基于单片机的数字电压表

西华大学课程设计说明书 1 1 前言前言 1 1 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 2 2 1 方案论证 2 2 2 方案比较及选择 3 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 4 4 3 1 AD 转换电路 4 3 2 复位电路 4 3 3 时钟电路 5 3 4 显示电路 6 3 5 特殊器件介绍 6 3 5 1 主控芯片 AT89S51 6 3 5 2 ADC0808 7 3 5 3 LED 9 4 4 软件部分设计软件部分设计 1111 4 1 A D 转换子程序 11 4 2 显示子程序 12 5 5 电路仿真电路仿真 1313 5 1 软件调试 13 5 2 显示结果及误差分析 13 6 6 系统功能系统功能 1717 小结小结 1818 参考文献参考文献 1919 附录附录 1 1 基于单片机的数字电压表原理图基于单片机的数字电压表原理图 2020 附录附录 2 2 基于单片机的数字电压表程序清单基于单片机的数字电压表程序清单 2121 西华大学课程设计说明书 1 1 1 前言前言 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 数字电压表简称 DVM 它是采用数字化测量技术 把连续的模拟量转换成不连续 离散的数字形式并加以显示的仪表 由于数字式仪器 具有读数准确方便 精度高 误差小 测量速度快等特而得到广泛应用 传统的指针式刻度电压表功能单一 进度低 容易引起视差和视觉疲劳 因而不 能满足数字化时代的需要 采用单片机的数字电压表 将连续的模拟量如直流电压转 换成不连续的离散的数字形式并加以显示 从而精度高 抗干扰能力强 可扩展性强 集成方便 还可与 PC 实时通信 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础 以数字 电压表为核心 可以扩展成各种通用数字仪表 专用数字仪表及各种非电量的数字化 仪表 目前 由各种单片机和 A D 转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有 必要的 最近的几十年来 随着半导体技术 集成电路 IC 和微处理器技术的发展 数 字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步 从而促使了数字电压表的快速发展 并 不断出现新的类型 数字电压表从 1952 年问世以来 经历了不断改进的过程 从最早 采用继电器 电子管和形式发展到了现在的全固态化 集成化 IC 化 另一方面 精 度也从 0 01 0 005 目前 数字电压表的内部核心部件是 A D 转换器 转换的精度很大程度上影响着 数字电压表的准确度 因而 以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个 方面 本文是以数字直流电压表的设计为研究内容 本系统主要包括三大模块 转换模 块 数据处理模块及显示模块 其中 A D 转换采用 ADC0808 对输入的模拟信号进行转 换 控制核心 AT89S51 再对转换的结果进行运算处理 最后驱动输出装置 LED 显示数 字电压信号 西华大学课程设计说明书 2 西华大学课程设计说明书 3 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 方案论证方案论证 方案一 硬件电路设计由 6 个部分组成 A D 转换电路 AT89S51 单片机系统 LED 显示系统 时钟电路 复位电路以及测量电压输入电路 硬件电路设计框图如图 2 1 所示 2 1 数字电压表系统硬件设计框图 方案二 用 ICL713 与单片机 AT89C52 构成电压表系统 ICL713 的串行方式在实践 中应用效果很好 方框图如图 2 2 图 2 2 电压表系统框图 AT89S51 时钟电路 复位电路 A D 转换电路测量电压输入 显示电路 输入放大与量 程转换电路 三斜积分 A D 转换电路 单片机计数控 制电路 LED 数字显 示器 电源 西华大学课程设计说明书 4 2 22 2 方案比较及选择方案比较及选择 方案一和方案二在实际应用各有各地特点 但方案一应用方便 原理易懂 结构 简单 器件易购买 方案二中用到 ICL713 但不太熟悉 所以选择方案一 西华大学课程设计说明书 5 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 1 AD 转换电路 电路图如图 3 1 所示 在选择输入端时 是将 A B C 赋值为低电平 选择 IN0 作为输入端 图 3 1 AD 转换原理图 3 2 复位电路 单片机在启动运行时都需要复位 使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的 初始状态 并从这个状态开始工作 MCS 51 单片机有一个复位引脚 RST 采用施密特触 发输入 当震荡器起振后 只要该引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平即可确保时 器件复位 1 复位完成后 如果 RST 端继续保持高电平 MCS 51 就一直处于复位状态 只要 RST 恢复低电平后 单片机才能进入其他工作状态 单片机的复位方式有上电自 动复位和手动复位两种 图 3 2 是 51 系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电 路 只要 Vcc 上升时间不超过 1ms 它们都能很好的工作 西华大学课程设计说明书 6 图 3 2 复位电路 3 3 时钟电路 单片机中 CPU 每执行一条指令 都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时 间节拍进行 而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的 CPU 执行一条指令的 各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序 MCS 51 单片机芯片内部有一个高增益 反相放大器 用于构成震荡器 XTAL1 为该放大器的输入端 XTAL2 为该放大器输出端 但形成时钟电路还需附加其他电路 本设计系统采用内部时钟方式 利用单片机内部 的高增益反相放大器 外部电路简 只需要一个晶振和 2 个电容即可 如图 3 3 所示 西华大学课程设计说明书 7 图 3 3 时钟电路原理图 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定 也可以参考一些典型电路的参数 电路中 电容器 C1 和 C2 对震荡频率有微调作用 通常的取值范围是 30 10pF 在 这个系统中选择了 33pF 石英晶振选择范围最高可选 24MHz 它决定了单片机电路 产生的时钟信号震荡频率 在本系统中选择的是 12MHz 因而时钟信号的震荡频率为 12MHz 3 4 显示电路 显示电路是显示测量输入电压的数字 如图 3 4 所示 图 3 4 显示电路原理图 3 5 特殊器件介绍 3 5 1 主控芯片 AT89S51 单片机 AT89S51 功能介绍 AT89S51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理 器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准 的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个 芯片中 ATMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵 活性高且价廉的方案 AT89S51 芯片引脚图如图 3 5 所示 西华大学课程设计说明书 8 图 3 5 AT89S51 芯片引脚图 3 5 2 ADC0808 ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 带有使能控制端 与微机直接 接口 片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关 可以对 8 路 0 5V 输入模拟电压信号分 时进行转换 由于 ADC0808 设计时考虑到若干种模 数变换技术的长处 所以该芯片非 常适应于过程控制 微控制器输入通道的接口电路 智能仪器和机床控制等领域 5 ADC0808 主要特性 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 可锁存三态输出 输出与 TTL 兼容 转换时间 128 s 转换精度 0 2 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 15mW ADC0808 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 其引脚图如图 3 6 所示 西华大学课程设计说明书 9 图 3 6 ADC0808 引脚图 下面说明各个引脚功能 IN0 IN7 8 条 8 路模拟量输入线 用于输入和控制被转换的模拟电压 地址输入控制 4 条 ALE 地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 为高电平时 为地址输入线 用 于选择 IN0 IN7 上那一条模拟电压送给比较器进行 A D 转换 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选择 8 路模拟输入中的一路 其对应关系 如表 3 1 所示 西华大学课程设计说明书 10 表 3 1 ADC0808 通道选择表 地址码 C B A 对应的输入通 道 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START START 为 启动脉冲 输入法 该线上正脉冲由 CPU 送来 宽度应大于 100ns 上升沿清零 SAR 下降沿启动 ADC 工作 EOC EOC 为转换结束输出线 该线上高电平表示 A D 转换已结束 数字量已锁入 三态输出锁存器 D1 D8 数字量输出端 D1 为高位 OE OE 为输出允许端 高电平能使 D1 D8 引脚上输出转换后的数字量 REF REF 参考电压输入量 给电阻阶梯网络供给标准电压 Vcc GND Vcc 为主电源输入端 GND 为接地端 一般 REF 与 Vcc 连接在一起 REF 与 GND 连接在一起 CLK 时钟输入端 3 5 3 LED LED 是发光二极管显示器的缩写 LED 由于结构简单 价格便宜 与单片机接 口方便等优点而得到广泛应用 LED 显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示 器件 6 在单片机中使用最多的是七段数码显示器 LED 七段数码显示器由 8 个发光二 极管组成显示字段 其中 7 个长条形的发光二极管排列成 日 字形 另一个圆点形 的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用 其通过不同的组合可用来显示各 种数字 LED 引脚排列如下图 3 7 所示 西华大学课程设计说明书 11 图 3 7 LED 引脚排列 在应用系统中 设计要求不同 使用的 LED 显示器的位数也不同 因此就生产了 位数 尺寸 型号不同的 LED 显示器供选择 在本设计中 选择 8 位一体的数码型 LED 显示器 简称 8 LED 如图 3 8 所示 图 3 8 LED 显示器 西华大学课程设计说明书 12 4 4 软件部分设计软件部分设计 根据模块的划分原则 将该程序划分初始化模块 A D 转换子程序和显示子程序 这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序 如图 4 1 所示 开始 初始化 调用 A D 转换子程序 调用显示子程序 结束 图 4 1 数字式直流电压表主程序框图 4 1 A D 转换子程序 A D 转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量 并将对应的数值存入 相应的内存单元 其转换流程图如图 4 2 所示 西华大学课程设计说明书 13 启动转换 A D 转换结束 输出转换结果 数值转换 显示 结束 图 4 2 A D 转换流程图 4 2 显示子程序 显示子程序采用动态扫描实现八位数码管的数值显示 在采用动态扫描显示方式 时 要使得 LED 显示的比较均匀 又有足够的亮度 需要设置适当的扫描频率 当扫 描频率在 70HZ 左右时 能够产生比较好的显示效果 一般可以采用间隔 10ms 对 LED 进行动态扫描一次 每一位 LED 的显示时间为 1ms 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 s 定时 通过软件延 时程序来实现 5ms 的延时 开始 西华大学课程设计说明书 14 5 5 电路仿真电路仿真 5 1 软件调试 软件调试的主要任务是排查错误 错误主要包括逻辑和功能错误 这些错误有些 是显性的 而有些是隐形的 可以通过仿真开发系统发现逐步改正 Proteus 软件可以 对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真 用户甚至可以实时采用诸 如 LED LCD 键盘 RS232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真 Proteus 支持 的微处理芯片包括 8051 系列 AVR 系列 PIC 系列 HC11 系列及 Z80 等等 Proteus 可以完成单片机系统原理图电路绘制 PCB 设计 更为显著点的特点是可以与 u Visions3 IDE 工具软件结合进行编程仿真调试 8 本系统的调试主要以软件为主 其中 系统电路图的绘制和仿真我采用的是 Proteus 软件 而程序方面 采用的是汇编语言 用 Keil 软件将程序写入单片机 5 2 显示结果及误差分析 1 当 IN0 口输入电压值为 0V 时 显示结果如图 5 1 所示 测量误差为 0V 西华大学课程设计说明书 15 图 5 1 输入电压为 0V 时 LED 的显示结果 2 当 IN0 输入电压值为 1 50V 时 显示结果如图 5 2 所示 测量误差为 0 01V 西华大学课程设计说明书 16 图 5 2 输入电压为 1 50V 时 LED 的显示结果 3 当 IN0 口输入电压值为 3 50V 时 显示结果如图 5 3 测量误差为 0 01V 图 5 3 输入电压为 3 50V 时 LED 的显示结果 西华大学课程设计说明书 17 通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与 标准 数字电压表对比测试表 如下表 5 1 所示 表 5 1 简易数字电压表与 标准 数字电压表对比测试表 标准电 压值 V 简易电压表 测量值 V 绝对误差 V 0 000 000 00 0 500 510 01 1 001 000 00 1 501 510 01 2 002 000 00 2 502 500 00 3 003 000 00 3 503 500 00 4 004 000 00 4 995 000 01 由于单片机 AT89C51 为 8 位处理器 当输入电压为 5 00V 时 ADC0808 输出数据值 为 255 FFH 因此单片机最高的数值分辨率为 0 0196V 5 255 这就决定了电压表 的最高分辨率只能到 0 0196V 从上表可看到 测试电压一般以 0 01V 的幅度变化 从上表可以看出 简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大 0 0 01V 这 可以通过校正 ADC0808 的基准电压来解决 因为该电压表设计时直接用 5V 的供电电源 作为电压 所以电压可能有偏差 当要测量大于 5V 的电压时 可在输入口使用分压电 阻 而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了 西华大学课程设计说明书 18 6 6 系统功能系统功能 本次设计是利用单片机 AT89S51 与 ADC0808 设计一个数字电压表 能够测量 0 到 5V 的直流电压值 四位数码管显示 西华大学课程设计说明书 19 小结小结 基于单片机的数字电压表使用性强 结构简单 成本低 外接元件少 在实际应 用工作应能好 测量电压准确 精度高 系统功能 指标达到了课题的预期要求 系 统在硬件设计上充分考虑了可扩展性 经过一定的改造 可以增加功能 本文设计主 要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能 详细说明了从原理图的设计 电路图 的仿真再到软件的调试 通过本次课程设计 加深对所学知识的理解 提高对课外知识的学习能力 增强知识的应用能力 提高解决实际问题的能力 培养自我创新意识 积累实践经验 为以后的发展打下基础 也为以后我们自己在这方面的发展打下基础 并能够在这方 面培养自己的兴趣 通过这次课程设计 无论从选题到定稿 从理论到实践都使我学到了很多东西 它不仅可以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知识 同时也明白了理论与实践相结合的重要性 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 才能真正为社会服务 从而提高 自己的实际动手能力和独立思考的能力 西华大学课程设计说明书 20 参考文献参考文献 1 潘新民 王燕芳 微型计算计控制技术 第二版 电子工业出版社 2010 2 皮大能 南光群 刘金华 单片机课程设计指导书 北京理工大学出版社 2010 3 陈连坤 单片机原理及接口技术 北京交通大学出版社 2010 4 邹久朋 80C51 单片机实用技术 北京航空大学出版社 2008 5 江志红 51 单片机技术与应用系统开发 清华大学出版社 2008 6 楼苗然 李光飞 单片机课程设计指导 北京航空航天大学出版社 2007 7 李广弟 单片机基础 北京航空航天大学出版社 2007 年 5 月 8 蔡朝洋 单片机控制实习与