数字电压表软件设计

本科生毕业设计论文数字电压表软件设计SOFTWAREDESIGNOFDIGITALVOLTMETER总计26页表格2个插图14幅学院系电子与电气工程专业电子信息工程数字电压表软件设计摘要本设计采用了以单片机为开发平台，控制系统采用AT89C51单片机，A/D转换采用8位的ADC0809，测量电压值的范围为05V。软件设计完成后经过专业电子软件的仿真达到设计的目的。设计模块包括主控模块、模数转换模块、显示模块、通信模块等。本系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便进行8路其它A/D转换量的测量、与PC机进行串口通信，正文着重给出了电压表的软件设计，介绍了单片机AT89C51工作原理、模数转换原理，以及专业软件的仿真和程序的编程。该软件的设计结构紧密，功能完善，在完成对电压的测量之外可以进行通信，应用前景非常广阔。关键词单片机；A/D转换；ADC0809；数据处理SOFTWAREDESIGNOFDIGITALVOLTMETERABSTRACTTHEDESIGNHASADOPTEDMCUCONTROLSYSTEMFORDEVELOPMENTPLATFORM,AT89C51MICROCONTROLLER,A/DCONVERSIONUSING8BITADC0809,MEASURINGVOLTAGEVALUESOFTHERANGEOF05VAFTERTHECOMPLETIONOFTHESOFTWAREDESIGN,THEPROFESSIONALELECTRONICSOFTWARESIMULATIONTOTHEPURPOSEOFDESIGNTHEDESIGNINCLUDESCONTROLMODULE,FREQUENCYFIELDMODULE,DISPLAYMODULE,COMMUNICATIONMODULE,ETCTHISSYSTEMCANENSUREREALIZATIONOFREQUIREMENTSINFUNCTION,STILLCANCONVENIENTLYFOREIGHTOTHERA/DCONVERSIONMEASUREMENTS,ANDPCFORSERIALCOMMUNICATION,TEXTFOCUSESONTHEDESIGNOFTHESOFTWAREVOLTMETERPRESENTS,INTRODUCESMICROCONTROLLERAT89C51WORKINGPRINCIPLE,PRINCIPLEANDFREQUENCYFIELDPROFESSIONALSOFTWARESIMULATIONANDPROGRAMMINGTHEDESIGNOFTHESOFTWARESTRUCTURE,PERFECTFUNCTIONS,INTHEMEASUREMENTOFVOLTAGE,BESIDESCANCOMMUNICATEVERYBROADAPPLICATIONPROSPECTKEYWORDSSINGLECHIPMICROCONTROLLEA/DCONVERTERADC0809DATAPROCESSING目录1引言111选题的背景和意义112发展过程113研究内容32系统设计方案321设计思想322整体设计框图33系统软件设计431主控模块软件设计4311AT89C514312内部结构5313软件设计532模数转换软件设计6321主要性能指标6322内部逻辑机构6323数据采集软件设计833数码管软件设计9331数码管显示原理9332软件设计1034看门狗及数据复位、存储软件设计10341X5045芯片10342X5045工作原理11343看门狗软件设计11344EEPROM软件设计1235通讯模块软件设计12351RS232接口12352串口通讯原理13353软件设计1336键盘软件设计13361键盘13362键盘软件设计134系统仿真与调试1441PROTEUS和KEIL1442软件仿真16结束语17参考文献17附录118附录219致谢211引言11选题的背景和意义数字电压表DIGITALVOLTMETER简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量直流输入电压转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一，精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、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。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，本文A/D转换器采用ADC0809对输人模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。数字式电压表是由高阻抗电压表头与分压电路组成的。数字式电压表头的等效输入电阻通常在200M欧以上，满量程时所流经的电流通常在1皮安左右。以上述表头制成的数字式电压表，满量程时所流经的电流与量程有关，通常在1皮安至100微安之间。数字电压表数字面板表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理，传统数字电压表是无法完成的。然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成测量数据的传递，又可借助PC，做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统数字电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景1。本系统采用单片机AT89C51构成数字电压表控制系统，具有精度高、速度快、性能稳定和电路简单且工作可靠等特点，具有很好的使用价值。12发展过程数字化阶段5060年代中期，电压表的特点是运用各种原理实现模数AD转换，即将模拟量转化成数字量，从而实现测量仪表的数字化。高准确度阶段由于精密电测量的需要，电压表开始向高准确度、高位数方向发展，出现了所谓复合型原理的仪表。智能化阶段60年代末期，电子技术和工艺结构有了飞跃的发展，而大规模集成电路LSI与计算机技术相结合的产物是微处理器简写为P。1972年，美国INTEL公司首创微处理器不久即研制出微处理器式数字电压表，实现了电压表数据处理自动化和可编程序，因为带有存贮器并使用软件，所以可进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统简写为ATS。这些仪表除了完成原有电压表的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高准确度，实现了仪器、仪表的所谓“智能化”。当前，智能表发展十分迅速，而微处理式电压表在智能仪表中占的比重最大，智能化的电压表为实现各种物理量的动态测量提供了可能。智能化数字电压表有以下几个突出的本领可以程序控制利用事先编好的程序，可以让数字仪表自动按程序进行操作。例如在测量时可以按程序完成自动校准、自动调零、自选量程，然后进行自动测量。测量得到的数据又可以按程序进行自动计算、自动判断后进行自动调节和自动控制，并把数据按要求送往数据处理中心。在测量系统发生故障时或者利用测量的间隙，它又有自动诊断、自动排除故障的能力。所有这些工作又都是严格地按规定好的程序自动进行，不需要人的干预。人在做测量工作时还可能因为精神因素引入各种人为的误差甚至造成失误，而这种自动测量却可以二十四小时不停地工作2。有自校和自动修正误差的能力数字电压表的突出优点是准确度高，但为了取得高准确度，数字电压表也付出了很高的代价，不得不使用一些高精度、高稳定度的元器件和使用各种复杂的电路。数字电压表智能化以后，由于它有记忆、判断、运算和贮存数据的功能，因此它可以在测量的间隙中，自动对工作条件如温度、湿度、气压、频率等的变化按给定的关系式进行计算，求出修正值，再根据误差理论按编好的程序对测得的一系列数据自动进行计算求出整个测量系统购误差，最后把它存进存贮器。在下一个测量周期内，智能电压表能从测得的结果中自动地扣除这个系统误差。这样，就可以不再使用那些复杂的电路和高精度、高稳定度的元器件而同样可以得到很高的测量准确度。再加上双积分电路可以集成化，于是使得智能化的数字电压表体积缩小、结构简化、成本降低，而质量仍很高，这对提高数字电压表的准确度和推动数字仪表的普及是极有利的。自动变换数据由于智能化仪表有运算功能，因此它能用测量一些简单的数据，通过推算的办法，求出一些复杂或难以测量的数据来。例如我们可以从测量的电容量C或电感量L通过关系式求出Q值、频率、周期、波形等等。这对简化测量方法是很有用的。有自检、自修复能力智能电压表可以按程序对仪表进行自检，如果发现了故障还可以立即转入自修复程序，自动找出故障并修复。有些不允许停止控制的仪表炼钢护、化工反应炉、飞行器等，还可以把关键部分的备件放进仪表内，当自检时发现故障后，它会立即自动转换到备用电路上工作，保证控制不间断。由于智能仪表的这些优点，从上世纪七十年代末开始各国的数字仪表已转向智能化仪表生产，进入八十年代后除了普及型的数字电压表外，高档的数字电压表都已改为带微处理器的数字电压表3。13研究内容研究项目属于单片机技术实际应用，该数字电压表测量的范围为直流电压数据，工作原理是以51单片机为控制中心，A/D转化采用常见的ADC0809，通过RS232串口通讯传输所测电压数据，可与外部PC机进行通信。显示部分用的是七段数码管，将所采集到的数据通过单片机转换输出至数码管上进行显示。2系统设计方案21设计思想数字电压表是电压测量的常用仪器，本电压表采用AT89C51单片机为核心器件，测量电路由A/D转换，数据处理、及显示部分组成。A/D转换由集成电路ADC0809完成，显示部分由单片机I/O端口连接LED数码管进行显示。由于ADC0809精度高，转化速度快，故采用此设计方案。22整体设计框图按照本论文设计要求和功能，将系统分为主控模块AT89C51、A/D转换模块、LED数码管显示模块、看门狗，EEPROM，通信接口等。数字电压表设计整体框图如图所示，主控模块采用常见的AT89C51，模数转换模块采用8位的ADC0809，显示模块采用的是4位的七段数码管，看门狗采用的是X5045，通信接口采用RS232，系统设计包括如下模块单片机系统A/D看门狗EEPROM数码管显示模块通信接口键盘图1整体设计框图1主控模块主控模块主要作用是接收模数转换模块转换后的数字信号，在经过运算后，调用显示子程序选出相应段码输出到七段数码管进行显示，主控芯片采用常见的AT89C51单片机。2A/D模块模数转换功能是将输入连续的的模拟电压量转换成数字量，本设计中采用的是8位的转换芯片ADC0809，具有精度高，速度快等优点。3显示模块通过编写程序，调用显示子程序可以完成对测量到的电压数值进行实时显示，显示模块采用常见的4位七段数码管4。4看门狗模块微处理器在运行中会受到各种各样的干扰，如电源及空间电磁干扰，当其超过抗干扰极限时，就有可能引起微处理器死机或程序跑飞，有了看门狗这个监控者，就能够在MCU死机或程序跑飞后，重新使它复位运行，本设计中采用XICOR公司的X5045。5EEPROM模块EEPROM可以存储采集到的数据。6通信接口模块通过编程可以实现对测量的电压数值进行传输，远程通信，通信接口采用RS232。7键盘模块键盘的主要功能是数据通道的选择，采用编码式键盘设计。3系统软件设计主控模块完成初始化后开始调用A/D转换子程序，数模转换模块开始采集电压信号，完成采集后给出完成信号，主控模块采用中断方式，接收到信号后读取数字量输出至显示模块，当需要保存采集到的电压数据则可以存入EEPROM中，系统软件设计还可以对电压数据与PC机进行数据传输，可以调用串口传输模块，完成对电压数据的传输工作。31主控模块软件设计311AT89C51本系统采用的AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及AT89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。AT89S51具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器，128BYTES的随机存取数据存储器RAM，32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器5。312内部结构单片机有4个I/0端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器即专用寄存器POP3、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为POP3。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/0端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，PO口分时作为低8位地址线和双向数据总线。在作为一般的通用I/O输入时，都必须先向锁存器写入“1”以免误读数据。313软件设计主控模块工作主要是接收模数转换模块输出的数字量，将接收到的数据进行一些列的运算，并处理运算的结果，将所得的数据送至显示缓存区，待延时时间到，送至数码管显示。主程序流程图如图2所示，程序见附录2。开始初始化调用A/D转换延时后读A/D转换的结果对A/D转换的结果进行运算DOUT5/255对运算后的结果进行处理，分别得到个，十位的数字并将这数字分别存入显示缓冲区显示图2主控模块程序流程图32模数转换软件设计在单片机应用系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成数字量，才能输入到单片机中进行处理。然后在将处理的数字量转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。将模拟量转换成数字量的过程称为A/D转换，将数字量转换成模拟量的过程称为D/A转换。ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关型AD转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。321主要性能指标1分辨率为8位。2最大不可调误差1LSB。3单电源5V供电，基准电压由外部提供，典型值为5V，此时允许输入模拟电压为05V。4具有锁存控制的8路模拟选通开关。5可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。6功耗15MW。7换度取决于芯片的时钟频率。时钟的频率范围101280KHZ，当CLK500KHZ时，转换时间为128US。322内部逻辑机构ADC0809内部逻辑结构如图3所示。8位A/D转换器三态输出锁存器8路模拟量开关地址锁存与译码IN0IN7ADDAADDBADDCALEEOCOEVREFVREFSTARTCLKD0D7VCCGND图3ADC0809内部逻辑机构1IN0IN78路模拟信号输入端。2ADDA、ADDB、ADDC3位地址码输入端，8路模拟信号转换选择由A、B、C决定，A为低位，C为高位，与低8位地址中A0A2连接，由A0A2地址000111选择IN0IN78路A/D通道，真值表如表1所示。3CLK外部时钟输入端。时钟的频率高，允许范围为101280KHZ，典型值为640KHZ，此时A/D转换时间为100US。通常单片机ALE端直接或分频后与ADC0809的CLK端相连接。当MCS51型单片机无读写外RAM操作时，ALE信号固定为CPU始终频率的1/6，若晶振为6MHZ，则1/6为1MHZ，则A/D转换时间为64US。4D0D7数字量输出端。5OEA/D转换结果输出允许控制端。当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从D0D7端输出。通常MCS51型单片机RD端和ADC0809片选端例如P20通过或非门与ADC0809的OE端相连接。当DPTR为FEFFH，且执行指令后，RD和P20均有效，或非后产生高电平，使ADC0809的OE端有效，ADC0809将A/D转换结果送入数据总线P0口，CPU再读入A中。表1ADDA、ADDB、ADDC真值表ADDCADDBADDA输入通道000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN76ALE地址锁存允许信号。8路模拟通道地址由A、B、C输入，在ADC0809的ALE信号有效时将该8路地址锁存。7START启动A/D转换信号。当START端输入一个正脉冲时，立即启动ADC0809进行A/D转换。START端与ALE端连在一起，有单片机WR和ADC0809片选端通过或非门相连，当DPTR为FEF8H时，执行读指令后，将启动ADC0809模拟通道中0通道的A/D转换。FEF8HFEFFH分别为8路模拟输入通道的地址。执行写指令，并将A中的内容写进ADC0809，而是产生WR信号和P20有效，从而使ADC0809的START和ALE有效，且输出A/D通道0地址为A0A2。8EOCA/D转换结束信号。当启动A/D转换结束后，EOC输出低电平，转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换结果。该信号取反后，若与51型单片机引脚INT0或INT1连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号，也可以采用查询方式。9VREF、VREF正负基准电压输入端。基准电压的典型值为5V，可与电源电压5V相连，但电源电压往往有一定波动，将影响A/D精度。因此精度要求较高时，可用高稳定度基准电压输入，当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5V的数值。10VCC正电源电压5V。11GND接地端6。323数据采集软件设计开始启动测试A/D转换结束读数据ADC0809地址加1地址数INCLUDESBITA1P34/数码管的位选信号SBITA2P35SBITA3P36SBITA4P37SBITOEP30UNSIGNEDINTAA/输入的电压值UNSIGNEDCHARADC0808VOIDDELAYUNSIGNEDINTT/延时程序VOIDDISPUNSIGNEDCHARLEDMAP20/共阴数码管0X3F，0X06，0X5B，0X4F，0X66，/0，1，2，3，4，0X6D，0X7D，0X07，0X7F，0X6F，/5，6，7，8，90XBF，0X86，0XDB，0XCF，0XE6，/带点的090XED，0XFD，0X87，0XFF，0XEF（4）主程序VOIDMAINEA1IT01