用ADC0832设计的两路电压表.doc

安徽大学本科毕业论文（设计、创作）题 目： 基于ADC0832的两路电压表设计_ 学生姓名： 夏明杰 学号： Z01014196 所在院系：电气工程与自动化学院 专业：10自动化 入学时间： 二一 年 九 _月导师姓名： 钟维年 职称/学位： 高级工程师 导师所在单位： 电气工程与自动化学院 完成时间： 二一四 年 五 月摘要 数字电压表是采用数字化测量设计的电压仪表。目前，其作为数字化仪表的基础和核心，已被广泛应用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，数字电压表扩展而成的各种通用及专用仪器仪表，也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本设计为直流数字电压表。利用单片机AT89C51借助软件实现数字显示功能、自动校准、LED显示，A/D转换器采用ADC0832构成数模转换电路。该电压表测量范围在05V。由于采用高性能的单片机芯片为核心，同时利用LED数码管为显示设备，这样就使显示清晰直观、读数准确，减少了因为人为因素所造成的测量误差事件，同时提高了测量的准确度。关键词：AT89C51；A/D转换；LED目录目录3第1章绪论61.1 选题背景61.2 主要特点8第2章 方案论证及方案选择102.1方案论证102.2方案选择11第3章主要元器件介绍123.1 ADC0832的介绍123.1.1引脚及功能介绍123.1.2 内部介绍133.1.3芯片的操作方法133.2 AT89C51的介绍153.2.1引脚及功能介绍153.2.2内部介绍173.2.3芯片的操作方法173.3 SCD1602的介绍183.3.1引脚及功能介绍183. 3. 2内部介绍193. 3. 3 芯片的操作方法19第4章 系统硬件设计204.1 最小系统电路204.1.1 时钟电路204.1.2 复位电路214.2 模数转换电路224.2.1转换电路224.3 液晶显示电路234.3.1显示电路234.4 硬件结构图24第5章 系统软件设计255.1 主程序设计255.2 A/D转换程序26第6章 程序清单27致谢36参考文献. .37第1章绪论1.1 选题背景 近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛。在此基础上发展起来的智能仪表，无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展现在人们的面前。数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM，它是智能仪器中最常见的，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。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实验研究的领域，提出了将各种被观测量或被控制量转换为数码的要求，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。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。数字电压迄今已有40多年的发展史。目前，由各种单片机、A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛应用于电子及电子测量、工业自动化仪表、自动测试的系统等领域，显示出强大的生命力。由于电子技术、大规模集成电路及计算机的发展，人们不久就研制出微处理器数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序。因为带有存储器并使用软件支持，所以可以进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统。除了完成原有DVM的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高标准确度，实现了仪器、仪表的智能化。当前，智能化仪表法十分速度，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大，智能化的DVM为实现各种物理量的动态测量提供了可能。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数字电压表的特点：显示清晰直观，读书准确。传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免地会引入认为的测量误差，并且容易造成视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的。不仅保证读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。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。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、分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐。数字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仪器仪表。 1.2 主要特点 1、显示清晰，读数清楚数字电压表则采用先进的数字显示技术，使显示结果一目了然。只要仪表不发生跳变现象，测量结果就是唯一的。不仅保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读数和记录的时间。2、准确度高，分辨率高数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的结合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。数字电压表在最低电压量程上末位1个字所对应的电压值，称作仪表的分辨力。它反映出仪表的灵敏度的高低。3、测量范围宽多量程数字电压表通常可测01000V的直流电压，配上高压探头还可测量几千伏的电压。4、测量速度快数字电压表在每秒钟内被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/s”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。5、输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗。这样在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减少小信号源内带来的附加误差。6、抗干扰能力强噪声干扰大致分为两类：一类是串模干扰，干扰电压与被测量信号串连后加至仪表的输入端，另一类是共模干扰，干扰电压同时加于仪表的两个输入端。第2章 方案论证及方案选择2.1方案论证1.由数字电路及芯片构建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转换器逐个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果由计数译码电路变成段码，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。2由单片机系统及A/D转换芯片构成这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合后，组成数字电压表。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，难以在原基础上2.2方案选择方案2不仅能够继承方案1的各种优点，还能改进方案1设计方案设计不灵活，难于在原基础上进行功能扩展等不足。经过以上方案设计，决定采用如图2-1所示方案。单片机晶振电路复位电路4位显示A/D转换输入电路图2-1 方案设计第3章主要元器件介绍3.1 ADC0832的介绍3.1.1引脚及功能介绍图3-1 ADC0832引脚图CS：片选使能，低电平有效CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用GND：芯片参考0电位(地)DI:数据信号输入，选择通道控制DO:数据信号输出，转换数据输出CLK:芯片时钟输入VCC：电源输入3.1.2 内部介绍 ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。3.1.3芯片的操作方法与DS1302非常相似，CS作为选通信号，在时序图中可以看到，从CS置为低电平开始，一直到置为高电平结束。CLK提供时钟信号。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据（SGL、Odd）用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。在完成输入启动位、通道选择之后，到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，此时就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压,则转换后的数据结果0图3-2 ADC0832时序图3.2 AT89C51的介绍3.2.1引脚及功能介绍图3-3 AT89C51引脚图VC XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。3.2.2内部介绍 AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。 AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。3.2.3芯片的操作方法 AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON中的PD和IDL位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是闲散等待方式，当IDL=1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在闲散工作模式状态，中央处理器CPU保持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许中断的事件被激活，二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。3.3 SCD1602的介绍3.3.1引脚及功能介绍 图3-4 LCD1602引脚图VSS:电源地VDD：电源正极+5V电源VEE:液晶显示偏压RS ：数据、命令选择，1为数据寄存器，0为指令寄存器；RW : 读、写选择，1为读，0为写E ：使能信号，当E段从高电平跳到低电平时液晶模块执行命令；DO :数据D1 :数据D2 :数据D3 :数据D4 :数据D5 :数据D6 :数据D7 :数据表3-5 LCD1602管脚控制RSRWE操作00下降沿指令寄存器写入01高电平忙标和地址计数器读出10下降沿数据寄存器写入10高电平数据寄存器读出 3. 3. 2内部介绍 1602绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM，这三个都是存储器。CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）、显示数据RAM（DDRAM)、字符显示RAM缓冲区（DDRAM） CGROM 中存储了一些标准的字符的字模编 码是液晶屏出厂时固化在控制芯片中的，用户不能改变其中的存储内容，只能读取调用，包含有标准的ASCII码、日文字符和希腊文字符ASCII码字库 (HCGROM) CGRAM 是控制芯片留给用户，用以存储用户自己设计的字模编码 。 CGROM已经储存了192个不同的店镇字符图形，每个都有一个固定的代码。3. 3. 3 芯片的操作方法1602的显示过程应可理解为：1：选择字模编码所在的存储器（CGROM 或 CGRAM）。2：将所要显示的字符编码在上述存储器中的存储地址传送给 DDRAM，以找到此存储单元。3: 将 存储器内存储的字模编码 读取到 DDRAM 中4：将 DDRAM 中的 字模编码显示到屏幕上对应位置第4章 系统硬件设计4.1 最小系统电路4.1.1 时钟电路单片机内部每个部件要想协调一致地工作，必须在统一口令时钟信号的控制下工作。单片机工作所需要的时钟信号有两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。图3-2是内部时钟方式：单片机内部有一个构成振荡器的增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成自激振荡器。在该图中，电容C2和C3取30pF，晶体的震荡频率取12Mhz，晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。图4-1 系统时钟电路4.1.2 复位电路AT89C51的复位电路如图3-3所示。当单片机通电，立即复位。电容C和电阻R9实现上电自动复位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。图4-2 系统复位电路4.2 模数转换电路4.2.1转换电路集成模数转换芯片ADC0832实现的A/D转换电路如图3-5所示。被测信号由ADC0832模拟输入端输入，完成A/D转换后送入单片机，经相应处理后送出显示。图4-3 ADC0832与单片机的连接4.3 液晶显示电路4.3.1显示电路 现代化科研和生产体系是以自动化为特征，面向自动化的过程控制及结果的显示，主要是借助于数字和符号的显示器件。数字仪表显示器件，是将信息读数转换为可视信息的期间，最终以数字形式显示读数的期间。显示方式和显示器件的选择不仅与读数的清晰、美观与否有直接关系，而且关系到仪表的整机结构、电源功率、测量速度、显示时间以及操作维护等技术性能。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚价格相对便宜。4.4 硬件结构图图4-4 硬件结构图第5章 系统软件设计5.1 主程序设计开始选择ADC0832的转换通道设置定时器，提供时钟信号启动A/D转换输出转换结果数值转换转换是否结束N显示Y 图5-1 主程序流程图 主程序主要负责各个模块的初始化工作：设置定时器、寄存器的初值， 动A/D转换，读取转换结果，控制数码管显示等，其流程图如图4-2所示。5.2 A/D转换程序开始设置模拟输入口启动转换转换完？输出数值处理NY图5-2 A/D转换程序流程图A/D转换程序的功能是采集数据。在整个系统设计中占有很高的地位。当系统设置好后，单片机扫描转换结束管脚P2.6的输入电平状态,当输入为高电平，则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描。程序流程图如图4-3所示。第6章 程序清单#include #include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit CS = P10;sbit CLK = P11;sbit DI = P12;sbit DO = P12;sbit RS = P20;sbit RW = P21;sbit E = P22;uchar Result_ADC0832=0; /转换结果变量uchar Display_Buffer216 = Current Voltage:, (CH)= 0.00V ;/函数声明uchar Get_Value_ADC0832();/ 获取指定通道的A/D转换结果void Refesh_Disp_Buffer();/ 刷新显示缓冲 void LCD_Busy_Check(); /忙检查void LCD_Write_Command(uchar cmd);/向LCD写入命令void Write_LCD_Data(uchar dat);/向LCD写入数据void Initialize_LCD1602(); /液晶初始化函数void LCD_Display(uchar str);/在LCD上显示字符串void DelayMS(uint X);/ 延时程序uchar Read_State();/读取LCD的状态/-/ 主程序/- void main() uchar j;Initialize_LCD1602();/液晶初始化函数while(1) for(j=0;jLSB）for(i=0;i8;i+) CLK=1; _nop_(); _nop_(); CLK=0; _nop_(); _nop_();dat1=dat1MSB）for(i=0;i8;i+) dat2=dat2|(uchar)(DO)i);CLK=1; _nop_(); _nop_(); CLK=0; _nop_(); _nop_(); CS=1; DI=1; /CLK=1; return Result_ADC0832=(dat1=dat2)?dat1:0;/-/ 刷新显示缓冲/-void Refesh_Disp_Buffer() uint t=Result_ADC0832*500.0/255;/ Display_Buffer17 = t/100+0; /整数位 Display_Buffer19 = t/10%10+0; /两个小数位 Display_Buffer110 = t%10+0;/-/ 延时程序/-void DelayMS(uint X) uchar i; while(X-) for(i=0;i120;i+);/-/读取LCD的状态/-uchar Read_State() uchar state; RS = 0; RW = 1; E = 1; DelayMS(1); state=P0; E = 0; DelayMS(1); return state;/-/忙等待/- void LCD_Busy_Check() while(Read_State()& 0x80!=0x80); DelayMS(1);/-/向LCD写入命令/-void LCD_Write_Command(uchar cmd) LCD_Busy_Check();RS = 0;RW = 0;E = 0;P0 =