数字电压表的制作毕业设计说明书VIP

数字电压表的设计与制作卢永亮（陕西理工学院 电信工程系 电子信息工程专业，2006 级 1 班，陕西 汉中 723003）指导教师：陈正涛摘要 随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因 为电压的测量最为普遍。在参 阅大量数字电压表的基础上的数字直流电压表，所测量范围直流电压为 0500V， 测量精度为 0.08v。它以 单片机 8951 为核心，主要由转换电路将输入的模拟量转换为数字量的 A/D 转换器 ADC0809，液晶显示器 1602 构成。关键词:单片机； 模数转换；按 键开关；液晶显示；Design and manufacture of digital voltmeterLu Yong Liang(Shaanxi University of Technology, Dept. of Communication Engineering, profession of electronic information engineering, grade 2006 class1, shaanxi hanzhong 723003)Teacher: ChenZhengTaoAbstract：With the development of electronic science and technology, electronic measurement become the e-worker must have the means, the measurement accuracy and functional requirements of increasingly high, while the voltage measurement is very strong, because the voltage measurement of the most common. In a large number of digital voltage meter read based on the digital DC voltage meter, the measuring range DC voltage 0 500V, measurement precision is 0.08v. It is based on 8951 MCU core, mainly by the conversion circuit to convert analog input to digital volume A / D converter ADC0809, LCD display 1602 form. Key words: SCM; analog-digital conversion; button switch; liquid crystal display;目 录引 言 .11系统设计方案的选择 .31.1 基于分立元件的电压表 .31.2 基于单片机系统及 A/D 转换芯片的电压表。 .31.3 单片机简介及本设计单片机的选择 .31.3.1 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择 .31.3.2 本设计使用的单片机的简介 .41.4 各种显示器件的介绍和选择 .61.4.1 常用显示器件简介 .61.4.2 1602 液晶的参数资料 .61.5 模数（A/D）转换芯片的选择 .81.5.1 常用的 A/D 芯片简介 .81.5.2 模数（A/D）芯片 ADC0809 的资料 .82总体设计 .162.1 技术要求 .162.2 设计方案 .163硬件电路系统模块的设计 .173.1 单片机系统 .173.2 输入电路 .183.3 A/D 转换芯片与单片机的连接 .183.4 1602 液晶与单片机连接 .193.5 按键控制电路设计。 .204系统软件的设计 .224.1 汇编语言和 C 语言的特点及选择 .224.2 主程序的设计 .235系统的调试 .245.1 硬件调试 .245.2 软件调试 .24总结 .25致 谢 .26参考文献 .27附录 A：英语科技文献原文及其翻译稿 .28附录 B：电路总图 .34附录 C：实物图 .35附录 D：元器件清单 .36附录 E：源程序 .37引 言数字电压表出现在 50 年代初，60 年代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：按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。按显示位数来分：有 4 位，5 位，6 位，7 位，8 位等。按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。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，是一种必不可少的电子测量仪表。1设计方案的选择 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 基于分立元件的电压表 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 基于单片机系统及 A/D 转换芯片的电压表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。1.3 方案的选择2 硬件电路的设计1.3 单片机简介及本设计单片机的选择1.3.1 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。1.3.2 本设计使用的单片机的简介本设计中选用是 51 系列的 AT89C51，它是低电压、低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机，片内含4KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器，32 个 I/O 口线，片内振荡器及时钟电路，并与 MCS-51 系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将 A/D 转换器、显示器等通过 I/O 口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现册电压的功能。下图 1.1 为 AT89C51 单片机内部结构框图：图 1.1 AT89C51 单片机内部结构框图从内部结构图框图上可以看出 AT89C51 单片机包括一下资源：（1） 一个 8 位的 CPU（2） 一个片内振荡器及时钟电路（3） 4KB 的 FLAShROM（4） 128 的内部 RAM（5） 可扩展 64KB 外部 ROM 和外部 RAM 的控制电路；（6） 2 个 16 位的定时/计数器（7） 26 个特殊功能寄存器（8） 4 个 8 位的并行口（9） 一个全双工的串行口（10） 5 个中断源，2 个外部中断，3 内部中断（11） 内部硬件看门狗电路（12） 一个 SPI 串行接口，用于芯片的在系统编程AT89C51 单片机有四十个引脚，其引脚图同图 2.3，引脚可分为四类：电源和地，时钟，控制和 I/O 口。管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位双向 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，被内部上拉为高电平，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。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址期间，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 FLA