基于51单片机实现ADC0808数模转换与显示

基于51单片机实现ADC0808数模转换与显示

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摘 要

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摘要

通过上学期对数据采集的学习,让我对A/D转化器有了一定的了解.A/D转换器是把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出的一种器件.而现在A/D转换电路已集成在一块芯片上.本课程设计采用芯片是0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

本课程设计以AT89C51单片机为核心，实现ADC0808的数模转换与显示,然后把转换后的结果显示在数码管上。

关键字：数据采集，A/D转化器，ADC0808，逐次逼近式，单片机

目 录

目 录

一、设计目的 .................................................................................... 1

二、设计要求和设计指标 ................................................................ 1

三、设计内容 .................................................................................... 1

3.1 芯片简介………………………………………………………...1

3.1.1 A/D转换模块 ............................................................................ 1

3.1.2 AT89C51单片机的结构原理与引脚功能 ............................... 4

3.2电路设计…………………………………………………………7

3.3程序设计…………………………………………………………9

四、本设计改进建议 ...................................................................... 11

五、总结 .......................................................................................... 12

六、主要参考文献 .......................................................................... 12

附录 .................................................................................................. 12

一、设计目的

本课程设计的目的就是要锻炼学生的实际动手能力。在理论学习的基础上，通过完成一个具有综合功能的小系统，使学生将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立设计单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。

二、设计要求和设计指标

以AT89C51单片机为核心，实现ADC0808的数模转换与显示。转换后的结果显示在数码管上。

三、设计内容

3.1 芯片简介

3.1.1 A/D转换模块

ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。（1）ADC0808的内部逻辑结构

由下图3-1-1可知，ADC0808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组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端高电平时，才可从三态输出锁存器取走转换完的数据。

[1]

1

图3-1-1 ADC0808的内部逻辑结构

（2）． ADC0808引脚结构

ADC0808各脚功能如下：

D7-D0：8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

VCC：+5V工作电压。

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（-）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.

EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。本设计采用DCLOCK激励源，频率为12MHz。A、B、C：地址输入线。

图3-1-2 ADC0808引脚图

ADC0808对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太2

小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。因ADC0808的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，本设计采用DCLOCK激励源，频率为12MHz。

VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

图3-1-3 ADC0808的接线图

图3-1-4 ADC0808的时钟电路设置

3

3.1.2 AT89C51单片机的结构原理与引脚功能

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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。AT89C单片机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。[1]

图3-1-5 AT89C51的引脚图

主要特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

4

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下列所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

5

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

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图3-1-6 AT89C51的接线图

振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能直到下一个硬件复位为止。

3.2电路设计

设计原理图如图所示

7

图3-2-1 设计原理电路图

此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器RV1分压后由ADC08008的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给六位LED，同时它还通过其六位I/O口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，ADC0808的CLOCK用DCLOCK激励源，当激励源发出正脉冲时启动A/D转换，P3.5检测A/D转换是否完成，无论转换成功，均从P1口读取结果送给LED显示出来。[2]

硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用Proteus软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。

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3.3程序设计

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图3-3-1所示。[3]

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图3-3-2所示。[3]

开初调用调用显示结束

图3-3-1 主程序框图

图3-3-2 A/D转换流程图

3.4仿真结果与分析

1.当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图所示，测量误差为0V。

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图3-4-1 输入电压为0V时，LED的显示结果

2.当IN0输入电压值为1.60V时，显示结果1.601V。测量误差为0.001V。

图3-4-2 输入电压为1.60V时，LED的显示结果

3.当IN0口输入电压值为3.70V时，显示结果3.691V。测量误差为0.009V。

图3-4-3 输入电压为3.70V时，LED的显示结果

4.当IN0口输入电压值为5.00V时，显示结果4.980V。测量误差为0.02V。

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图3-4-4 输入电压为5.00V时，LED的显示结果

通过以上仿真测量结果可得到电压表数据与数码管测量显示数据以及相对误差如下表3-4-1所示：

表3-4-1 电压表值与数码管显示值的相对误差表

电压表值/V

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

5.00

数码管测量值/V

0.00

0.507

0.996

1.503

1.992

2.480

2.988

3.476

3.984

4.980

相对误差/%

0.00

-1.39

0.40

-0.19

0.40

0.80

0.40

0.68

0.40

0.40

从上表显示结果分析，当电压表显示数值为整数（不包括0）的时候，数码管显示的出的测量值相对误差稳定在0.40%；也就是说总体相对误差在基准为0.40%上下振荡，在相邻两个整数的中间值时最大（或最小）。上表显示2.5V时相对误差最大（0.80%）。也就是说当电压值为输入电压的一半时，数据显示相对误差最大。

四、本设计改进建议

由于相对误差的振荡不稳定性可能给测量结果带来较大的偏差。故而可以通过改进电路连接，在AT89C51芯片上加上时钟电路和复位电路代替ADC0808芯片的DCLOCK激励源脉冲从而控制ADC0808的工作，也可以校正ADC0808的基准电压，减少测量误差，提高测量准确度。

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五、总结

经过一段时间的努力，课程设计——ADC0808数模转换与显示基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。

基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。

通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808，以前在学单片机时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。

总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。

六、主要参考文献

[1]喻萍 郭文川. 单片机原理与接口技术. 化学工业出版社. 2006

[2]宋凤娟 孙军 李国忠. 基于89C51单片机的数字电压表设计[J]. 工业控制计算机. 2007

[3]林生 葛红 金京林 译 数字设计原理与实践 机械工业出版社 2011

[4]马明建 数据采集与处理技术 西安交通大学出版社 2012

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附录

AT89C51单片机程序

#include

#include

#include "timer.h"

#define _nop {}

Unsigned

shuma[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f};

sbitN1=P0^0;

sbit N2=P0^1;

sbit N3=P0^2;

sbit N4=P0^3;

sbit N5=P0^4;

sbit N6=P0^5;

sbit Point=P2^7;

int V=0;

void Delay_nms(unsigned char n)

{

unsigned char a;

for(;n>0;n--)

{

for(a=0;a<100;a++)

{

_nop;

_nop;

13

char

_nop;

_nop;

}

}

}

void display(int volt)

{

unsigned char dis[6];

int i,a,j=0,cn=0;

for(i=0;i<6;i++)

{

dis[i]=0;

}

a=volt;

if(a==0)

{

dis[0]=0;

cn=1;

}

else

{

j=0;

while(a>0)

{

if(j>=6) break;

dis[cn]=a%10;

14

j++;

cn++;

a=a/10;

}

}

//dis[1]=9;

for(i=0;i<6;i++)

{

N1=0;

N2=0;

N3=0;

N4=0;

N5=0;

N6=0;

P2=shuma[ dis[i] ];

if(i==0)

{

N6=1;

}

else if(i==1)

{

N5=1;

if(cn==2)

{

Point=0;

}

}

15

else if(i==2)

{

N4=1;

if(cn==3)

{

Point=0;

}

}

else if(i==3)

{

N3=1;

if(cn==4)

{

Point=0;

}

}

else if(i==4)

{

N2=1;

if(cn==5)

{

Point=0;

}

}

else if(i==5)

{

N1=1;

if(cn==6)

{

16

Point=0;

}

}

Delay_nms(5);

}

}

void main()

{

unsigned char key,i;

IniTimer(25000);

StartTimer();

V=48367;

while(1)

{

display(V);

}

}

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