数字电压表设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 目录一.摘要二.数字电压表简介：三.数字电压设计方案简介：1由内置A/D转换器单片机构建四单片机简介及本设计单片机的选择1常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择2本设计使用的单片机的简介五模数（A/D）转换芯片的选择1常用的A/D芯片简介六总体设计七硬件电路系统模块的设计八系统软件的设计2主程序设计九系统的调试1硬件调试2软件调试十总结参考文献 一.摘要本文介绍的是数字电压表的发展背景和利用内置A/D转换器单片机结合的方法设计一个直流数字电压表。它的具体功能是：对2路05V的模拟电压进行循环采集，每路连续采集3次，取平均值，采集的数存入内存并显示；其测量范围为05V，小数点后保留两位，误差小于等于正负0.02V;LCD液晶显示或用LED数码管进行循环显示，其中最高位显示通道提示符AB；采用键盘控制，可查看指定通道的电压值；将将1.25V和2.5作为两路输入的报警值，当A/D转换结果超过报警值时，指示灯闪烁和蜂鸣器发声，以示警告二.数字电压表简介 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DVM，它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，数字化测理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烦锁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已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。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种：1.按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。2.按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3.按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。4.按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。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。而且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、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式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测量仪表。三.数字电压设计方案简介设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。1.由内置A/D转换器单片机构建这种方案是利用单片机系统、显示模块等的结合构建数字电压表。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，可以组装出许多的应用电路来。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。2单片机简介及本设计单片机的选择1常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择综合上一章提到的设计方案的各方面优点及其在现在的所设计电压表的实用性，我们选择该电压表设计方案，即由单片机系统及数字芯片构建的方法来我们本次设计。在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类8的单片机呢。在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的8单片机。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU，内存，总线系统等。 四.总体设计1技术要求：1） 对2路0至5V的模拟电压进行循环采集，每路连续采集三次，取平均值，采集的数据存入内存并显示2） 测量范围为0至5V，小数点后保留两位，误差小于等于正负0.02V3） LCD液晶限售股或用4位LED数码管进行循环显示，其中最高位显示通道提示符A至B，低3位显示实际电压值，每秒切换一个通道轮流显示；4） 键盘控制，可查看指定通道的电压值；5） 将1.25V和2.5V作为两路输入的报警值，当A/D转化结果超过报警值时，指示灯闪烁和蜂鸣器发声，以示警告。2设计方案： 根据上述，我们选择单片机与A/D转换芯片结合的方法实现本设计。使用的基本元器件是：内置AD转换器单片机，开关，按键，电容，电阻，晶振，标准电源等等。方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。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，可以组装出许多的应用电路来。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。电压采集电路STC89LE516AD单片机控制74HC138 74HC573驱动芯片LED数字显示器与报警电路电源 图11 系统总体方案设计此设计介绍的数字电压表是以 STC89LE516AD单片机为核 ，由电压采集电路、单片机、电压显示电路等几部分组成。该系统的先进性在于可以数字化显示电压。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。数字电压表可以测量05V的2路输入电压值，并在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。五.硬件电路系统模块的设计根据上述选择的各元器件，各电路模块的电路图如下描述。1.芯片系统1. STC89LE516AD单片机 图2-1 STC89LE516AD高速：1 个时钟/ 机器周期，RISC 型8051 内核，速度比普通8051 快12 倍 宽电压：5.53.4V，2.03.8V（STC12LE5410AD 系列） 低功耗设计：空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒） 工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz - 实际可到48MHz，相当于8051： 0576MHz 时钟：外部晶体或内部RC 振荡器可选，在ISP 下载编程用户程序时设置 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字节片内Flash 程序存储器，擦写次数10 万次以上 512 字节片内RAM 数据存储器 芯片内E2PROM 功能 ISP / IAP，在系统可编程/ 在应用可编程,无需仿真器 10 位ADC，8 通道,STC12C2052AD 系列为8 位ADC 4 通道捕获/ 比较单元（PWM/PCA/CCU），STC12C2052AD 系列为2 通道 - 也可用来再实现4 个定时器或4 个外部中断（支持上升沿/ 下降沿中断） 2 个硬件16 位定时器，兼容普通8051 的定时器。4 路PCA 还可再实现4 个定时器 硬件看门狗（W D T ） 高速SPI 通信端口 全双工异步串行口(UART),兼容普通8051 的串口 先进的指令集结构，兼容普通8051 指令集 4 组8 个8 位通用工作寄存器（共32 个通用寄存器） 通用I/O 口（27/23/15 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口） 可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏 每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA 2 .74HC573+74HC138+单片机方案3复位电路 图2-6 复位电路按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源vcc接通来实现的，复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每一个S5P2，施密特触发器出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需的复位信号，4.晶振电路 图2-7 晶振电路采用内部时钟方式使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度越快。晶体和电容应尽量安装的与单片机接近，减少寄生电容。更好的保证振荡器的稳定工作。5.键盘电路 图2-8 键盘电路由于采用两路进行采集，而且要进行查看指定通道的电压值。所以采用两个按键进行查看其电压值。一键一线，各键相互独立，每个键各连一条I/O口线，通过检测输入线的电平状态就可以判断那个键被按下。按键键名功能S1选择A通道LED显示A通道电压S2选择B通道LED显示B通道电压S3复位键系统复位表3-1 键的定义6.报警电路 图2-9 报警电路 利用三极管进行放大驱动LED或蜂鸣器进行工作，将在1.25V和2.5V作为两路输入的报警值，当结果超过报警值时，指示灯闪烁和蜂鸣器发声，以示警告。在数字电路中，是以脉冲信号驱动蜂鸣器以产生声音，若要以C51产生声音，可利用程序产生频率，送到IO口，再从该点连接到蜂鸣器的驱动电路，即可驱动蜂鸣器，这里采用的是以PNP晶体管放大电路。 数字微处理电路输出高电位时，由IC内部流出的电流很小。虽然我们可以利用高增益晶体管，在连接上拉电阻，以提供较大的驱动电流，以驱动蜂鸣器或其他负载。而数字微处理电路输出低电位时，IC可吸入较大电路，连接PNP晶体管构成的简单放大电路，即可提供足够的驱动能力。 六.系统软件设计1汇编语言和C语言的特点及选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少，执行效率高。执行速度快。但它依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。由于现在单片机的发展已经达到了很高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CPU的处理速度非常的快。用C语言来控制单片机无疑是一个理想的选择。所以在本设计中采用C语言编写软件程序。2.流程图主流程图2.显示电路流程图3. 报警电路流程图 七.系统的调试完成了系统的硬件设计，制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。调试分了硬件和软件调试。1.硬件调试 硬件调试的主要任务是排除硬件故障，其中包括设计的错误和工艺性故障等。1） 检查所设计的硬件电路板所有的器件和引脚是否正确，尤其是电源的连接是否正确；检查各总线是否有短路的故障。检查开关/按键是否正常，是否连接正确，为了保护芯片，应先对各IC座电位进行检查，确认无误后再插入芯片。2） 将40芯片的仿真插头插入单片机插座进行调试，检查各接口是否满足设计的要求，有正常的程序测试硬件电路的好坏。2.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。 八总结此设计是单片机应用系统的开发性实验。通过此设计可知在单片机系统开发过程应注意以下事项。1）硬件的选择。选择适合设计目地的元器件是一个重要的方设计环节。不能以元器件是否是最高性能作为选择元器件的标准。往往高性能器件的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件，能够满足设计需要作为标准选择元器件。2）因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计，所以系统和硬件和软件必须紧密配合，协调一致。应不断调整硬软件设计，以提高系统工作效率。单片机的应用如今已经是在工业，电子等方面展示出了它的优越性，利用单片机在设计电路逐渐成了趋势，它与外围电路再加上软件程序就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计更多精彩。对于数字电压表而言，功能将会越来越强大。 参考文献1） 陈洪中。数字电压表。水利电力出版社，19892） 周立功.单片机实验与实践.北京：北京航空航天大学出版社3） 吴国经.单片机应用技术.北京：中国电力出版社，2003.4） 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，20065） 谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社,2005年.6） 侯振鹏.嵌入式C语言程序设计.北京：人民邮电出版社，2006.7） 李光飞 李良儿.单片机C程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，20058） 王港元.电工电子实践指导.江西:江西科学技术出版社,2005年 附录总电路图程序1.读取AD转换值操作函数uint read_AD(uchar con_way)/读取AD转换值操作函数uint dat=0;uchar i;cs=0;clk=0;con_way=4;for(i=0;i12;i+)con_way=1;/*选择0通道，在输入该控制数据的同时输出前一次AD转结果*/ input=CY;dat=100) /当电压值大于1V时,用V显示,否则用mV显示display_zifu(0,1,tab2);display(0,7,dat);display_zifu(0,13,tab0);elsedisplay_zifu(0,1,tab2);display(0,7,dat*1000);display_zifu(0,13,tab1); read_key(); /当键盘按下时，计算后五秒的平均电压值if(t=20)t=0;flag+;if(flag=1)dat1=dat;if(flag=2)dat2=dat;if(flag=3)dat3=dat;if(flag=4)dat4=dat;if(flag=5)dat5=dat;dat_aver=(dat1+dat2+dat3+dat4+dat5)/5;display(1,7,dat_aver);display_zifu(1,13,tab0);dat_aver=0; if(flag=8)flag=0;write_com(0x01);TR0=0; void timer0() interrupt 1/定时器中断函数TH0=(65536-50000)/256;/重新放入初始值TL0=(65536-50000)