智能化DVM的设计

1、第一章 设计任务书1.1 设计名称 智能化DVM的设计 1.2 设计技术指标与要求A、测量范围量 程：05V；050V；0500V显示位数：二位半B、分辨力：0.01VC、测量速率：次秒D、量程选择方式：手动选择量程1.3 产品说明数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被

2、广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。数字电压表简称DVM(DIGlTAL VOLTMETER)。DVM的问世，以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以AD变换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能、小型化、智能化方向发展。本产品主要是手动选择量程式的数字电压表，本次产品设置了四个按键，一个按键是复位按键，另外三个则是进行量程切换的用

3、的，通过按键的选择，将量程自动切换到05V；050V；0500V三个不同的档位，最后再将所测得的电压值通过四位数码管显示出来。第二章 系统原理及基本框图DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。这实质上是个量化过程，即连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是AD变换器。如图2.1所示，当模拟电压经过档位切换到不同的分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理，处理后的数据送到LED中显示。具体电路原理图见附录。 图 2.1系统基本方框图 第三章 硬件电路的设计3.1 输入电路由于AD0809在电

4、压测量值方面有一定的局限性，所以需要在输入接口介入一个分压电路，将超出量程范围的电压转化为AD0809所能够转换的量程之内。在第一个档位即05V时，由于在AD0809所能测得的范围之内故股不需要进行分压设置。其他两个档位分压电路如图3.1所示。 图3.1 分压电路 如上图所示，IN1、IN2接口是用来输出分压之后的电压，根据具分压公式可得IN1、IN2输出约为0-4.54V。3.2 A/D转换电路3.2.1 ADC0809的结构及原理 ADC0809采用逐次逼近法驱动电路，并自带了寄存器，可以不附加取样保持电路，因为比较器和寄存器这两部分兼有取样保持功能。其引脚如图3.2所示，其主要的技术指标

5、如下：电源电压 5V 分辨率 8位 图3-2 AD0809引脚图时钟频率 640kHz 转换时间 100s 未经调整误差 1/2LSB和1LSB 模拟量输入电压范围 0-5V 功耗 15mW 图3.3 AD0809内部原理框图 图3.3为ADC0809内部原理框图，由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809 A/D转换芯片主要管脚功能如

6、表3-1所示。符号引脚号功能IN0-IN726-28，1-5为8个通道模拟量输入线ADD AADD BADD C25-23多路开关地址选择线。A为最低位，C为最高位，通常分别接在地址线的低3位2-8-2-117，14，15，818-218位数字量输出结果ALE22地址锁存有效输入线。该信号上升沿把ADDA,ADDB,ADDC，3选择线的状态锁存入多路开关地址寄存器START6启动转换输入线。该信号上升沿清除ADC的内部寄存器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始A/D转换工作EOC7转换完成输出线。当EOC为1时表示转换已完成CLOCK10转换定时时钟输入线。其频率不能超过640kHzOE9允许输入

7、线。在OE为“1”时，三态输出锁存器脱离三态，把数据送往总线。±VREF12，16参考电压输入线VCC11接VCCGND13接GND表3-1 管脚功能如表ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。      ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN

8、7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3-2所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 表3-2 通道选择表     ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时

9、钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。3.2.2 ADC0809应用说明 （1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2） 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.2.3 AD0809与单片机连接电路 如图3.4为AD0809与单片机连接电路图。图3

10、.4 AD0809与单片机连接电路 3.3 复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现高电平时，单片机便实现状态复位。MCS52单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式：（一）上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现，这样，只要电VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现上电自动复位。（二）按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，其电平复位是通过使复位端通过VCC电源与电阻接通来实现的，而脉冲复位则是利用了RC微分电路产生的正脉冲来实现的。本设计选用上电与按键均有效的复位电路，它不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成

11、复位操作，如图3.5所示。单片机的RST引脚是复位信号的输入端，此时上电/按键瞬间RES ET引脚获得高电平，随着电容的充电， RERST引脚的高电平只要能保持在2个机器周期以上，单片机就可以完成复位操作。3.4 时钟振荡电路图3.6 时钟振荡电路时钟振荡电路 在MCS51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就过够成了一个稳定的自激振荡器。 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部振荡方式;二是外部时钟方式。在此设计过程中我采用了内部振荡方式，如图3.6所示：初使用晶体振荡器外

12、，如对时钟频率要求高，还可以用电感或陶瓷振荡器代替。电路中的电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1和C2的取值一般为30pF左右，而晶体振荡频率范围通常是1.2-12MHz，振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，同时也对印制电路板的工艺要求也高了。3.5 量程切换电路由于本课题采用的是手动切换测量电压的量程，因而需要用到键盘来手动控制量程的切换。键盘、显示是单片机应用系统不可缺少的输入和输出设备，是实现人机对话的纽带。键盘/显示器接口的设计，它应满足（1)功能技术要求；（2)可靠性高。但系统不同要求就不同，接口设计也就不同。

13、对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。在应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。由于本次设计选用的是独立式键盘，故此主要介绍独立式键盘。独立式按键：直接用I/O线构成的单个按键电路，每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态，独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键较小时，采用此电路如图3.7示。 图3.6 独立式键盘 图3.7 独立式键盘 3.6 显示电路本课题选用数码管作为其输出显示设备，以下主要介绍数码管的主要原理。常用的七段显示器件：半导体数码

14、管将十进制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。半导体数码管（或称LED数码管）的基本单元是PN结，目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。单个PN结可以封装成发光二极管，多个PN结可以按分段式封装成半导体数码管，其管脚排列如下图3.8所示，其显示如图3.9所示。图3.8半导体显示器(左)管脚排列图; (中)共阴极接线图; (右)共阳级接线图 图3.9 数码管显示器发光段组合图第四章 系统仿真4.1 系统仿真图注：图为当输入为当按键三按下时，且输入为200V时的状态 图A 图B如上图所示，A图为按键1按下时，当输入为0.5V示的状态。图B为按键2按下时，输入为4

15、9.5V示的状态。附 录元件清单类 型数量说明电 阻4个1K3个4.7K1个100K8个4701个10K电 容1个22uf2个33pf单片机1块AT89S52A D1块AD0809二极管5个发光二极管数码管1个四 位三极管7个PNP按 键4个开 关1个下载口1个ISP下载口程序清单#include<reg52.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit OE=P26;sbit ST=P27;sbit k1=P30;sbit k2=P31;sbit k3=P32;sbit a=P33;sbit b=P34;s

16、bit c=P35;sbit CLK=P36;sbit EOC=P37;uchar tt;uchar aa;uchar mm;float dy;float getdata;uchar disbuf=0,0,0,0;uchar code weima=0x08,0x04,0x02,0x01;uchar code duanma=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc1,0x7f;uchar code duanma1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;uchar key

17、scan();void delay(uint m) while(-m); void display1(void) uchar i; int j; disbuf0=dy/10.0; j=dy; disbuf1=j%10; dy=dy*10; j=dy; disbuf2=j%10; P2=weima0; P1=duanmadisbuf0; delay(100); P2=weima1; P1=duanmadisbuf1; delay(100); P2=weima2; P1=duanma1disbuf2; delay(100);void display2(void) uchar i; uint j;

18、dy=dy*10.1; j=dy; disbuf0=j/100; disbuf1=j%100/10; disbuf2=j%10; disbuf3=10; for(i=0;i<4;i+) P2=weimai; P1=duanmadisbuf3-i; delay(100); void display3(void) uchar i; uint j; j=dy*10; disbuf0=j/100; disbuf1=(j%100)/10); disbuf2=j%10; for(i=0;i<3;i+) P2=weimai; P1=duanmadisbuf0; delay(10); P2=weima1; P1=duanma1disbuf1; delay(10); P2=w