简易数字电压表的设计【优秀毕业课程设计】

摘 要 随着 时代的进步及 单片机技术的发展，单片机广泛的应用与测量技术中。以往的测量技术与之相比，只能将被测量通过指针式指示仪表显示测量数值，但是指针式仪表读数不方便，且不易于实现计算机控制。 指针式的测量不够精确，随着长时间的使用可能会造成欧姆调零以及机械调零的磨损，这都会对数据的测量造成很多困难，而采用数字式电压表来测量就可以避免这种情况的发生，而且操作更加方便。 本文中数字电压表的控制系统采用 现模拟电压信号的检测与显示 ， A/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/程测量结果传送等功能。数字电压表可以测量 05路输入电压值，并在四位 设计结果能实现相应的功能。 关键词： 转换器 ; 单片机 ; 数码管 ; 数字电压表 目 录 1. 引言 . 1 计背景 . 1 计目的 . 2 品要求及功能 . 2 2. 总体设计 . 3 模块方案选择与论证 . 3 体设计框图 . 3 3. 系统硬件电路设计 . 5 片机芯片选择 . 5 要特性 . 5 脚说明 . 6 荡器特性 . 8 片擦除 . 8 A/. 9 功能描述 . 9 工作原理 . 10 用说明 . 10 压 显示电路 . 10 钟电路设计 . 11 位电路设计 . 12 4. 系统程序设计 . 13 件总体框架设计 . 13 /数转换测量子程序 . 13 . 14 5. 制作与调试 . 16 件电路的布线与焊接 . 16 试 . 16 统硬件调试 . 16 统软件调试 . 16 试心得 . 17 试数据 . 17 6. 结论 . 19 参考文献 . 20 谢 辞 . 错误 !未定义书签。 附 件 . 22 附件 1 实物图 . 22 附件 2 系统原理图 . 23 附件 3 系统 . 24 附件 4 元器件清单表 . 25 附件 5 简易数字电压表的源程序 . 26 1 1. 引言 数字电压表（ 简称 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。数字电压表自从一九五二年问世以来，随着电子技术的飞跃发展，特别是目前，作为测量仪表、模拟指示仪表的数字化以及自动测量的系统，而得到了很大的发展。数字电压表是从电位差计的自动化这种想法研制出来的，因此即便是最初的数字电压表，其精度也要比模拟式仪表高，而其成本比电位差计也高。以后， 片机可单独的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，可以用软件控制来实现，并能够实现智能化 1。 计背景 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 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，数字化测量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繁琐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 2。 2 计目的 通过制作简易数字电压表，加深对所学专业知识的认识，提高分析、解决工程实际问题的能力，提高对单片机的应用能力，提高收集文献、资料的能力，从而达到综合运用所学的专业知识进行电子产品的设计、制作与调试的能力。 品要求及功能 设计的基本内容是使基于单片机所设计出的数字电压表可以测量 0 8 路输入电压值，并在四位 量最小分辨率为 量误差约为 统除能确保实现要求的功能外 ，还可以方便地进行 8路其他A/程测量结果传送等功能。所要解决的主要问题是如何更有效地设计出符合设计要求的简易数字电压表，特别是要注意其测量电压的误差，难点是数码管需轮流显示或单路显示所测出的电压值，并且能使软硬件有效的结合起来 3。 基本功能： 1) 电压测量范围 0) 能用数码管显示电压值 3) 测量误差 ) 系统具备复位功能 5) 系统具备选择显示功能 3 2. 总体设计 模块方案选择与论证 A/D 转换模块： 方案一： A/输入信号，流经取样电路取样后送到 ，只需要很少的简单外围元件，就可组成数字电流表模块，直接驱动三位半 后输入电流在显示部分显示。由于本人对此电路布熟悉，而且 大的确定就是数字乱跳不稳定，特别最后一位。所以不采用此方案。 方案二： 采用 中 A/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/换时间为100拟输入电压范围为 0V+5V，不 需要零点和满刻度校准，功耗低，约 15 由于模拟转换电路的种类很多，通过对转换速度，精度和价格方面考虑，所以选择方案二采用 本次设计的转换芯片 4。 接口模块 ： 方案一：使用数字电路实现，采用译码芯片 为接口芯片，这种方案能实现功能，但稳定性不高，结构复杂。 方案二：采用 片机作为系统的控制单元，通过 A/由单片机来送显。此方案各功能易于实现，成本低、功耗低，显示稳定。 通过比较，选择方案二。 体设计框图 总 体设计框图如图 2通过模数转换器 51单片机的控制与 74采集的数据显示在 4 管上。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 8路电压值 5。 图 2易数字电压表 总体设计框图 0 1 示器 上电复位 串口通信 电源电路 5 3. 系统硬件电路设计 片机芯片选择 绍 单片机采用 性能 有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在线系统可编程 得 效的解决方案。 8256字节 2 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， 许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 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（ 时 /计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路 6。 要特性 0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， 片上 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 其将通用的微处理器和 别是可反复擦写的 7。 其功能如下所示： 1) 与 2) 83) 1000次擦写周期 4) 全静态操作： 03) 三级加密程序存储器 6 6) 32个可编程 I/7) 三个 16位定时器 /计数器 8) 八个中断源 9) 全双工 行通道 10) 低功耗空闲和掉电模式 11) 掉电后中断可唤醒 12) 看门狗定时器 13) 双 数据指针 14) 掉电标示符 8 脚说明 电电压。 地。 位漏级开路双向 I/脚可吸收 8 时，被定义为高阻输入。 可以被定义为数据 /地址的第八位。在 作为原码输入口，当 0输出原码，此时 位双向 I/后，被内部上拉为高，可用作 输入， 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 位双向 I/出 4个 1”时，其引脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6位地址外部数据存储器进行存取时， 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， 个带内部上拉电阻的双向 I/接收输出 4个 7 当 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， 是由于上拉的缘故。 表 表 第二功能 行口输入） 行口 输出） 部中断 0输入） 部中断 1输入） 0（定时器 0外部脉冲输入） 1（定时器 1外部脉冲输入） R（外部数据存储器写脉冲输出） D（外部数据存储器读脉冲输出） 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 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 引脚用 于输入编程脉冲。在平时， 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 想禁止 。此时， 外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 位无效。 /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 /在访问外部数据存储器时，这 两次有效的 / / /在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， / /间内部程序存储器。在 引脚也用于施加 12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 8 自反向振荡器的输出 9。 图 3脚图 荡器特性 别为反向放大器的输 入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 10。 片擦除 整个 保持 0完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， 有稳态逻 辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，能保存 止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止 11。 9 、以逐次逼近原理进行模 数转换的器件。下面 3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/12。 图 3图 A/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/且，有些 A/于高速 A/前常用的方法主要是相干采样测试法和加窗测试法 13。 要特性如下： 8 路 8 位 A/D 转换器，即分辨率 8 位； 具有锁存控制的 8 路模拟开关； 易与各种微控制器接口； 10 可锁存三态输出，输出与 容； 转换时间（ f=500:128 转换精度： 单个 +5V 电源供电； 模拟输入电压范围 0 +5V，无需外部零点和满度调整； 低功耗，约 15 工作原理 工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ，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。 降沿启动 A 后 示转换正在进行。直到A D 转换完成， 为高电平，指示 A D 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 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上 14 。 用说明 1) 部带有输出锁存器，可以与 接相连。 2) 初始化时，使 号全为低电平。 3) 送要转换的哪一通道的地址到 A,B,C 端口上。 4) 在 给出一个至少有 100 的正脉冲信号。 5) 是否转换完毕，我们根据 号来判断。 6) 当 为高电平时，这时给 高电平，转换的数据就输出给单片机了。 压 显示电路 设计中采用的是 8 段 码管来显示电压值。 有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由 8个发光二极管组成，其中 7个按 8字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。把 8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法。当发光二极管导通时，相应的一段笔 画或点就 11 发亮，从而形成不同的发光字符。其 8 段分别命名为 dp g f e d c b a。例如，要显示“ 0”，则 dp g f e d c b a 分别为： 1100 0000B；要显示“ A”，则 dp g f e d c b 0001 0001B（共阳极）。若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为低电平就可以了。 根据设计要求，显示电路需要 4 位 码管来显示电压值，我们再多加一位用来显示电压单位“ V”，则有 7 位 环显示。利用单片机的 I/O 口驱动 码管的亮灭，设计中由 驱动 段码显示，即显示字符，由 选择 图 3压显示电路 另外，一般 I/O 接口芯片的驱动能力是很有限的，在 示器接口电路中，输出口所能提供的驱动电流一般是不够的尤其是设计中需要用到多位 时就需要增加 动电路有多种，常用的是 本设计中采用了 74片驱动电路，如上图 315。 钟电路设计 单片机工作是在同一的时钟脉冲下一拍一拍的进行的，这个脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。单片机的时序就是 执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按时序进行工作。 12 89于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需要附加电路。 89种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用单 片机内部的高增益反相放大器，外部电路简单，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图 3 图 3钟电路 位电路设计 复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用是使 从这个状态开始工作，单片机复位后（ 平），从 0000 单片机的 脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为 2个机器周期以上。 单片机的复位方式有上电复位和手工复位两种，图 31系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要 们都能很好的工作。 图 3位电路 13 4. 系统程序设计 件总体框架设计 图 4流程图 如图 4 主流程图， 本软件充分采用了模块化设计，包括主程序，显示控制程序，显示数据转为三位 示子程序，延时程序，电压测量子程序，按键检测子程序等子程序。 首先初始化程序，所谓初始化，是对将要用到的 列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作设定。初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式、初值预置、开中断和打开定时器等。系统上电时，将 70H77单元清 0， 。 在刚上电时，因 70H77，则每一通道的数码管显示值都为0。当进行一次测量后，将显示每一条通道的 A/D 转换值。每个通道的数据显示时间在 1程序在调用显示程序和测试程序之间循环 17。 /数转换测量子程序 显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的 A/0H77量数据在显示时需转换成 10进制 8H7中 7存器 路循环控制， 址指针。 其程序流程图如图 4 开始 初始化 调用 A/D 转换子程序 调用显示子程序 14 图 4A/示子程序 显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示。在采用动态扫描显示方式时，要使得 示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。当扫描频率在 70右时，能够产生足够的图像和较好的显示效果。一般可以采用间隔 10 行动态扫描一次，每一位 显示时间为 1 在 单片机中，定时功能既可以由硬件（定时 /计数器）实现，也可以通过软件定时程序实现。软件延时程序占用 时间，因此，它降低了 利用率；硬件定时是利用单片机内定时器定时，启动以后定时器可与 行工作，不占用 启动测试（ A/D 转换结束？ ？ 取数据（ ） 0809 地址加 1 地址数小于 8？ 结束 15 的时间，使 作有较高的工作效率。由于本设计简单，可靠性较高，因而采用软件实现的方式对 影响不大。 在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器 0 溢出中断功能实现 11时，通过软件延时程序来实现 5延时。 时器中断服务程序的功能： 从显示缓冲 区分别取出 4 位 示器显示数据的位码和段码，送到 ，依次显示每一位，每一位的显示时间为 5示 4 位需要 20时间。 0 的计数初值 设时钟频率为 121 个机器周期时间为 1时器产生 11定时，可以计算出计数值和计数初值： 计数值 =定时时间 /机器周期时间 =111 计数初值 =25645 初值寄存器的初值为： 45； 0H 工作方式寄存器 2H,时器，工作方式 56 16 5. 制作与调试 件电路的布线与焊接 根据原理图生成 ，在把完成的 打印到转印纸上，然后用热转印制作线路板。做出线路板后再打孔，注意钻头尺寸。然后是元器件的焊接，焊接时要注意元器件的正负极，不要焊错。还要注意不要虚焊 ,虚焊是很难检查的。因为是双面板，有铜线相连的焊盘正反面都要焊，以确保线路连通，所以必须万分仔细，避免漏焊。 试 统硬件调试 在系统上电开始测量前，要用万用表的电压档对被测电压进行估测，然后以此选择适当的量程，防止过大电压烧坏 A/D 转换器。首先用万用表按照原理图逐步检查印刷板中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，有否断路、短路或者虚焊，尤其是给电路供电的电源部分要重点检查，用数字万用表测量输出端的电压是否为 +5V，是否稳定，能输出 +5V，且稳定即可说明电源电路的设计基本达到要求。如果电压要求没有达到，要及时排查给与解决，以免烧坏芯片和其他元器件。 统软件调试 软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序的错误，同时也能发现硬件的故障。软件调试是一个模块进行的。首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功 能，接口电路的控制是否正常。最后调试整个程序。尤其注意的是各模块间能否正确的传递参数。 1) 检查 主程序中调用 和 函数，观察在 果不能，则在相关的子程序中设计断点，反复调试直到能够显示。 2) 检查按键模块程序。本设计的按键模块程序是用状态机的方法，可以在 17 显示一个字符在 察是否能正确显示。 3) 检查 A/D 转换模块程序。可以在硬件电路的输入端输入已知的几个电压，分别观察 显示相应的电压值。 4) 检查数据的转换模块程序。可以输入相应电压，观察 示的电压值是否一致。如果一致。则数据转换的算法正确的。 5) 总调试。当相应的各模块环节都正确后，可程序下载到单片机。接上电源运行。再检查所有功能，观察是否能预期的一样。如果一样，说明设计成功完成。 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，一开始程序是使用静态显示方法。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。 试心得 回顾起此次 毕业 设计，我感慨颇多，从理论到实践，在整整 几 个月的日子里，我学到很多很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的内容。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程遇到了各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢 固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。 试数据 调试完后，对电路进行精度、准确度进行测试，为了保证精确度，要多测几个点，除了零点和满度值外，再选择两个中间值进行比较，测试结果如表 示。 18 输入值（ V） 测量值（ V） 0 0000 1 试数据表 以上数据符合要求，测试成功。 19 6. 结论 经过接近两个月的努力，终于完成了毕业设计 简易数字电压表的设计。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。本次实验采用了 以往我们所熟悉的 片有许多不同之处，通过本次设计，我对其之间区别有了一定的认识， 基础上增加了许多新的功能，使其功能更完善。 经过这个设计，在大学多门专业课的知识都得到了巩固的同时，对自己的身心也有很好的帮助。由于第一次做这种设计，对电路的理解，元器件的多样性等理解的不是很透彻，现在电子器件发展日新月异，新的器件如雨后春笋般出现，也不可能一一尝试，所以还肯定有很多值得 改进的地方。在以后的实践中，我将继续努力学习电子电路设计，力争取得更大的进步。 毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。而且培养了吃苦耐劳的精神以及相对应的工程意识，同学之间的友谊互助也充分的在毕业设计当中体现出来了 ，特别是在之前的查找资料，身旁的同学都给予了不少的帮助与支持。 20 参考文献 1沙占友 M. 北京： 机械工业出版社， 2006， 1 2 余永权 ，汪明慧，黄英 M电子工业出版社， 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