机电一体化毕业设计(论文)-基于单片机的数字电压表的设计.doc

机电一体化毕业设计(论文)-基于单片机的数字电压表的设计 编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目基于单片机的数字电压表的设计学生姓名学 号系 部电气工程系专 业机电一体化班 级指导教师顾问教师二一二年十月摘要本文介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计该设计主要由三个模块组成AD转换模块数据处理模块及显示模块AD转换主要由芯片ADC0809来完成它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块数据处理则由芯片AT89C51来完成其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理产生相应的显示码送到显示模块进行显示此外它还控制着ADC0809芯片工作该系统的数字电压表电路简单所用的元件较少成本低且测量精度和可靠性较高此数字电压表可以测量0-5V的1路模拟直流输入电压值并通过一个四位一体的7段数码管显示出来 关键词单片机 数字电压表 AD转换 AT89C51 ADC0809目 录第一章 绪论3第二章 设计背景421单片机4com的简介4com的应用领域422数字电压表6com压表的特点6第三章 设计目的与功能要求731设计目的732功能要求7第四章 总体设计841系统设计842设计方案843总体设计框图9第五章 设计原理图951设计原理图10第六章 硬件电路设计1161 信号调理模块11com性检测电路11com围粗测电路11com换电路1162单片机模块12com介绍和选择1263 AD转换模块16com介绍和选择16com1864显示模块18com LED数码管18com LED数码管与单片机接口设计20第七章 总体电路设计2271总体电路设计22第八章 软件设计2381汇编流程图2382汇编程序2483程序说明26第九章 总结27参考文献28第一章 绪论电子电压表主要用于测量各种高低频信号电压它是电子测量中使用最广泛的仪器之一根据测量结果的显示方式及测量原理不同电压测量仪器可分为两大类模拟式电压表 AVM和数字式电压表DVM模拟式电压表是指针式的多用磁电式电流表作为指示器并在表盘上刻以电压刻度数字式电压表首先将模拟量经模数AD转换器变成数字量然后用电子计数器计数并以十进制数字显示被测电压值众所周知模拟电压表精度较高曾经有很广阔的市场现在依然有不少工程师依然在使用模拟电压表的确模拟电压表在显示测量值方面精度校准然而却也存在问题模拟电压表采用用指针式里面是磁电或电磁式结构所以其响应速度较慢然而在高速发展的当今社会高速信号处理的需求越来越多由于模拟电压表响应速度较慢已经不适用与高速信号领域取而代之的将是数字电压表但数字电压表由于存在采样误差精度不是很高不过目前可以通过技术手段来缩小误差使其精度达到与模拟电压表一样精确甚至更高可见将来数字电压表必将取代模拟电压表现在有越来越多的数字测量仪器的出现但原理皆与数字电压表殊途同归因此研究数字电压表有着很大现实意义第二章 设计背景21单片机com的简介单片微型计算机简称单片机是典型的嵌入式微控制器Microcontroller Unit常用英文字母的缩写MCU表示单片机单片机又称单片微控制器它不是完成某一个逻辑功能的芯片而是把一个计算机系统集成到一个芯片上相当于一个微型的计算机和计算机相比单片机只缺少了IO设备概括的讲一块芯片就成了一台计算机它的体积小质量轻价格便宜为学习应用和开发提供了便利条件同时学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择它最早是被用在工业控制领域由于单片机在工业控制领域的广泛应用单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中使计算机系统更小更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器当时的单片机都是8位或4位的其中最成功的是INTEL的8031此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机直到目前基于8031的单片机还在广泛的使用在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统因此它得到了广泛的应用事实上单片机是世界上数量最多处理器随着单片机家族的发展壮大单片机和专用处理器的发展便分道扬镳现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机手机电话计算器家用电器电子玩具掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机 汽车上一般配备40多部单片机复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和甚至比人类的数量还要多com的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹导弹的导航装置飞机上各种仪表的控制计算机的网络通讯与数据传输工业自动化过程的实时控制和数据处理广泛使用的各种智能IC卡民用豪华轿车的安全保障系统录像机摄像机全自动洗衣机的控制以及程控玩具电子宠物等等这些都离不开单片机更不用说自动控制领域的机器人智能仪表医疗器械以及各种智能机械了因此单片机的学习开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家工程师单片机广泛应用于仪器仪表家用电器医用设备航空航天专用设备的智能化管理及过程控制等领域大致可分如下几个范畴智能仪器单片机具有体积小功耗低控制功能强扩展灵活微型化和使用方便等优点广泛应用于仪器仪表中结合不同类型的传感器可实现诸如电压电流功率频率湿度温度流量速度厚度角度长度硬度元素压力等物理量的测量采用单片机控制使得仪器仪表数字化智能化微型化且功能比起采用电子或数字电路更加强大例如精密的测量设备电压表功率计示波器各种分析仪工业控制单片机具有体积小控制功能强功耗低环境适应能力强扩展灵活和使用方便等优点用单片机可以构成形式多样的控制系统数据采集系统通信系统信号检测系统无线感知系统测控系统机器人等应用控制系统例如工厂流水线的智能化管理电梯智能化控制各种报警系统与计算机联网构成二级控制系统等家用电器现在的家用电器广泛采用了单片机控制从电饭煲洗衣机电冰箱空调机彩电其他音响视频器材再到电子秤量设备和白色家电等网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口可以很方便地与计算机进行数据通信为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制从手机电话机小型程控交换机楼宇自动通信呼叫系统列车无线通信再到日常工作中随处可见的移动电话集群移动通信无线电对讲机等医用设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛例如医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备及病床呼叫系统等等模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能从而在各种电路中进行模块化应用而不要求使用人员了解其内部结构如音乐集成单片机看似简单的功能微缩在纯电子芯片中有别于磁带机的原理就需要复杂的类似于计算机的原理如音乐信号以数字的形式存于存储器中类似于ROM由微控制器读出转化为模拟音乐电信号类似于声卡在大型电路中这种模块化应用极大地缩小了体积简化了电路降低了损坏错误率也方便于更换汽车电子单片机在汽车电子中的应用非常广泛例如汽车中的发动机控制器基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器GPS导航系统abs防抱死系统制动系统胎压检测等此外单片机在工商金融科研教育电力通信物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途22数字电压表com压表的特点数字电压表 DVM 是将被测的电压模拟量自动转换成开关量然后进行数字编码译码以数字形式显示出来的一种电测仪表它具有如下主要特点 1 准确度高目前可达到10-6数量级因此用它代替直读仪表可大大提高测量精度 2 灵敏度高一般可做到10微伏至1微伏目前已有10-9伏数量级的仪表 3 输入阻抗高一般可达1000兆欧以上而且工作时零电流很小一般可达10-10安 4 测量速度快采样速度一般每秒种为几十次到上万次甚至可达百万次 5 读数准确因是数字显示所以读数准确可以消除人为的读数误差 6 使用方便用途广开机预热预调后即可使用可配接打印机自动记数还可配接相应的转换器用来测量交流电压直流电流电阻和温度等参量第三章 设计目的与功能要求31设计目的通过制作简易的数字电压表加深对所学专业知识的认识提高分析解决工程实际问题的能力提高对单片机的应用能力提高收集文献资料的能力从而达到综合运用所学的专业知识进行电子产品设计制作与调试的能力32功能要求以MCS-51系列单片机为核心器件组成一个简单的直流数字电压表采用1路模拟量输入能够测量0-5V之间的直流电压值电压显示用4位一体的LED数码管显示至少能够显示两位小数 尽量使用较少的元器件第四章 总体设计41系统设计主要分为两部分硬件电路及软件程序硬件电路包括单片机及外围电路模拟信号采集电路AD转换电路数码管显示电路各部分电路的衔接软件的程序可采用C语言或汇编这里采用汇编语言详细的设计思路在后面介绍42设计方案数字电压表的设计方案很多但采用集成电路来设计较流行其设计主要是由模拟电路和数字电路两大部分组成模拟部分包括AD转换器基准电源等数字部分包括振荡器数码显示计数器等其中AD转换器将输入的模拟量转换成数字量它是数字电压表的一个核心部件对它的选择一般有两种选择方案1采用双积分AD转换器MC14433它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端采用动态扫描显示便于实现自动控制但芯片只能完成AD转换功能要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等使得整部分硬件电路板布线复杂加重了电路设计和实际焊接的工作2 逐次逼近式AD转换器它的转换速度更快而且精度更高比如ADC0808ADC0809等它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码锁存电路等它们可以与单片机系统连接将数字量送单片机进行分析和显示这样电路设计简单电路板布线不复杂便于焊接调试这里采用这种方案显示部分可以采用各类数码管或用LCD显示器显示在此简化采用4位八段共阴极数码管对AD转换变换后的结果加以显示43总体设计框图图4-31 总体设计框图第五章 设计原理图51设计原理图图5-11 设计原理图第六章 硬件电路设计61 信号调理模块该部分主要实现的功能是自动量程切换和电压变换模块主要由电压极性检测电路电压范围粗测电路电压变换电路三部分组成com性检测电路电压极性检测电路采用过零比较器检测负电压的方式实现的运算放大器LM324的反向端接地同向端通过100K电阻接输入信号图6-11com围粗测电路 为了粗略地得到被测量的电压范围我们采用多组比较器的方式通过阶梯式比较的方法确定输入电压的范围图6-12com换电路电路由衰减电阻切换继电器和运算放大器组成对应的是衰减121314和无零漂放大50倍切换电路如图所示电压变换到0-5V标准信号后再由AD转换进行采样最后由单片机算法还原62单片机模块com介绍和选择单片机AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压高性能CMOS 8位微处理器俗称单片机AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次该器件采用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AT89C51是一种高效微控制器AT89C2051是它的一种精简版本AT89C51单片机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外形及引脚排列如图6-21所示 图6-21芯片引脚图 1 主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命1000写擦循环 数据保留时间10年 全静态工作0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程IO线 两个16位定时器计数器 5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 引脚描述VCC电源电压 GND地P0口P0口是一组8位漏极开路双向IO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IO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IO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IO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P3口除了作为一般的IO口外更重要的用途是它的第二功能如下表所示端口引脚第二功能P30RXDP31TXDP32INT0P33INT1P34T0P35T1P36WRP37RDP3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号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116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EAVPP外部访问允许欲使中央处理器仅访问外部程序存储器EA端必须保持低电平需要注意的是如果加密位LBI被编程复位时内部会锁存EA端状态如EA端为高电平CPU则执行内部程序存储器中的指令闪烁存储器编程时该引脚加上12V的编程允许电压VPP当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPPXTAL1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时钟震荡器AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器引脚XTAL1和XTAL2分别是该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石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器 外接石英晶体及电容C1C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路对外接电容C1C2虽然没有十分严格的要求但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低震荡器工作的稳定性起振的难易程序及温度稳定性如果使用石英晶体我们推荐电容使用30PF10PF而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF用户也可以采用外部时钟采用外部时钟的电路如图示这种情况下外部时钟脉冲接到XTAL1端即内部时钟发生器的输入端XTAL2则悬空由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求电路内部振荡 外部振荡电路图6-2263 AD转换模块com介绍和选择ADC0809芯片ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道8位逐次逼近式AD模数转换器其内部有一个8通道多路开关它可以根据地址码锁存译码后的信号只选通8路模拟输入信号中的一个进行AD转换是目前国内应用最广泛的8位通用AD芯片图6-31引脚图 1 主要特性18路输入通道8位AD转换器即分辨率为8位 2具有转换起停控制端 3转换时间为100s 时钟为640kHz时 130s时钟为500kHz 4单个5V电源供电 5模拟输入电压范围05V不需零点和满刻度校准 6工作温度范围为-4085摄氏度 7低功耗约15mW 2 外部特性引脚功能IN0IN78路模拟量输入端 DB0-DB78位数字量输出端 ADDAADDBADDC3位地址输入线用于选通8路模拟输入中的一路 ALE地址锁存允许信号输入高电平有效 START AD转换启动脉冲输入端输入一个正脉冲至少100ns宽使其启动脉冲上升沿使0809复位下降沿启动AD转换 EOC AD转换结束信号输出当AD转换结束时此端输出一个高电平转换期间一直为低电平 OE数据输出允许信号输入高电平有效当AD转换结束时此端输入一个高电平才能打开输出三态门输出数字量 CLK时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ REFREF-基准电压 Vcc电源单一5V GND接地com图6-3264显示模块com LED数码管 LED基本结构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6-41所示图6-41 LED引脚排列 LED数码管的选择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4位一体的数码型LED显示器简称4-LED本系统中前一位显示电压的整数位即个位后两位显示电压的小数位4-LED显示器引脚如图所示是一个共阴极接法的4位LED数码显示管其中abcefg为4位LED各段的公共输出端1234分别是每一位的位数选端dp是小数点引出端4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成每个LED的段输出引脚在内部都并联后引出到器件的外部图6-42 4位LED引脚对于这种结构的LED显示器它的体积和结构都符合设计要求由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起所以必须使用动态扫描方式将所有数码管的段选线并联在一起用一个IO接口控制显示 LED译码方式译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式对于LED数码管显示器通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转换软件译码就是编写软件译码程序通过译码程序来得到要显示的字符的字段码译码程序通常为查表程序3本设计系统中为了简化硬件线路设计LED译码采用软件编程来实现由于本设计采用的是共阴极LED其对应的字符和字段码如下表所示共阴极字段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHcom LED数码管与单片机接口设计由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器所以在一般情况下必须采用专用的驱动电路芯片使之产生足够大的电流显示器才能正常工作7如果驱动电路能力差即负载能力不够时显示器亮度就低而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏因此LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题为了简化数字式直流电压表的电路设计在LED驱动电路的设计上可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间这样就可以加大P0口作为输出口德驱动能力使得LED能按照正常的亮度显示出数字如图6-43所示图6-43 LED与单片机接口间的设计第七章 总体电路71总体电路经过以上的设计过程可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图7-11所示图7-11 简易数字电压表电路图此电路的工作原理是5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC0809的IN0通道进入由于使用的IN0通道所以ADDAADDBADDC均接低电平经过模数转换后产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED同时它还通过其四位IO口P20P21P22P23产生位选信号控制数码管的亮灭此外AT89C51还控制ADC0809的工作其中单片机AT89C51通过定时器中断从P24输出方波接到ADC0809的CLOCKP26发正脉冲启动AD转换P25检测AD转换是否完成转换完成后P27置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来3简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成就可以选取相应的芯片和元器件利用Proteus软件绘制出硬件的原理并仔细地检查修改直至形成完善的硬件原理图但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能还需要有相应的软件配合才能达到设计要求第八章 软件设计81汇编流程图82汇编程序初始化定义LED1 EQU 30HLED2 EQU 31HLED3 EQU 32H存放三个数码管的段码ADC EQU 35H存放转换后的数据ST BIT P32OE BIT P30EOC BIT P31定义ADC0809的功能控制引脚ORG 0000HLJMP MAIN跳转到主程序执行ORG 0030H主程序各寄存器初始化ADC0809采集数据和调用显示主程序MAIN MOV LED100H MOV LED200H MOV LED300H寄存器初始化 CLR P34 SETB P35 CLR P36选择ADC0809的通道2WAIT CLR ST SETB ST CLR ST在脉冲下降沿启动转换 JNB EOC等待转换结束 SETB OE允许输出信号 MOV ADCP1暂存AD转换结果 CLR OE关闭输出 MOV AADC将转换结果放入A中准备个位数据转换 MOV B50变换个位调整值50送B DIV AB MOV LED1A将变换后的个位值送显示缓冲区LED1 MOV AB将变换结果的余数放入A中准备十分位变换 MOV B5变换十分位调整值5送B DIV AB MOV LED2A将变换后的十分位值送LED2 MOV LED3B最后的余数作百分位值送LED3 LCALL DISP调用显示程序 AJMP WAIT显示子程序 DISP MOV R1LED1 CJNE R15GOR1 5V是往下执行否则到GO MOV LED20H是5V即最高值将小数的十分位清零 MOV LED30H将小数的百分位清零GO MOV R23显示位数赋初值用到3位数码管 MOV R30FDH扫描初值送R3DISP1 MOV P20FFH关闭显示目的防止乱码 MOV AR1显示值送A MOV DPTRTAB送表首地址给DPTR MOVC AADPTR查表取段码 CJNE R23GO1判断是否个位数码管否则跳到GO1 ORL A80H将整数的数码管显示小数点GO1 MOV P0A送段码给P0口 MOV AR3 MOV P2A送位码给P2口 LCALL DELAY调用延时 MOV R3A RL A改变位码 MOV R3A INC R1改变段码 DJNZ R2DISP1三位是否显示完否则调到DISP1 RET延时5S程序DELAY MOV R610D1 MOV R7250 DJNZ R7 DJNZ R6D1 RET 显示数据表TAB DB 3FH 06H5BH4FH66H共阴极数码管显示0-4 DB 6DH7DH07H7FH6FH显示5-9 END83程序说明程序先定义了ADC0809的控制线对其控制端口要注意的是操作时序要将AD转换来的数据变换成对应的BCD码这是因为ADC0809是8位AD转换对05V的模拟量转换成00HFFH的数字量即0255这要变换成对应十进制的BCD码才能显示最高25550 505VBCD码取01