基于单片机的数字电压表设计

1、目录摘要I1 绪论11.1数字电压表介绍11.2仿真软件介绍11.3 本次设计要求22 单片机和AD相关知识32.1 51单片机相关知识32.2 AD转换器相关知识43 数字电压表系统设计53.1系统设计框图53.2 单片机电路53.3 ADC采样电路63.4显示电路63.5供电电路和参考电压73.6 数字电压表系统电路原理图74 软件设计84.1 系统总流程图84.2 程序代码85 数字电压表电路仿真155.1 仿真总图155.2 仿真结果显示156 系统优缺点分析167 心得体会17参考文献181 绪论1.1数字电压表介绍数字电压表简称DVM，数字电压表基本原理是将输入的模拟电压信号转化为

2、数字信号，再进行输出显示。而A/D转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，器基本结构是由采样保持，量化，编码等几部分组成。因此AD转换是此次设计的核心元件。输入的模拟量经过AD转换器转换，再由驱动器驱动显示器输出，便得到测量的数字电压。本次自己的设计作品从各个角度分析了AD转换器组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。通过自己的实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到液晶学过的知识。其实也为建立节约成本的意识有些帮助。本次设计同时也牵涉到了几个问题：精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都是要慎重考虑的

3、，这些也是在本次设计中的收获。1.2仿真软件介绍Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是:(1)现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。(2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16

4、系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。(3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。(4)具有强大的原理图绘制功能。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。在PROTEUS绘制好原理图后，

5、调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。 PROTEUS不仅可将许多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实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、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PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改

6、电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。 1.3 本次设计要求本次设计的作品要求制作数字电压表的量程为0到10v，由于用到的模数转换芯片是ADC0809，设计系统给的供电电压为+5v，所以能够测量的电压范围为-0.25v到5.25v之间，但是一般测量的直流电压范围都在这之上，所以采用电阻分压网络，设计的电压测量范围是0到25v之间，满足设计要求的最大量程5v的要求。同时设计的精度为小数点后三位，满足要求的两位小数的精度，在不考虑AD芯片的量化误差的前提下，此次设计的精度能够满足一般测量的要求。 2单片机和AD相关知识2

7、.1 51单片机相关知识51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为单片机之一。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64KB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；

8、个中断源、两个优先级嵌套中断结构。51系列单片机如下图：图1 51单片机引脚图2.2 AD转换器相关知识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A/D转换。（1）主要特性： 1）8路输入通道，8位A/D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时） 4）单个+5V电源供电 5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7）低功耗

9、，约15mW。 （2）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 图2 ADC0909引脚3 数字电压表系统设计3.1系统设计框图此次设计的是数字电压表，要求的电压范围是05v，而设计扩展的量程为025v。系统设计主要包括四个部分：分别是电源模块、AD模数转换部分、51单片机最小系统部分、1602液晶显示部分。首先由单片机初始化ADC0809模数转换芯片和1602液晶显示，当外接被测电压后，ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号输入到单

10、片机的I/O口，通过单片机处理后将电压的大小显示在1602液晶上面。如下是本次设计作品的框图：图3 系统框图 3.2 单片机电路单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出，而且四个I/O口都已经用排阵引出，方便外接I/O扩展用。图4 单片机最小系统3.3 ADC采样电路由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000111分别选中IN0IN7。ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。CLK为输入时钟，为AD转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。

11、START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDAADDC选中的一路模拟信号开始转换。OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，是转换后的数字量从D0D7输出。EOC为转换结束信号，启动转换后EOC变为低电平，转换完成后EOC编程高电平。图5 ADC模数转换3.4显示电路以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。 1602字符型通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线 VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样： 图6 1602引脚图3.5供电电路和参考电压由于此次系统的芯片工作电压为+5v，所以用常用的三端

12、稳压器LM317和LM337构成的电源系统供电，其中ADC0809要提供一个准确的参考电源才能正常的工作，而LM317正好能够达到要求。图7 系统供电部分3.6 数字电压表系统电路原理图如下是此次数字电压表系统的总原理图，其中的连线用网络标号表示出来，省去了连线的麻烦，而且是总图的可读性增强。图8 数字电压表总原理图4 软件设计4.1 系统总流程图此次设计的数字电压表系统比较简单，就设置了一个量程为025v，所以没有用到按键控制，也没有其他的功能，因此程序比较简单，在输入模拟信号时采用电阻分压，最终的采样输入电压只有实际输入电压的十分之一，所以在编写程序中要编写一段数据调整程序，如下为系统总流

13、程图：开始结束初始化AD采样量化液晶显示图9 系统流程图4.2 程序代码/*电压表*/#include<reg52.h>#include<intrins.h>/库函数头文件，代码中引用了_nop_()函数/*ADC初始定义*/sbit start=P30; /转换开始控制sbit oe=P32; /输出允许控制sbit eoc=P31; /转换结束信号sbit clock=P33; /转换时钟sbit P0_2=P02; /蜂鸣器sbit P0_5=P05;sbit P0_6=P06;sbit P0_7=P07; /*1602液晶初始定义*/sbit RS=P00; /

14、读控制sbit RW=P03; /写控制sbit E=P01; /使能端unsigned char da0,da1,da2,da3,da4;unsigned int temp;unsigned int d1,d2,d3; unsigned char dat; /数字电压量unsigned char lcdd="0123456789"void lcd_w_cmd(unsigned char com); /写命令函数void lcd_w_dat(unsigned char dat); /写数据函数void display(unsigned char dat); /显示函数uns

15、igned char lcd_r_start(); /读状态函数void int1(); /LCD初始化函数void delay(unsigned char t); /可控延时函数void delay1(); /软件实现延时函数，5个机器周期/*显示函数部分*/void display(unsigned char dat)temp=5*dat; /量程扩大五倍da0=temp/51/10; /十位da1=temp/51%10; /个位d1=temp%51;d1=d1*10; da2=d1/51; /十分位d2=d1%51;d2=d2*10;da3=d2/51; /百分位d3=d2%51;d3=

16、d3*10;da4=d3/51; /千分位lcd_w_cmd(0x0c); /设置光标不显示、不闪烁delay(20);lcd_w_cmd(0xc0); /第二行起始显示地址0x80delay(20);delay(2); lcd_w_dat('V'); /显示字符串volatage is lcd_w_dat('o');lcd_w_dat('l'); lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('t');lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('g');lcd_w_da

17、t('e');lcd_w_dat(' ');/显示电压的大小 lcd_w_dat(lcddda0); /十位lcd_w_dat(lcddda1); /个位lcd_w_dat('.'); /小数点 lcd_w_dat(lcddda2); /十分位lcd_w_dat(lcddda3); /百分位 lcd_w_dat(lcddda4);/千分位lcd_w_dat('V'); /单位 /*主函数*/void main()P0_2=1; /关蜂鸣器P0_5=P0_6=P0_7=0; /选择000第一通道int1(); /LCD初始化 whi

18、le(1) start=0; start=1; /获得上升沿复位 start=0; /获得下降沿启动转换，同时ALE开锁存 do clock=clock; /时钟信号 while(eoc=0); /等待转换结束，eoc=1结束 oe=1; /三态锁存缓冲器打开 dat=P1;/数字电压信号输出 oe=0; /三态锁存缓冲器关闭 display(dat); /*延时函数*/void delay(unsigned char t) unsigned char j,i; for(i=0;i<t;i+) for(j=0;j<20;j+); /*延时函数1*/void delay1() _no

19、p_(); _nop_(); _nop_();/*LCD初始化函数*/void int1() lcd_w_cmd(0x3c); / 设置工作方式 lcd_w_cmd(0x0c); / 设置光标 lcd_w_cmd(0x01); / 清屏 lcd_w_cmd(0x06); / 设置输入方式 lcd_w_cmd(0x80); / 设置初始显示位置/*LCD读状态函数*/返回值：返回状态字，最高位D7=0，LCD控制器空闲；D7=1,LCD控制器忙unsigned char lcd_r_start() unsigned char s; RW=1; /RW=1，RS=0，读LCD状态 delay1()

20、; RS=0; delay1(); E=1; /E端时序 delay1(); s=P2; /从LCD的数据口读状态 delay1(); E=0; delay1(); RW=0; delay1(); return(s); /返回读取的LCD状态字/*LCD写命令函数*/void lcd_w_cmd(unsigned char com) unsigned char i; do / 查LCD忙操作 i=lcd_r_start(); / 调用读状态字函数 i=i&0x80; / 与操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，继续查询，否则退出循环RW=0;de

21、lay1();RS=0; / RW=0，RS=0，写LCD命令字delay1();E=1; /E端时序delay1();P2=com; /将com中的命令字写入LCD数据口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);/*LCD写数据函数*/void lcd_w_dat(unsigned char dat) unsigned char i; do / 查忙操作 i=lcd_r_start(); / 调用读状态字函数 i=i&0x80; / 与操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，继续查询，否则退出循环RW=0;del

22、ay1();RS=1; / RW=1，RS=0，写LCD数据delay1();E=1; / E端时序delay1();P2=dat; / 将dat中的显示数据写入LCD数据口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);5 数字电压表电路仿真5.1 仿真总图为了验证此次设计原理图的正确性，在制作实物之前用专业软件做了仿真，在Proteus软件中设置AT89C51单片机的晶振频率为12 MHz。本电路EA接高电平，没有扩展片外ROM。如下图是此次系统仿真的总原理图部分：图8 仿真总图通过用protues软件的仿真发现此次设计的系统原理图能够实现电压的正确测量，而且电

23、压的误差较小，1602液晶屏能够正确显示出测量出来的结果。5.2 仿真结果显示如下图为此次仿真的测量电压的结果的截图：图9 仿真结果显示6 系统性能分析通过理论分析和电路仿真，现在对此次课程设计的数字电压表系统设计结果进行总结。通过仿真我们可以看到仿真结果和理论分析是相符合的，也即此次设计的系统能够在一定的条件下达到课程设计目的，实现对外接电压的测量，电路结构简单，但是可以看出在系统的稳定性及可靠性方面做得不够。具体体现在以下几个方面：（1）数字电压表系统中对于外界被测电压的变化反应不够灵敏，变化比较慢，主要是因为ADC模数转换芯片的转换速率不够；（2）数字电压表系统测量的外界电压不够准确，跟

24、用示波器或者高精度的电压表测量的结果有偏差，主要是因为ADC芯片的位数不够；（3）而且ADC的参考电压不准确也会造成测量结果的不准确；（4）另外很重要的影响因素是因为AD芯片的测量输入电压最大为5v，而设计的是25v，量程扩大了五倍，运用的是电阻分压网络，如果用精密电阻可以做到很高的精度，而设计中用的是5%误差的碳膜电阻，温度系数高，而且不稳定，这是很重要的一个影响因素。针对上述问题，理论上可以用一下方法进行改进：（1）在换用高精度的ADC芯片能够改善测量精度的问题，一般用12位AD既能满足要求；（2）制作高精度电压参考源，通过提高ADC模数转换芯片的参考电压的精度来提高测量的电压精度；（3）运用高精度的金属膜电阻构成分压网络，能够最大限度提高精度；（4）通过查阅书籍可以找到ADC0809的误差系数和碳膜电阻的温度系数，然后在编程的时候进行软件的补偿和参数校正，能够最优化的用软件来补偿硬件的误差问题，这个在编程思想中是很重要的。虽然时间紧迫，最终按照仿真成功的原理图焊接实物，并调试，调试成功！而且在老师的指点下，使系统得到了最大优化的提高。7 心得体会通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务是设计、组装并调试一个数字电压表测量系统。需要我们综合运用单片