《数字电压表设计》课程设计报告.doc

教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页1 数字数字电压电压表表设计设计 课课程程设计报设计报告告 2010 年年 6 月月 28 日日 目 录 学学 校：校： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 指导老师：指导老师： 湖湖 北北 师师 范范 学学 院院 信信 息息 工工 程程 0703 班班 黄文城、张志豪、徐蜜、余娇、游薇黄文城、张志豪、徐蜜、余娇、游薇 梅斌老师、陈琦老师梅斌老师、陈琦老师 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页2 第 1 章 绪论.3 第 2 章 设计任务与要求.4 2.1 设计任务.4 2.2 设计要求.4 第 3 章 方法选择方案设计.4 3.1 方法选择.4 3.2 方案设计.5 第 4 章 硬件设计.6 4.1 模块设计电路.6 4.1.1 时钟电路.6 4.1.2 复位电路.6 4.2 PROTUES仿真电路 .7 4.2.1 电路仿真图.7 4.2.2 电路工作原理.7 4.3 逐次逼近式 A/D 转换模块设计.8 4.3.1 ADC0808 简介 .8 4.3.2 A/D 转换电路设计 .9 第 5 章 系统软件设计.10 5.1 主程序设计.10 5.2 源程序编写.11 第 6 章 系统仿真与调试.14 结 论.15 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页3 第 1 章绪论 数字电压表的基本工作原理是利用 A/D 转换电路将待测的模拟信号转换成 数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压表。较 之于一般的模拟电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读数直观、使用 方便等优点。 电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字 量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D） 。数字电压表的核心部件就是 A/D 转换器，由于各种不同的 A/D 转换原理构成了各种不同类型的 DVM。一 般说来，A/D 转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。 积分式 A/D 转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再 将其数字化。根据转化的中间量不同，它又分为 U-T（电压-时间）式和 U- F（电压-频率）式两种。 逐次逼近式 A/D 转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理， 比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯 斜坡式两种。 在高精度数字电压表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式 A/D 转换器。本设计以 AT89C51 单片机为核心，以逐次比较型 A/D 转换器 ADC0808、液晶显示器 LCD 为主体，构造了一款简易的数字电压表，能够测 量 1 路 05V 直流电压，最小分辨率 0.02V。 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页4 第 2 章设计任务与要求 2.1 设计任务 利用单片机 AT89C51 和 ADC0809 设计一个数字电压表，能够测量 05V 之 间的直流电压值，四位数码显示。 2.2 设计要求 测量最小分辨率为 0.019V,测最误差约为 0.02V。 第 3 章方法选择方案设计 3.1 方法选择 实现数字电压表的方案较多，目前广泛采用的是基于 74 系列逻辑器件方 案，本设计将介绍基于单片机实现的方案。 74 系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采样电 路+数据处理实现，被测电压信号由信号输入端加到测量系统，进行预处理后送 到后级电路。 单片机系统方案此方案采用输入处理电路+ADC0808+AT89C51+液晶显示实 现，被测信号由 ADC0808 模拟输入端输入，单片机采集转换数据，将转换数据 送出显示。 系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行 8 路其它 A/D 转换量 的测量、远程测量结果传送等扩展功能。我们做好了现在的电路图，经过仿真， 我们达到了预期的结果。 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页5 3.1方案设计 经过以上方法设计，决定采用如图 1-1 所示方案逻辑图。 图 3-1 方案逻辑图 图 3-2 设计方案原理框图 设计模块说明： 本设计方案主要有四大模块： 1、LED 显示模块 2、时钟、复位电路 3、ADC0808 数模转换模块 4、AT89C51 单片机控制模块 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页6 第 4 章 硬件设计 4.1 模块设计电路 单片机控制模块设计 单片机控制模块的作用是为控制各单元电路的运行并完成数据的换算或处 理，主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。 4.1.14.1.1时钟电路时钟电路 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的 XTAL1 和 XYAL2 两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器 1 C 和 2 C 对振荡频率有微调作用，通常取(3010)pF 石英晶体选择 6MHz 或 12MHz 都可以。时钟电路如图 4-1 所示。 4.1.24.1.2 系统复位电路系统复位电路 单片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高 电平有效，高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上。单片机的复位方式可 由手动复位方式完成。 图 4-1 系统时钟电路 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页7 4.2 Protues 仿真电路 4.2.1 电路仿真图电路仿真图 图 4-2 Protues 仿真电路原理图 4.2.2 电路工作原理电路工作原理 图 4-2 所示。A/D 转换由集成电路 0808 完成，0808 具有 8 路模拟输入端 口，地址线（2325 脚）可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换。22 脚为地址锁 存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6 脚为测试控制，当输入 一个 2S 宽高电平脉冲时，就开始 A/D 转换。7 脚为 A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时，7 脚输出高电平。9 脚为 A/D 转换数据输出允许控制，当 OE 脚为高电平时，A/D 转换数据从端口输出 10 脚为 0808 的时钟输入端，利用单 片机 30 脚的六分频晶振频率再通过 14024 二分频得到 1MHz 时钟。单片机的 P1、P3.0P3.3 端口作为四位 LED 数码管显示控制。P3.5 端口用作单路显示/ 循环显示转换按钮，P3.6 端口用作单路显示时选择通道。P0 端口作 A/D 转换数 据读入用，P2 端口用作 0808 的 A/D 转换控制。 4.3逐次逼近式 A/D 转换模块设计 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页8 4.3.1 ADC0808 简介 1ADC0808 引脚功能 2 -1MSB 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF(+) 12 VREF(-) 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 2 -5 8 EOC 7 OUTPUT ENABLE 9 CLOCK 10 VCC 11 2 -2 20 GND 13 2 -7 14 2 -6 15 2 -8LSB 17 2 -4 18 2 -3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 IN0IN7：8 路模拟量输入。A、B、C：3 位地址输入，2 个地址输入端 的不同组合选择八路模拟量输入。 ALE：地址锁存启动信号，在 ALE 的上升沿，将 A、B、C 上的通道地址 锁存到内部的地址锁存器。 D0D7：八位数据输出线，A/D 转换结果由这 8 根线传送给单片机。 OE：允许输出信号。当 OE=1 时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 START：启动信号输入端，START 为正脉冲，其上升沿清除 ADC0808 的 内部的各寄存器，其下降沿启动 A/D 开始转换。 EOC：转换完成信号，当 EOC 上升为高电平时，表明内部 A/D 转换已完 成。 图 4-3 ADC0808 引脚图 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页9 2ADC0808 内部结构图 图 4-4 ADC0808 内部结构 逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0808 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、 比较器、D/A 转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。 4.3.2 A/D 转换电路设计 图 ADC0808 与单片机的连接 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页10 第 5 章 系统软件设计 5.1 系统主程序设计 初始化程序 系统上电时，初始化程序将 70H77H 内存单元清 0，P2 口置 0。 主程序 在刚上电时，系统默认为循环显示 8 个通道的电压值状态。当进行一次测 量后，将显示每一通道的 A/D 转换值，每个通道的数据显示时间为 1s 左右。主 程序在调用显示子程序和测试子程序之间循环，主程序流程图见图 5-1 图 5-1 主程序流程图 显示子程序 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/D 转换数据放在 70H77H 内存单元中，测量数据在显示时需转换成为十进制 BCD 码放在 78H7BH 内存单元中，其中 7BH 存放通道标志数。寄存器 R3 用作 8 路 循环控制，R0 用作显示数据地址指针。 模/数转换测量子程序 模/数转换测量子程序用来控制对 0808 八路模拟输入电压的 A/D 转换，并 将对应的数值移入 70H77H 内存单元。 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页11 5.2 系统源程序编写 LED_0EQU 30H LED_1 EQU 31H LED_2 EQU 32H ;存放段码 ADCEQU35H CLOCK BITP2.4;定义 ADC0808 时钟位 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 ORG 00H SJMPSTART ORG0BH LJMPINT_T0 START: MOVLED_0,#00H MOVLED_1,#00H MOVLED_2,#00H MOVDPTR,#TABLE;段码表首地址 MOVTMOD,#02H MOVTH0,#245 MOVTL0,#00H MOVIE,#82H SETBTR0 WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST;启动 AD 转换 JNB EOC,$;等待转换结束 SETB OE MOV ADC,P1;读取 AD 转换结果 CLR OE MOV A,ADC MOV B,#100;AD 转换结果转换成 BCD 码 DIV AB MOV LED_2,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B LCALL DISP SJMP WAIT INT_T0: CPLCLOCK ;提供 ADC0808 时钟信号 RETI DISP:mov dptr,#table MOVA,LED_0;数码显示子程序 MOVCA,A+DPTR CLRP2.3 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.3 mov dptr,#table MOVA,LED_1 MOVCA,A+DPTR CLRP2.2 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.2 mov dptr,#table MOVA,LED_2 MOVCA,A+DPTR setb acc.7 CLRP2.1 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.1 RET DELAY: MOVR6,#10;延时 5 毫秒 D1: MOVR7,#250 DJNZR7,$ DJNZR6,D1 ntov: mov dptr,#tab mov a,adc movc a,a+dptr mov b,#2 div ab mov r1,b mov b,#10 div ab mov led_2,a mov led_1,b cjne r1,#01,kk1 mov led_0,#05 back: ret kk1: mov led_0,#00 ajmp back RET TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHMOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B LCALL DISP SJMP WAIT INT_T0: CPLCLOCK ;提供 ADC0808 时钟信号 RETI DISP:mov dptr,#table MOVA,LED_0;数码显示子程序 MOVCA,A+DPTR CLRP2.3 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.3 mov dptr,#table MOVA,LED_1 MOVCA,A+DPTR CLRP2.2 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.2 mov dptr,#table MOVA,LED_2 MOVCA,A+DPTR setb acc.7 CLRP2.1 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.1 RET DELAY: MOVR6,#10;延时 5 毫秒 D1: MOVR7,#250 DJNZR7,$ DJNZR6,D1 ntov: mov dptr,#tab mov a,adc movc a,a+dptr mov b,#2 div ab mov r1,b mov b,#10 div ab mov led_2,a mov led_1,b cjne r1,#01,kk1 mov led_0,#05 back: ret kk1: mov led_0,#00 ajmp back RET TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页12 mov r1,b mov b,#10 div ab mov led_2,a mov led_1,b cjne r1,#01,kk1 mov led_0,#05 back: ret kk1: mov led_0,#00 ajmp back RET TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH tab: db 0, 0 , 0 ,1,0,2,0,0,3,0 db4,0,0,5,0,6,0,0,7,0 db8,0,0,9,0,0,10, 0,11, 0 db0,12, 0,13, 0,0,14, 0,15, 0 db0,16, 0,17, 0,0,18, 0,19, 0 db0,20, 0,0,21, 0,22, 0,0,23 db0,24, 0,0,25, 0,26, 0,0,27 db0,28, 0,0,29, 0,0,30, 0,31 db0,0,32, 0,33, 0,0,34, 0,35 db0,0,36, 0,37, 0,0,38, 0,39 db0,0,40, 0,0,41, 0,42, 0,0 db43, 0,44, 0,0,45, 0,46, 0,0 db47, 0,48, 0,0,49, 0,50, 0,0 db51, 0,0,52, 0,53, 0,0,54, 0 db55, 0,0,56, 0,57, 0,0,58, 0 db59, 0,0,60, 0,0,61, 0,62, 0 db0,63, 0,64, 0,0,65, 0,66, 0 db0,67, 0,68, 0,0,69, 0,70, 0 db0,71, 0,0,72, 0,73, 0,0,74 db0,75, 0,0,76, 0,77, 0,0,78 db0,79, 0,0,80, 0,0,81, 0,82 db0,0,83, 0,84, 0,0,85, 0,86 db0,0,87, 0,88, 0,0,89, 0,90 db0,0,91, 0,0,92, 0,93, 0,0 db94, 0,95, 0,0,96, 0,97, 0,0 db98, 0,99, 0,0,100, 0,0,0 END MOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B LCALL DISP SJMP WAIT INT_T0: CPLCLOCK ;提供 ADC0808 时钟信号 RETI DISP:mov dptr,#table MOVA,LED_0;数码显示子程序 MOVCA,A+DPTR CLRP2.3 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.3 mov dptr,#table MOVA,LED_1 MOVCA,A+DPTR CLRP2.2 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.2 mov dptr,#table MOVA,LED_2 MOVCA,A+DPTR setb acc.7 CLRP2.1 MOVP0,A LCALL DELAY SETBP2.1 RET DELAY: MOVR6,#10;延时 5 毫秒 D1: MOVR7,#250 DJNZR7,$ DJNZR6,D1 ntov: mov dptr,#tab mov a,adc movc a,a+dptr mov b,#2 div ab mov r1,b mov div ab mov led_2,a mov led_1,b cjne r1,#01,kk1 mov led_0,#05 back: ret kk1: mov led_0,#00 ajmp back RET TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页13 教育信息与技术学院 0703 班 数字电压表课程设计 第 页，共 15 页14 第 6 章 系统仿真与调试 简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在 0.02V 以内。 在进行电路的局部调试之后，我又进行了系统整机调试。首先为 ADC0808 接上+12V 的电压，为其它芯片接上+5V 的工作电压。另外还要输入待测的模拟 电压，该电压从 200mV 以下的电压开始输起，依次增大，直到达到待测电压的 上限 5V 为止，记录测量数据并分析系统性能。 6.1 系统仿真 调好程序后将目标程序导入 Proteus 进行软硬件调试，基于单片机实现的 数字电压表测试值见表 5-2 所示。 表 6-1 测试值与真实值 电压表测得值/V0.000.3320.390.5070.9961.2501.5032.0002.480 绝对误差/V0.00+0.02+0.01+0.02+0.01+0.01+0.03+0.00+0.01 电压表测得值/V4.9805.079.9612.5015.0319.9229.8839.8449.80 绝对误差/V+0.00+0.02+0.01+0.01+0.02+0.0