数字电压表设计毕业设计.pdf

1 目录目录 摘要 . 3 关键词 . 3 1.设计目的 . 3 2.设计要求 . 4 3.方案论证与设计 . 4 3.1 方案 4 3.2 总体设计框图 5 4.硬件电路设计 . 6 4.1 单片机系统 6 4.1.1 主要特性 7 4.1.2 管脚说明 7 4.2 复位电路设计 10 4.3 时钟电路设计 10 4.4 显示系统设计 11 4.4.1led 基本结构 11 4.4.2led 显示器的选择 12 4.4.3led 译码方式 13 4.5ad 采集转化电路设计 14 4.5.1 adc0809a/d 功能描述 14 4.5.2 adc0809a/d 转换芯片的原理 15 4.5.3 adc0809 数据采集 16 5.程序设计 . 16 5.1 总体方案 16 5.1.3 数据处理子程序 . 17 5.1.4 显示子程序 19 6.调试及性能分析 . 24 2 6.1 硬件调试 24 6.2 软件调试 24 6.3 性能分析 25 6.4 仿真结果 25 7. 总结 . 27 8.参考文献 . 28 9.附件 . 29 3 摘要摘要 在现代检测技术中，常用高精度数字电压表进行检测，将检测到的数据送入 微型计算机系统，完成计算、存储、控制等功能。本文中数字电压表的控制系统 采用 at89c51单片机，a/d 转换器采用 adc0809为主要硬件，实现数字电压表的 硬件电路与软件设计。 该系统的数字电压表电路简单， 所用的元件较少， 成本低， 调节工作可实现自动化/还可以方便地进行8路 a/d 转换的测量， 远程测量结果传 送等功能。数字电压表可以测量05v 的8路输入电压值，并在四位 led 数码管上 轮流显示或单路显示。设计结果能实现相应的功能。 关键词关键词 单片机；数字电压表；a/d 转换器；模拟信号 1.1.设计目的设计目的 数字电压表就是采用数字化技术， 把需要测量的直流电压转换成 数字形式，并显示出来。 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。同时随着 微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现， 特别是单片机的 出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命 。 由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统， 以及灵敏度和精 度较高的 a/d 转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能 可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高 4 的智能化水平。 数字电压表相对于指针表而言读数直观准确，电压表的数字化是 将连续的模拟量转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。 这有别 于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法， 避免了读数的视差和视觉 疲劳。 本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容， 本系统主要包括 三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，a/d 转换采 用 adc0808 对输入的模拟信号进行转换， 控制核心 at89c51 再对转换 的结果进行运算处理，最后驱动输出装置 led 显示数字电压信号。 2.2.设计要求设计要求 以单片机为核心，设计一个数字电压表。采用中断方式，对 2 路 05v 的模拟电压进行循环采集，采集的数据送 led 显示，并存入内 存。超过界限时指示灯闪烁。 3.3.方案论证与设计方案论证与设计 3.13.1 方案方案 一一：a/d 转换器采用 icl7071 型三位半显示的芯片，输入信号， 流经取样与电路取样后送到 icl7071 型三位半 a/d 转换器， 只需要很 少的简单的外围元件，就可组成数字电流表模块，直接驱动三位半 led 显示器显示，最后输入电流在现实部分显示。这块是用 led 数字 5 表，最大的确定就是数字乱跳不稳定。实用数字电路实现，采用译码 芯片 cd4543 作为接口芯片， 这种方案实现功能但是稳定性不高 结构 复杂。 方案方案二：二：用 adc0809 转换芯片，其中 a/d 转换器用于实现模拟量 数字量的转换，单电源供电。它是具有 8 路模拟量输入，8 位数字量 输出功能的 a/d 转换器，转换时间为 100vs，模拟输入电压范围为 0v5v，不需零点和满刻度校准，功耗低，约 15mw。转换速度快而且 精度高 价格低廉 所以选择用 adc0809。采用 at89s51 单片机作为系 统的控制单元，通过 a/d 转换将被测值转换为数字量送入单片机中 再有单片机来送显，此方案各类功能易于实现，成本低 功耗低 显示 稳定8。经过以上两种方案的特点比较，方案二中的电路设计采用 比较常见的元器件， 具体有转换速度快、 稳定而且精度高， 价格低廉， 故采用第二种方案。 3.23.2 总体设计框图总体设计框图 总体设计框图如图 1 所示， 通过模数转换器 adc0809 采集模拟数 据并转换为数字信号， 在 51 单片机的控制与 74ls74 及三极管的驱动 下，将采集的数据显示在 led 数码管上8。两个开关用作选择测量 电压的路数，一个控制单路显示，另一个控制循环显示，能够同时测 量能够同时测量 8 路电压值。 6 at89c51 时钟电路 复位电路 a/d转换电路 测量电压输 入 显示系统 图 1 简易数字电压表总体设计框图 4.4.硬件电路设计硬件电路设计 4.14.1 单片机系统单片机系统 at89c51 是一个低电压，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据 存储器（ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生 产， 兼容标准 mcs-51 指令系统， 片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元， 内置功能强大的微型计算机的 at89c51 提供了高性价比的 解决方案。 at89c51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输 入/输出（i/o）端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定 时计数器,2 个全双工串行通信口， at89c51 可以按照常规方法进行编 程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 flash 存储器结合在一 起，特别是可反复擦写的 flash 存储器可有效地降低开发成本。 报警系统 7 4.1.14.1.1 主要特性主要特性 at89c51 能与 mcs-51 兼容 ，4k 字节的可编程闪烁存储器，寿 命为 1000 写/擦循环，数据能保留 10 年，全静态工作为 0hz-24hz。 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，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。 4.1.24.1.2 管脚说明管脚说明 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。 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 8 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，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。 /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 。 vcc：供电电压。 gnd：接地。 9 图 2 at89c51 的引脚图 p3.0 rxt（串行口输入） p3.1 txd（串行口输出） p3 口各位 第二功能 p3.2 /int0（外部中断 0 输入） p3.3 /int1(外部中断 1 输入) p3.4 t0（定时器/计数器 0 的外部输入） p3.5 t1（定时器/计数器 1 的外部输入） p3.6 /wr（片外数据存储器写允许） p3.7 /rd（片外数据存储器读允许） 表 2 p3 口各位的第二功能 10 4.24.2 复位电路设计复位电路设计 图 3 复位电路 单片机在启动运行时都需要复位， 使 cpu 和系统中的其他部件都 处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。mcs-51 单片机 有一个复位引脚 rst,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要 该引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。 复位 完成后， 如果 rst 端继续保持高电平， mcs-51 就一直处于复位状态， 只要 rst 恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复 位方式有上电自动复位和手动复位两种，图 3 是 51 系列单片机统常 用的上电复位和手动复位组合电路，只要 vcc 上升时间不超过 1ms， 它们都能很好的工作。 4.34.3 时钟电路设计时钟电路设计 单片机中 cpu 每执行一条指令， 都必须在统一的时钟脉冲的控制 下严格按时间节拍进行， 而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路 11 发出的。cpu 执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机 的时序。mcs-51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构 成震荡器，xtal1 为该放大器的输入端，xtal2 为该放大器输出端， 但形成时钟电路还需附加其他电路。 本设计系统采用内部时钟方式， 利用单片机内部的高增益反相放 大器，外部电路简， 只需要一个晶振和 2 个电容即可， 如图 4 所示。 图 4 时钟电路 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定， 也可以参考一些典 型电路的参数，电路中，电容器 c1 和 c2 对震荡频率有微调作用，通 常的取值范围是 3010pf，在这个系统中选择了 33pf；石英晶振选 择范围最高可选 24mhz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频 率， 在本系统中选择的是 12mhz， 因而时钟信号的震荡频率为 12mhz。 4.44.4 显示系统设计显示系统设计 4.4.1led4.4.1led 基本结构基本结构 led 是发光二极管显示器的缩写。 led 由于结构简单、 价格便宜、 12 与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。led 显示器是由若干个发 光二极管组成显示字段的显示器件。 在单片机中使用最多的是七段数 码显示器。led 七段数码显示器由 8 个发光二极管组成显示字段，其 中 7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光 二极管在显示器的右下角作为显示小数点用， 其通过不同的组合可用 来显示各种数字。led 引脚排列如下图 5 所示: 图 5 led 的基本结构 4.4.2led4.4.2led 显示器的选择显示器的选择 在本设计中，选择 4 位一体的数码型 led 显示器。本系统中前一 位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。4-led 显 示器引脚如图 6 所示，是一个共阴极接法的 4 位 led 数码显示管，其 中 a，b，c，e，f，g 为 4 位 led 各段的公共输出端，1、2、3、4 分 别是每一位的位数选端，dp 是小数点引出端，4 位一体 led 数码显示 管的内部结构是由 4 个单独的 led 组成， 每个 led 的段输出引脚在内 部都并联后，引出到器件的外部。 13 图 6 4 位 led 引脚 对于这种结构的 led 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位 led 阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描 方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个 i/o 接口控制）显 示。 4.4.3led4.4.3led 译码方式译码方式 译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式， 通常的 译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。 由于本设计采用的是共阴 极 led，其对应的字符和字段码如下表 3.3 所示。 显示字符 共阴极字段码 0 3fh 1 06h 2 5bh 3 4fh 4 66h 5 6dh 6 7dh 7 07h 8 7fh 14 9 6fh 表 2 共阴极字段码表 4.54.5adad 采集转化采集转化电路设计电路设计 4.5.14.5.1 adc0809a/dadc0809a/d 功能描述功能描述 adc0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换 的器件。下面图 7 是 adc0809 管脚介绍，其内部有一个 8 通道多路开 关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入 信号中的一个进行 a/d 转换。 图 7 adc0809 管脚图 a/d 转换器是连接模拟世界与数字世界的桥梁，它担负着将模拟信号 变换成适合数字处理的二进制代码的任务。目前，8 位 a/d 转换器的 转换速度已经达到 1.5ghz；并且，有些 a/d 转换器还可以工作在欠 采样状态。对于高速 a/d 转换器动态性能的测试，目前常用的方法主 要是相干采样测试法和加窗测试法。 15 4.5.2 4.5.2 adc0809a/dadc0809a/d 转换芯片的原理转换芯片的原理 adc0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ale=1，将地 址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 start 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad 转换，之后 eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 ad 转换完成，eoc 变 为高电平，指示 ad 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号 可用作中断申请。当 oe 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果 的数字量输出到数据总线上。 由图 8 可知，adc0809 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。三态输出锁器用 于锁存 a/d 转换完的数字量，当 oe 端为高电平时，才可以从三态输 出锁存器取走转换完的数据 图 8 adc0809 的内部逻辑结构 16 4.5.4.5.3 3 adc080adc0809 9 数据采集数据采集 adc0809 采集电压时，首先单片机执行一条传送指令，在指令执 行过程中，单片机在控制总线的同时产生 cs1、wr1 低电平信号，启 动 a/d 转换器工作，adc0809 经 100us 后将输入模拟信号转换为数字 信号存于输出锁存器，并在 intr 端产生低电平表示转换结束，并通 知单片机可来取数。当单片机通过总线查询到 intr 为低电平时，立 即执行输入指令，以产生 cs、rd2 低电平信号到 adc0809 相应引脚， 将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由单片机有序地 执行若干指令完成11 将 8 位 a/d 转换芯片 adc0809 与单片机进行如此连接， 其目的有 二：一是为了利用单片机的信息处理能力，在总线上或由总线经过功 能芯片，设置满足 adc0809 芯片启动过程的时序信号，将启动 a/d 转 换置于单片机的控制之下， 这时 adc0809 芯片的地址锁存器可以视为 i/o 接口中的只写寄存器；二是将 a/d 转换结果数据读入 cpu，这时 adc0809 芯片中的输出数据寄存器可以作为普通 i/o 接口中的只读寄 存器对待。 5.5.程序设计程序设计 5.15.1 总体方案总体方案 电路主流程如图 9 所示， 设计包括主程序， ad 数据采集子程序， 数据转为三位 bcd 码子程序，显示子程序，延时子程序，定时中断子 17 程序。初始化中主要对 at89s51，adc0809 的管脚和数码管的位选, 定时器初始化及所用到的内存单元 70h,78h,79h,7ah 进行初始化设 置。 图 9 主程流程图 5.1.2 a/d5.1.2 a/d 转换子程序转换子程序 启动 adc0809 对模拟量输入信号进行转换，通过判断 eoc（p3.1 引脚） 来确定转换是否完成， 若 eoc 为 0， 则继续等待； 若 eoc 为 1， 则把 oe 置位，将转换完成的数据存储到 70h 中。 5.1.3 5.1.3 数据处理子程序数据处理子程序 在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将 0255 十进制数字量转换成 0.005.00v 的数据，并存入到指定的内存。 初始化 调用 a/d 转换程序 调用数据处理程序 调用显示程序 开始 18 图 10 数据处理子程序流程图 图 11 a/d 转换程序流程图 19 5.1.45.1.4 显示子程序显示子程序 org 0000h ljmp start org 000bh ljmp int0 org 1000h start: clr a setb p3.3 20 mov 70h,a mov 78h,a mov 79h,a mov 7ah,a mov p2,#8fh mov p1,#0ffh mov r2,#80h mov r3,#40h mov tmod,#02h mov th0,#245 mov tl0,#00h mov ie,#82h setb tr0 main: lcall adsub jnb p3.3,$ int1: setb p3.7 mov a,p0 mov 70h,a clr p3.7 lcall trasfor lcall disply 21 ljmp main int0:cpl p2.7 reti adsub: clr p3.6 setb p3.6 clr p3.6 ret trasfor: mov a,70h subb a,r2 jnc loop3 mov a,70h subb a,r3 jc loop3 mov b,#51 div ab mov 78h,a mov a,b clr f0 subb a,#1ah mov f0,c mov a,#10 22 mul ab mov b,#51 div ab jb f0,loop1 add a,#5 loop1: mov 79h,a mov a,b clr f0 subb a,#1ah mov f0,c mov a,#10 mul ab mov b,#51 div ab jb f0,loop2 add a,#5 loop2: mov 7ah,a ret loop3: clr p2.4 clr p2.5 ret 23 disply: mov r1,#78h clr a mov p1,#000h mov p2,#0ffh lcall play setb p1.7 clr p2.1 lcall delay setb p2.1 inc r1 lcall play clr p2.2 lcall delay setb p2.2 inc r1 lcall play clr p2.3 lcall delay setb p2.3 ret play: mov a,r1 mov dptr,#tab 24 movc a,a+dptr mov p1,a ret delay: mov r6,#10h dl1: mov r7,#10h dl2: djnz r7,dl2 djnz r6,dl1 ret tab: db 3fh,06h,5bh,04fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh, end 6.6.调试及性能分析调试及性能分析 6.16.1 硬件调试硬件调试 硬件电路的设计主要利用 proteus 软件来设计， 设计布线图时注 意走线尽量少拐弯，力求线条简单明了，布线条宽窄和线条间距要适 中。 6.26.2 软件调试软件调试 单片机系统的软件采用汇编来编写。 所有代码在伟幅下编译调试， 软件调试比较复杂。先用软仿真排除语法差错和逻辑差错，然后导入 proteus仿真软件来调试。 在一开始调试时， 数码管的显示较不稳定， 感觉较闪烁，数据变化不连贯，好像在跳变。经过反复思考发现，一 25 开始程序延时时间不对，查了很多资料发现，一般数码管显示采用动 态扫描的方法，于是将程序的显示部分改成动态扫描程序，经再次调 试可以显示比较稳定的数字串了。 6.36.3 性能分析性能分析 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。 6.46.4 仿真结果仿真结果 26 27 7.7. 总结总结 经过一段时间的努力， 课程设计基于单片机的简易数字电压表基 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设计电 路。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 和伟福软件的使用方法， 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 28 真的设计流程，积累了不少经验。 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 前在学单片机课程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。 8.8.参考文献参考文献 1 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计m北京：北京航空 航天大学出版社，2004，56-123 2 天津市计算机学会单片机分会，2003 年全国单片机及嵌如入式 系统学术年会论文集（下册）c 北京：北京航空航天大学出版 社，2003，790-794 3 李光飞，楼然苗单片机课程设计实例指导m 北京：北京航 空航天大学出版社，2004，1-12 4 余永权atmel89 系列单片机应用技术m北京：北京航空航 天大学出版社，2002，103-110 5 杨文龙单片机原理及应用m西安：西安电子科技大学出版 社，1998，62-80 6 黄继昌 电子元器件应用手册m 北京： 人民邮电出版社， 2004， 29 165-204 7 刘文涛 单片机应用开