简易数字电压表的设计毕业论文

-0- 郑州电力职业技术学院毕生业论文题目：简易数字电压表的设计系 别 电力工程系 专 业 电气自动化 班 级 电气二班 学 号 1440501005 姓 名 张 强 -1-摘要单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)。随着单片机技术的飞速发展，各种单片机蜂拥而至，单片机技术已成为一个国家现代化科技水平的重要标志。单片机可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化。现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。本毕业设计的课题是“数字电压表的设计”。主要考核我们对单片机技术，编程能力等方面的情况。观察独立分析、设计单片机的能力，以及实际编程技能。本课题主要解决 A/D 转换、数据处理及显示控制等三个模块。控制系统采用 AT 单片机，A/D 转换采用 ADC0804。关键词：单片机，A/D,AT89C52 转换,ADC0804 论文成绩 指导教师答辩成绩 主答辩教师综合成绩 答辩委员会主任-2-目录前言 .11 简易数字电压表设计两种方案 .31.1 由数字电路及芯片构建 .31.2 由单片机系统及 A/D 转换芯片构建 .32 单片机简介及本设计单片机的选择 .52.1 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择 .52.2 本设计使用的单片机的简介 .62.3 单片机管脚说明 .73 各种显示器件的介绍和选择 .103.1 常用显示器件简介 .103.2 LED 显示器件简介 .104 模数（A/D）转换芯片的选择 .124.1 常用的 A/D 芯片简介 .12-3-4.2 A/D 芯片的选择 .135 总体设计 .155.1 技术要求： .155.2 设计方案： .155.3 系统硬件电路的设计 .166 硬件电路系统模块的设计 .176.1 单片机系统 .176.2 A/D 转换芯片与单片机的连接 .186.3 时钟电路 .186.4 复位电路 .196.5 显示电路设计 .207 系统的调试 .217.1 硬件调试 .217.2 软件件调试 .217.3 软硬联调 .228 数据结果分析 .238.1 系统调试和校准 .238.2 测试数据 .23总结 .24致谢 .25参考文献 .26附件 1 元器件清单 .27附件 2 C 程序 .28前言简易数字电压表（Digital Voltmeter）出现在 50 年代初，60 年代-4-末发起来的电压测量仪表，简称 DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达 1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种：1.按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直-5-流万用表等。2.按显示位数来分：有 4 位，5 位，6 位，7 位，8 位等。3.按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。4.按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。5.但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的.-6-1 数字电压表设计两种方案设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。1.1 由数字电路及芯片构建这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D 转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D 转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将 A/D 转换器中个组模拟开关接通或断开，保证 A/D 转换正常进行。A/D 转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。很难将其在原有的基础上进行扩展。1.2 由单片机系统及 A/D 转换芯片构建这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定-7-的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种设计方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足。-8-2 单片机简介及本设计单片机的选择2.1 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择综合上一章提到的两种设计方案的各方面优点及其在现在的所设计电压表的实用性，我们选择第二种电压表设计方案，即由单片机系统及数字芯片构建的方法来我们本次设计。在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的 8 位单片机和高性能的 32 位单片机，结合本设计各方面因素，8 位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类 8 的单片机呢。在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的 8 单片机。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU，内存，总线系统等。而目前常用的单片机的 8 位有 51 系列单片机，AVR 单片机，PIC 单片机。应用最广的 8 位单片机还是 intel 的 51 系列单片机。51 系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了 51 的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。AVR 单片机是 atmel 公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比 51 单片机要高。有专门的 I/O 方向寄存器。虽然有转强的驱动电压，但 I/O 口使用不比 51 单片机方便。PIC 单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在性格方面比 51 单片机要高，也有专门的 I/O 方向寄存器，I/O 口使用不比 51 单片机方便。综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要，我们将选择 51 系列单片机。-9-2.2 本设计使用的单片机的简介单片机采用 MCS-51 系列单片机。由 ATMEL 公司生产的 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，