基于单片机的数字电压表设计与制作

编号: 湖北文理学院理工学院本科毕业论文（设计）题 目 基于单片机的数字电压表设计与制作 电子科学与信息工程 系 通信工程 专业学 号 12387110 学生姓名 方雪峰 指导教师 付盼丽 起讫日期 2015.12 2016.4 基于单片机的数字电压表设计与制作摘要：随着社会的飞速发展对电子产品的需求与精度的越来多与高，而数字电压表对于设备与实验的测试。数字电压表及 DVM 他是一种数字化的测量技术，是将一些连续的电压转化为离散的点来一个一个表示。其实日常生活中我们最为了解的就是数字式的万用表，就从万用表可以看的出数字电压表的在生产生活中的便捷精度高，可运用范围广而且成本低。根据设计要求，本文完成了一款性能稳定、高精度的数字电压表的硬件设计和软件设计。该电压表可测量最大 5V 和最小 0V 的直流电压。硬件部分主要包括：单片机，ADC0809 模数转换，外接电路和 LED 显示四大部分。软件设计主要包括 C 语言源程序的编写与调试，并在 Proteus 上进行软硬件仿真。经仿真测试该数字电压表显示精度为 0.019V，最大误差为 0.02V。关键词：数字电压表；A/D 转换；AT89C52；ADC0809IDesign and Making of Digital Voltmeter Based Abstract：With the rapid development of social demand for electronic products with the precision of the more and more high, and the digital voltmeter for equipment and experimental test. Digital voltmeter and DVM, he is a kind of digital measurement technology is to some continuous voltage into discrete points to one by one. In daily life we know the most is the digital multimeter, from the multimeter can look out of the digital voltmeter is convenient with high precision in the production and living, can use a wide range and low cost. According to the design requirements, this paper completed a stable performance, high precision of hardware design and software design of digital voltmeter. The meter can measure the minimum and maximum 5 v 0 v dc voltage. Hardware mainly includes: single chip microcomputer, ADC0808 modulus conversion, An external circuit and LED display. Software design mainly includes the writing of the C language source program and debugging, and hardware and software on the Proteus simulation. Through the simulation test of the digital voltmeter shows accuracy of 0.01 9V, the maximum error of 0.02 V.Keywords： Digital voltmeter; A/D converter; AT89C52; ADC0809目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 设计的目的和意义 .31.3 设计的主要任务 .32 总体方设计案 .52.1 设计原理及要求 .52.2 设计方案 .72.3 主控芯片 AT89C52.82.4 A/D 转换模块 ADC0809 .132.5 LED 显示器的选择 .173 硬件电路设计 .193.1 AT89C52 最小系统 .193.2 A/D 转换模块与外电压连接电路 .223.3 LED 显示器与单片机接口设计 .223.4 总体电路设计 .234 系统软件设计 .264.1 主程序设计 .264.2 子程序设计 .265 系统仿真 .295.1 软件调试 .295.2 仿真结果及误差分析 .306 结 论 .34参考文献 .35致谢 .36附 录 1 程序清单 .37附 录 2 系统总图 .41湖北文理学院理工学院学士学位论文 1 绪论 01 绪论1.1 课题背景现如今微处理器芯片的集成程度越来越高，这得益于随着微电子技术的不断发展。微小的单片机，已经可以同时把存储器、CPU、定时器、计数电路等芯片，全都集成在一款很小的芯片上。通过这样的智能化芯片结合现代检测技术，制作现代化的智能化仪表是一件不艰难的事情，比如制作数字电压表，而数字电压表是很多自动化仪表的基础。最古老的的数字电压表产生于数十年前左右，它利用伺服步进比较式原理实现模数转换，进而实现电压的数字化显示。但是由于其体积巨大，样速度也非常慢，而没有得到广泛的应用，只能躺在实验室里，但是他也不是没有一点点优点就是准确度相当较高；接着，一款新的数字电压表诞生了-双引伸出阶梯波式数字电压表，它的出现代表着一代新的数字电压表的诞生，它是在斜波式的基础上制造的。虽然在很大程度上成本降低了，但是准确度也得到了很大的折损，其准确率很低较低，几乎比模拟电压表还要差。不仅如此其采样速度以及抗干扰能力也都都还非常不行。与传统的模拟电压表想比斜波式电压表的准确度也比较低低，并且稳定性也比较差。可见前期数字电压表的法阵很是缓慢而且没有市场应用前景，几乎解决不了任何的实际问题。斜坡采样速度方面稍有提高；随着数字技术的不断的发展之后又产生了好多种数字电压表，但是都由于这样那样的原因，而不能被市场所接收。比如体系较大，重量较高，十分的不便携。要么就是测量精度差强人意，测量精度还打不到普通模拟指针电压表的准确度。后来随着电子元器件的发展，数字电压表的体积和重量都大大的见笑了，但是测量精度一直没有得到提升，并且抗干扰能力也很差，湖北文理学院理工学院学士学位论文 1 绪论 1这让数字电压表的应用环境变得很窄。及时精度达到了要求，稳定性又很差，在电力行业错误的电压值可能会导致很大的灾祸，而且损失可能无法估量。所以以前的数字电压表，虽然有点所发展，却始终难以达到人们的使用要求。而现如今，已经完全不同了，新的电子技术的突飞猛进，是的数字电压表的各种参数都得到了突飞猛进的提升。首先就是表现在数字电压表的种类上。由最初的一两种，发展成为数十种。而且精度而言，这些数字电压表每一中的精度都要比前者的精度搞得多。再说说抗干扰能力，随着电子技术的发展，数字电压表抗干扰能力日渐提升，到如今已经几乎可以不考虑数字电压表的外界干扰了。这并不是说干扰不存在，而是这些干扰几乎已经不需要设计考虑在内了，各种元器件的抗干扰能力都跟强，这在根本上提高了数字电压表的抗干扰能力。其次是快速性，随着单片机微控制器的发展，数字电压表的控制器已经达到 8 位，这对检点的数字电压检测是绰绰有余的，8 位的处理速度使得数字电压的测量几乎没有任何延迟，用户可以实时地测量得到他想要看到的数字电压值，而且精度要比传统的数字电压表要搞得多，稳定性也要比传统的电压表搞得多。就体积方面，现如今的数字电压表的体积小到手表那么大，这完全归功于高度集成的数字芯片，数字传感器，比如本文将要用到 AT89C52 单片机。实现数字电压测量的方法很多，比如积分法和比较法。然而模数转换的方法仍然是抗干扰能力最强精度最高，测速最快的一种方法。对于数字电压表目前国际仍没有有统一的分类准则。市场上的数字电压表种类繁多，功能强大，型号各异。而常用的分类方法有如下几种：1按用途来分：分为直流数字电压表，交直流数字电压表和交直流数字万用表湖北文理学院理工学院学士学位论文 1 绪论 2等。2按显示位数来分：有 4 位，5 位，6 位，7 位，8 位等。3按测量准确度来分：有较低准确度，一般准确度和较高准确度等。4按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。日常生活之中，人们一般会按照这些基本参考对电压表进行简单粗略的分类，而目前数字电压表主要分为以下三类：1.积分式数字电压表，这种数字电压表比较准确但是看干扰能力不强；2.UT 变换式数字电压表，它的抗干扰能力较强，但是精度不够高；3.比较式数字电压表，它的优点就是实现原理简单，体积较小，比较便携。1.2 设计的目的和意义随着科技的不断发展，不论是在日产生活中还是在工业生产中，人们对各种仪器仪表的精度，稳定性，速度都有着越来越高的要求。人们不能再满足于大约的数值，精确地小数点数位的数值显得尤为重要，尤其是在如今越来越精细的生产工艺当中。而数字电压表，理所当然的就承担了这个任务。数字电压表不仅精度很高，最高可达到 0.00019V 知道高。而且灵敏度高，借助于越来越快的微处理器作为处理芯片，数字电压表基本都是秒测。而且测量精度越来越高。稳定性也越来越好，现如今各种元器件的寿命都很长，而且工作效率很高，工作中出现差错的可能性很低。再者就是数字电压表，它不仅仅是一个测电压的仪表，数字电压表是一个基础盒子。综上所述，做好数字电压表是一件具有挑战性，又非常有意义的一件事情。迫于社会对数字电压表的迫其需求，本文设计了一款基于 AT89C52 单片机的一湖北文理学院理工学院学士学位论文 1 绪论 3种数字式电压表的电压测量电路，并通过 Proteus 仿真验证通过。该系统采用ADC0809 进行模数转化，测量范围为直流 0V5V 的电压值。并在四位 LED 数码管上显示出来。本文采用 ADC0809 作为模数转换模块进行 AD 转换，它会把接收到的电压信号经过处理转化为不连续的数字信号，然后再传给单片机，单片机经过处理后会把，ADC0809 送来的数据，进行编码翻译成 LED 数码显示管的段代码，进而驱动点亮相应 LED 数码显示管，显示出正确的电压值。本文设计的的数字电压表测量精度高达 0.01V。本系统基于 AT89C52 单片机的一种数字式电压表主要由以下三大模块组成：数据测量模块、模数转换电路、及 LED 显示模块等。1.3 设计的主要任务（1）研究单片机的相关理论基础与应用。（2）研究 AD 转换的数模转换基本原理与实现过程。（3）研究如何确定先对精度的测试要求。（4）研究按键和 LED 显示电路的应用和设计。（5）设计单片机系统的硬件框图和软件流程图及程序设计。湖北文理学院理工学院学士学位论文 2 总体方案设计 42 总体方案设计2.1 设计原理及要求2.1.1 数字电压表的实现原理ADC0809 模数转换器是一个 8 位的 A/D 转换器，它的优点是转换速度极快，转换精度很高，性能比较稳定其转换精度为 0.0196。ADC0809 A/D 转换器具有 3 位地址输入端，转化器通关过这些输入端来选择 8 路一路进行数据转换。1、模数转换原理：本设计选用 ADC0809 作为模数转换的芯片，工作时需要一个稳定的时钟输入，也就是说其 CLK 口需要一个稳定的 CLOCK 输入 ADC0809 为逐次逼近式 AD 转换式芯片。本设计的设计要求是测量 0V-5V 范围的电压值，而 ADC0809 的要求Vrefc,refGND故选取 ref5ref0V，ADC0809 有 8 个输入通道可供选择，而本设计只需要一路就可以了。直接使ADC0809 的 ABC 接地，把它们全部置于低电平，然后选择 IN0 通道便可以了。在ADC0809 AD 转换芯片启动时 ALE 引脚电平正发生跳变，此时便可以锁存 A、B、C上的地址信息。AD 转换芯片 ADC0809 将从 IN0 口得到的模拟连续数据转换为相应的不连续的二进制数。2、数据处理原理：本设计采用 51 单片机作为本设计的主控芯片，它的主要任务是进行数据处理。湖北文理学院理工学院学士学位论文 2 总体方案设计 5由 ADC0809 的转换原理可以知道，其初步得到数据虽然已经是数字量了，但还只是二进制数据不能直接为显示所用，x 还需要进一步被处理进而得到的十进制数，最后并且对其进行精度处理，达到满意的现实精度。处理数据的思路是： 首先，单片机要做的任务是将从 ADC0809 得到的二进制数直接除以十进制数 51。这样做是为了得到 X 的整数部分，然后取整就得到了 x 的整数部分了 然后，就是求取 x 的十分位。单片机的任务是将得到的余数乘以十进制的10。然后再除以十进制 51，然后再取整。 最后，得到的余数再除以 5，就得了 x 的百分位3、数据显示原理：本设计计采用 4 位一体的 7 段数码管，靠扫描显示来完成数码管对