/EA=1，则允许使用片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，89C52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89C52处于复位(即初始化)工作状态。

通常89C52复位有自动上电复位和人工按键复位两种。

XTAL1和XTAL2：片震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C52片OSC(震荡器)的定时反馈回路。

3 复位电路和时钟电路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-52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-52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4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4 复位电路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-52单片机芯片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。

本设计系统采用部时钟方式，利用单片机部的高增益反相放大器，外部电路只需要一个晶振和2个电容即可，如图5所示。

图5 振荡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，通常的取值围是30±10pF，在这个系统中选择了30pF；石英晶振选择围最高可选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6MHz，因而时钟信号的震荡频率为6MHz。