基于ADC0832的简易数字电压表的设计.doc

4、基于ADC0832的简易数字电压表的设计 摘要 兰若科技原创 淘宝店 文档+仿真+代码+实物+全方位服务 淘宝店铺搜索：兰若科技服务中心 I ABSTRACT 毕 业 设 计（封面） 专专 业业 专专 业业 班班 级级 班班 级级 学生姓名学生姓名 学生姓名学生姓名 学学 号号 学学 号号 课课 题题 课课 题题 指导教师指导教师 指导教师指导教师 72013 年年 月月 日日 年年 月月 日日 II 摘要 摘 要 本课题是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量05V之间的直流电压值， 四位数码管显示，使用的元器件数目较少。外界电压模拟量输入到A/D转换部分 的输入端，通过ADC0832转换变为数字信号，输送给单片机。然后由单片机给数 码管数字信号，控制其发光，从而显示数字。此外，本文还讨论了设计过程中的 所用的软件硬件环境，调试所出现的问题等。 关键词关键词：单片机； STC89C52；数字电压表； ADC0832,四位数码管。 关键词关键词 III ABSTRACT Abstract This topic is the use of microcontrolle rdesign a digital voltmeter, capable of measuring between05VDCvoltage,fourdigitaldisplay,theuseoffewercomponents.Externalanalogvoltage inputtotheA/Dconversionpartoftheinputoftheconversionintoadigital signalthroughthe ADC0832,transmissiontothemicrocontroller.Andthenbythemicrocontrollertothedigitalcontrol digitalsignal,controlthelight,sothedisplayednumber. Inaddition,thearticlealsodiscussesthe designprocessofsoftwareusedinthehardwareenvironment,debuggingtheproblemsandsoon. Keywords: SCM;STC89C52;digitalvoltmeter;ADC0832,fourdigital. IV 目录 目目 录录 目目 录录 第1章 引言.1 1.1 简介.1 1.2 数字电压表的功能.3 第2 章 电路系统设计.4 2.1 数据采集.4 /D 转换器.4 0832 的工作方式.6 2.2 数据处理.7 89C52.8 89C52 单片机最小系统连接.12 2.3数据接收与数据处理电路.13 2.4显示设计.13 显示的原理.13 显示驱动.14 第3章 程序设计.16 3.1 主程序设计图框.16 3.2 程序清单.16 第4 章 仿真过程.27 4.1KeilC 软件的介绍.27 4.2Proteus 软件简介.28 4.3KeilC 与Proteus 连接调试.32 4.4 仿真结果图.34 参考文献.35 V 第1章引言 第1章 引言 1.1 简介 数字电压表 简写为 DVM 就是在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和 电子技术的基础上产生和发展起来的。 数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并 以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子 技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为 仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。 数字电压表是通用仪器中使用较广泛的一种测试仪器，很多电量或非电量经 变化后都用可数字电压表完成测试。因此，数字电压表被广泛地应用于科研和生 产测试中。本文将介绍一种以单片机为核心的电压测量仪表，它能够测量电压量， 能够自动进行量程选择，并且测量结果能够通过数码管显示，从而具有一定的智 能性。回顾一下电压表的发展过程，大致可分为以下三个阶段: 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 A D 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。 60 智能化阶段。 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： 1 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 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。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重大失误，而这种自动测量却可以二十四小时 不停地工作，且出错概率小。 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并求出整个测量系统 的误差，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、自我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我修复程序，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 ，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。 2 第1章引言 1.2 数字电压表的功能 数字电压表 （DigitalVoItMete ，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、 A D 显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以 转换器为代表的集成电路为 支柱，使DVM 向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM 应用单片机控制， 智能仪表与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM 多为组成多功能式的， DigitalMultiMete DMM 因此又称数字多用表（ ， ）。 数字电压表 （DigitalVoltmete ）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，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，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。这里重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构 成的基于单片机的数字电压表的工作原理。 3 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 第2 章 电路系统设计 数字电压表由A/D 转换、数据处理及显示控制等组成，测量05.0V 范围内 4 7 0.01V 的输入电压值，由一个 位共阴 段数码管扫描显示，最大分辨率 ，误差 0.05V。以STC89C52和ADC0832 为核心内件。ADC0832 实现模数转换。单片机 STC89C52是整个系统的核心，实现输入端的分路选择 （量程转换），模数转换后 数据的处理及在数码管上数据的显示，提供ADC0832 芯片的工作频率等功能。 2.1 数据采集 A/D 转换器 模拟量转换成数字量 A/D 转换 和数字量转换成模拟量 D/A 是计算机与外部 环境进行联系的主要形式。当计算机用于工程控制，实时数据采集等方面时候， 现场检测的模拟信号必须通过A/D 转换变成数字量，送入计算机处理，计算机的 输出信号又必须通过D/A 转换成模拟信号送到现场去驱动机械或电气设备动作。 计算机控制过程如图2-1： 现场检测信号 A/D 转换 计算机 D/A 转换 现场电气设备 图2-1 计算机控制过程示意图 A/D 转换的种类很多，主要的有逐次比较式、双积分式、并行式。逐次比较 式主要特点是转换速度快，精度高，但抗干扰能力不强，价格适中。本次使用的 ADC0832 就是逐次比较式A/D 转换器。逐次比较式A/D 转换器是以A/D 转换器 为基础，加上比较器、逐次比较式寄存器、置数选择逻辑电路以及时钟等组成， 22 如图 。其转换的基本原理如下：在启动信号控制下，首先置数选择逻辑电路给 逐次比较式寄存器最高位置 “1”，经D/A 转换成模拟量与输入的模拟量V1 进行 比较，电压比较器给出比较结果。如果输入量大于或等于经D/A 转换器输出的量， 1 0 则比较器输出为 “”，否则为“”，置数选择逻辑电路根据比较器输出的结果， 修改逐次比较式寄存器中的内容，使其D/A 转换后的模拟量逐次比较输入的模拟 量。经过若干次修改后的数字量，就是A/D 转换的结果。 4 第2 章电路系统设计 V1 Vref D/A 转换器 数字量输出 比较 逐次比较式 寄存器 置数选择逻辑 启动控制信号 时钟信号 图2-2逐次比较式A/D转换器结构 ADC0832是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位， 转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压 5V 可为 。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以 直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。ADC0832 芯片外引脚图如 图2-3下所示： 图2-3 ADC0832引脚图 5 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 其特点如下： ? 8位分辨率； ? 双通道A/D转换； ? 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； ? 5V电源供电时输入电压在05V之间； ? 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； ? 一般功耗仅为15mW； ?工作电压：5V ?输出为三态结构 ADC0832 的工作方式 1 转换时序 ADC0832 控制信号的时序图如图2-4所示，由图可见各控制信号时序关系为： 当CS 与WR 同时为低电平A/D 转换器被启动，且在WR 上升延后 100 模数完成 转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR 自动变为低电平，表示本次转换已 结束。如CS、RD 同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号由DB0DB7 送出，而在RD 高电平到来后三态门处于高阻状态，为交互式控制方式。 2 零点和满刻度调节 ADC0832 的零点无须调整。满刻度调整时，先给输入端加入电压 ，使满刻度 所对应的电压值是输入电压的最大值。当输入电压最大值与输出电压最小值相当 FEH FFH 时，调整端电压值的输出码为 或 。 3 参考电压的调节 在使用A/D 转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。如输 入电压动态范围较小，则可调节参考电压 ，以保证小信号输入时ADC0832 芯片8 位的转换精度。 4 接地 模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以 至影响转换结果的准确性。A/D、D/A 及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地 （AGND）和数字地 （DGND）的引脚。在线路设计中，必须将所有的器件的模拟 地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。 6 第2 章电路系统设计 图2-4 ADC0832控制信号时序图 2.2 数据处理 数字电压表的核心为 STC89C52 单片机和ADC0832A/D 转换集成芯片。 ADC0832 是CMOS 的连续比较式A/D 转换器，采用差动式模拟电压输入，三态门 CS WR 数字输出。 端接地，由单片机选择控制模拟信号输入，给 选择信号一个负 脉冲，开始A/D 模数转换，当A/D 转换结束后，INTR 端输出低电平，单片机开 始读取A/D 转换后的数据。单片机进行数据处理，由STC89C52 的P2 口读出，将 P2 a g h 单片机的 口与数码管的 及 相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这 样，由P2 口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的电压值。可通过调节 输入端的电位器，实现更大范围的电压测量，但精度会相应降低，误差也会相应 增加。 7 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 STC89C52 图25STC89C52 引脚图 STC89C52 图25 是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytes ISP Insystemprogrammable 的可反复擦写1000次的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80C51 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，功 能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的 解决方案。 STC89C52具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes RAM 32 / I/O 5 的随机存取数据存储器 （ ）， 个外部双向输入输出 （ ）口， 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，看 门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 1 主要特性： 8 第2 章电路系统设计 ?与MCS51 完全兼容 ? 4K 字节可编程FLASH 存储器 寿命：1000写/擦循环 ?全静态工作：0Hz33MHz ?三级程序存储器保密锁定 ? 128*8位内部RAM 32 I/O ? 条可编程 线 ?两个16位定时器/计数器 ? 6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 2 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 P0 8 I/O 8TTL 口： 口为一个 位漏级开路双向 口，每脚可吸收 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， FIASH P0 P0 当 进行校验时， 输出原码，此时 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 4 TTL P2 1 出 个 门电流，当 口被写“”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 1 口输出地址的高八位。在给出地址“”时，它利用内部上拉优势，当对外部八 9 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 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 P3 8 I/O 4 TTL 口： 口管脚是 个带内部上拉电阻的双向 口，可接收输出 个 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。 P3.0RXD （串行输入口） P3.1TXD （串行输出口） P3.2/INT0 （外部中断0） P3.3/INT1 1 （外部中断） P3.4T0 （记时器0 外部输入） P3.5T1 （记时器1外部输入） P3.6/WR （外部数据存储器写选通） P3.7/RD （外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O 口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实 际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种 运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到 内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令 分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需 要我们操心，然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图， 1 0Q 0Q 1 如果不对端口置 端口锁存器原来的状态有可能为 端为 为 加到场效应管 栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号 为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若 1 先执行置 操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正 确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O 口被称为准 双向口。89C51 的P0/P1/P2/P3 口作为输入时都是准双向口。接下来让我们再看另 P1 P0P2P3 一个问题，从图中可以看出这四个端口还有一个差别，除了 口外 口都 还有其他的功能。 10 第2 章电路系统设计 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（0000HFFFFH）， 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。 振荡器特性： XTAL1 和XTAL2 分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,XTAL2 应不接。有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。 整个PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合并保持, ALE 管脚处于低电平10ms 来完成。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,STC89C52设有稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑支持两种, , 软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口 和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM 的内容并且冻结振荡器,禁止所用 其他芯片功能直到下一个硬件复位为止。, 11 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 STC89C52 单片机最小系统连接 单片机最小系统的必备条件是：电源、EA 引脚、晶体振荡电路，复位电路。 1 晶体振荡电路 对于微处理器，其片内振荡器和时钟信号的产生是必不可少的，因为在执行 指令时，必须按照一定的时钟节拍进行，此设计采用内部时钟方式，片内的高增 益反相放大器通过XTAL1XTAL2 外接作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组 成的一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。 2 复位电路 复位分为上电复位和外部复位两种方式，因为上电复位每次复位都必须断 开电源，所以次设计采用外部复位方式通过按一下开关就可实现可靠复位.复位电 路如图图26： 图26 复位电路 12 第2 章电路系统设计 2.3 数据接收与数据处理电路 如图27，ADC0832 数据线输入与输出线与STC89C52 的P3.6 直接相连， ADC0832 CLK STC89C52 P3.5 CS STC89C2 P3.4 的 与 的 直接相连， 与 的 直接相 连，ADC0832 参考电压与VCC 直接相连，CH0 作为外部模拟输入。 图27 接口电路图 2.4 显示设计 LED 显示的原理 本设计中采用的是两个七段LED 数码管来显示电压值。LED 具有耗电低、 亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，数码管是由8个发光二极管 28 a g h 8 构成的显示器件，其外形如图 所示。 和 为 个发光二极管。在数码管 中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极接在一 起，就称为共阴极数码管，如 图29 所示。当发光二极管导通时，它就会发光。 每个二极管就是一个笔画，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。 图28 结构 13 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 图29 共阳接法和共阴接法 将单片机的I/O 口与数码管的ag 及h 相连，高电平的位对应的发光二极管 I/O 亮，这样，由 口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如： 当I/O 口输出的代码为00111111 时，数码管显示的字符为0。这样形成的显示字 符的代码称为显示代码或段选码。 LED 显示驱动 在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有动态显示和静态显示两种。在 动态显示的方式下，各数码管的8个引脚 （ah）并联在一起。与单片机的一个I