简单数字电压表设计

1、题 目： 简单数字电压表设计 简易数字电压表的设计1. 简易数字电压表的任务和要求1.1简易数字电压表的任务 以简易数字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AT89C51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LCD显示数字电压信号，从而设计出简易数字电压表。1.2简易数字电压表的要求以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。电压用LCD显示，至少能够显示两位小数。尽量使用较少的元器件。电路连通后通过

2、调节滑动变阻器改变电压，在LCD液晶屏上显示其相应的电压值，要求电压精确到小数点后第二位，观测变化1.3简易数字电压表的研究基础通过在Keil软件对单片机AT89C51进行编程，硬件电路中单片机与ADC0808及LCD显示屏连接。P0与ADC0808相连接，P1与LCD连接。通过start()子程序启动ADC0808，通过init（）子程序初始化LCD。模拟信号通过ADC0808的VIN+引脚输入到ADC0808中转换为数字信号，P0获得此数字量后，经过处理得到每位的数据后，通过P1口写数据到LCD屏上。2简易数字电压表的系统方案制定2.1简易数字电压表的两种方案设计数字电压表有多种的设计方法

3、，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。所以我们研究讨论了以下两种数字电压表的设计方案。2.1.1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

4、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转换器中个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。2.1.2由单片机系统及A/D转换芯片构建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

5、送入显示电路模块加以显示。模拟电 压AT89C51 单片机ADC0808转换数据显 示图1 设计框图2.2两种方案的比较方案1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。方案2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，难与在原基础上进行功能扩展等不足 。2.3方案论证方案2中，我们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，电路更加简单明了，比方案1来说更有优势。2.4方案选择方案1中功能扩展方面问

6、题，已经在方案2中得以解决，并且更加灵活体现地在电路连接上和软件方面，从器件上来看也简单方便，固我们采取方案2。3.简单数字电压表的系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计我们选择单片机与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：AT89C51单片机，AD0808模数转换芯片，LCD液晶屏，开关，按键，电容，电阻，晶振，标准电源。3.1.1单片机模块单片机最小系统包括复位电路，晶振电路，电源电路，仿真时需搭建复位电路和晶振电路。我们所使用的51单片机引脚图如下所示图2 AT89C51的引脚图3.1.2 A/D转换器模块ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带

7、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。ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3所示。图3 ADC0808引脚图 3.1.3振荡电路模块 就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4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XT

8、AL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输入端，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。图4 振荡电路模块3.1.4显示模块液晶显示模块的原理是背光灯组件发出均匀的面光，通过液晶屏输入到我们的眼睛，屏的作用就是对这些光束进行处理，并且显示我们所做的电压表测出的电压，并以此数值与标准电压进行对比取样。图5 LCD显示模块3.1.5复位电路上电复位电路中，利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间，RST引脚上的电位是高电平（Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。只要保证RST引脚上高电平出现的时间大于两个机器周期，便可以实现正

9、常复位。按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电的电容会快速通过200电阻的回路放电，从而使得RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复 。图6 复位电路3.1.6电路设计通过在Keil软件对单片机AT89C51进行编程，硬件电路中单片机与ADC0808及LCD显示屏连接。P0与ADC0808相连接，P1与LCD连接。通过start()子程序启动ADC0808，通过init（）子程序初始化LCD。模拟信号通过ADC0808的VIN+引脚输入到ADC0808中转换为数字信号，P0获

10、得此数字量后，经过处理得到每位的数据后，通过P1口写数据到LCD屏上。3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.1 51单片机单片机是对目前所有兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的8位单片机之一。单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。51系列单片机内包含以下几个部件：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KB的ROM程序存储器；一个128B的RAM数据存储器；寻址64KB外部数据存储器和64K

11、B外部程序存储空间的控制电路；32条可编程的I/O口线；两个16位定时计数器；一个可编程全双工串行口；5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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

12、，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。AT89C51单片机接口分配电路设计如图所示：图7 单片机接口电路P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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。在这里P0口作为输入与输出分别与ADC0808的输出端和LCD显示的输入端相连，且P0外部被阻值为1K的电阻拉高。 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，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管

13、脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为入时，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口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八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。这里只用到了P2.0P2.3四个端口，其中P2.1P2.3都是作为输出端口控制显示电路的寄存器选择、读写信号和使能端口。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL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

14、平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，在这里用到了P3.3 /INT1（外部中断1）、 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）。3.2.2 ADCO8080转换器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：128s；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。下面说明各个引脚功能:IN0-IN7（8条）：8路模拟量

15、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1所示： 表1 ADC0808通道选择表地址码对应的输入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7START：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

16、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。ADC0808的内部结构及工作流程ADC0808由8路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图7所示。图8 A

17、DC0808的内部结构3.2.3其余的组件开关、按键、电容、电阻和晶振等。3.3特殊器件介绍LCD液晶显示屏我们选取的LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。LCD(life cycle design) 生命周期设计（Life Cycle Design）又称生态设计（Eco-Design）。它是从产品性能、环境保护、经济可行性的角度，考虑产品开发全生命周期（包括产品设计、原材料的提取、产品的制造、包装、销售和使用

18、、用后的回收与处置全过程）的污染预防要求，多级使用资源与能源，以降低产品生产和消费过程对环境的影响，使其与地球的承载能力相一致。 LCD通过背光板照射才能显示，目前市面上比较常见的TFT以及SLCD都属于LCD的范畴。3.4系统整体电路图图9 系统整体电路图4简易数字电压表系统仿真和调试 4.1仿真软件的介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者

19、、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码不仅可将许单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到S是单片机788559.htm t _blank单片机修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库元器件iew/47823.htm t _blank 虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过

20、程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。4.2简易数字电压表系统仿真的实现Keil软件对单片机AT89C51进行编程，输入程序： 开始调用A/D转换子程序初始化调用显示子程序结束图10 程序流程图用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。1)检查LCD显示模块程序。观察在LCD上是否能够显示相应的字符。2)检查按键模块程序。3)检查A/D转换模块程序

21、。可以在硬件电路的输入端输入已知的几个电压，分别观察LCD上是否显示相应的电压值。4)检查数据的转换模块程序。4.3系统测试调试完后，对电路进行精确、准确进行调试，为了保证精确度，要多测几个点，除了零点和满度值外，再选两个中间值进行比较，测试结果如下表所示：表2结果测试输入值（V）测量值（V）1.301.291.951.943.153.153.503.494.404.395.005.00仿真测试前后比较： 图11 数字电压表仿真前图12 数字电压表仿真后4.4数据分析从上表可以看出，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

22、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5总结5.1设计小结经过一段时间的努力，毕业论文-基于单片机的简易数字电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。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

23、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。5.2收获体会通过“简易数字电压表的设计”的设计过程，我们结合所学过的课程，了解了简易仪表的发展状况，掌握了目前自动化仪表的一般设计要求，工程设计方法，开发及设计工具使用方法，最重要的是通过这一设计实践过程，我们不在是约束在理论上而是锻炼了我们的动手能力和分析，解决问题的能力，积累经验，培养按部就班，一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力，了解了很多课本上学不到的知识，我想这样的实践环节在我的学生生涯是很难得的，也为我们以后步入社会开始工作打下了一定的基础，最后我也要感谢组里的同学们，只有在他们团结协作下，本次课程设计才可以顺利进行并实现所有功能，同时我也明白了团结协作的重要性