数字表头设计

1、四川师范大学本科毕业设计基于RS485总线的数字表头设计 学生姓名 xxx院系名称物理与电子工程学院专业名称通信工程班 级201x级x班学 号201xxxxxx指导教师xx完成时间2015年5月20日 基于RS485总线的数字表头设计 通信工程专业 学生姓名：xxx 指导老师：xxx摘要 随着计算机网络的飞速发展，远程计算机监控系统、工业集中控制系统已不在是人们心中的梦想。在工业中，电压的适时监测与集中控制是不可缺失的一部分。本文介绍了一种基于AT89S51单片机为控制核心的数字表头的设计方法。数字表头的精度为4位半，测量量程为2v、20v。本设计由TQ2-12继电器、ICL7135A/D 转

2、换器、 AT89S51单片机以及 LED 数码管显示器各模块组成。该数字表头与芯片SN75176BDR构成RS-485总线接口电路，通过RS-485总线可以与 PC 机进行串行通信。总机通过总线连接可以对各个PC机进行监测和远程控制。 关键词：电压测量；A/D 转换器；单片机；RS-485;PC机Design of digital meter based on RS485 bus ABSTRACT:.With the rapid development of computer networks, remote computer monitoring system, centralized co

3、ntrol system industry is no longer a dream of people's minds.This paper describes a AT89S51 microcontroller-based control center for high-precision (four and a half) measurement of voltage and current, Given by the relay TQ2-12, A / D converter 1 microcontrollerICL7135, AT89S5 and digital LED di

4、splay to accurately measure the measured voltage (current) and displayed. The design also has a manual range selection switch function. ICL7135 ADC with high accuracy, low cost, and strong anti-interference ability characteristics, and simple interface with the microcontroller. Precision digital met

5、er for four and a half, the measurement range is 2v, 20v.AT89S51 microcontroller is a low-power, high-performance COMS 8-bit microcontroller, plus power and crystal oscillator can be completed and operational and processing digital signals, the equivalent of a microcomputer, and the chip SN75176BDR

6、RS-485 interface circuit constituted by RS-485 bus with a PC serial communications.Key words ：voltage measurement; AD converter; MCU; RS-485; PC machineI目 录摘要IABSTRACT:I目录1绪论12背景和意义12.1背景12.1.1模拟式电压表12.1.2数字式电压表23概述23.1 课题的设计任务24设计方案的分析与确定34.1设计方案一34.2设计方案二34.3设计方案三45设计部分55.1硬件电路设计55.1.1 输入电路设计65.1.

7、2 分频电路65.1.3 显示电路设计85.1.4参考电压电路95.2软件程序设计95.3 RS485总线的通信功能105.3.1RS-485总线105.3.2RS-485串行通信标准115.3.3总线驱动器芯片SN75176116调试与分析126.1软件调试136.2硬件调试157设计总结与展望167.1总结167.2展望16致谢17参考文献171绪论 人们都说“柴米油盐”是生活是本，而柴是基础，有了柴人们才可以做出美味的食物，才会有“吃喝玩乐”。柴，提供给我们照明和温暖，随着社会科技的进步，电逐渐成为了我们心中的“柴”。如今“电”与我们日常生活息息相关。在自然界各种各样的能源中，电能是最特

8、别的，它具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点,在当今社会，电力、石油、媒矿、化工、铁路、通讯、楼宇自控等行业，都要求精准的实时的了解与控制电流与电压数据，比如说汽车用的电池。在家庭中大多的电器都有自己的工作电压，发电站产生的交流电压经过基站传输到每个用户家庭。电视、空调、电饭锅、冰箱等家用电器，都需要经过整流器，把交流电压转变为直流电压。因为直流电压才可以让这些电器正常工作，我们的生活变得更加方便与快捷。测试电压，就变成了各种电路出问题时首先要要做的事情。数字表头是一种多用途电子仪器但主要功能就是对电压、和电流进行测量，传统的指针式电压表功能单一、精度低，利用单片机体积

9、小、使用性广的的特点设计出的数字电压表头、精度高、且抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信，成为现代化的多用途电子测量仪器。2背景和意义2.1背景 电压测量是很多电参量和非电参量的基础。如电路中的电压、电流、功率是电信号的基本参量，其中的电流和功率都是通过转换长电压进行间接测量，在很多电路参数中，元器件的工作状态、电路特征形式等都是电压量表现出来的，因此电压测量是参量测量中最基本、最常见的测量形式。很多非电量，如物理量中的温度、压力、振动等都是通过传感器转换成电压的形式间接测量出来的，因此电压测量也是非电量测量的基础。常用的电压测量仪器有模拟式电压表和数字式电压表。2.1.

10、1模拟式电压表 模拟式电压表指针式的，用电磁式电流表作为指示器，并在电流表盘上用电压的形式刻度的、用于测量电压的工具。用模拟式电压表测直流电压时，可以直接或经放大或经衰减后变成一定量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示。测量交流电压时，必需经过交流-直流变换器即检波器，将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后，再进行直流电压的测量。2.1.2数字式电压表 数字电压表（DVM）是通过A/D转换将被测的电压模拟量转换成量化了的数字量，并将其结果直接显示出来的电压测量设备。数字电压表简化，将测量直流电压的直流数字表头的供电部分同电压检测端口做成接口形式，连接不一样的的外接电路就可以实现多种电压情

11、况下的测量，通常将这种简化了的直流数字电压表称为数字电压表头。很多数字交流电压表、数字电压电流表、数字阻抗表及数字多用表都是在数字表态的基础上发展起来的。 数字电压表由A/D转换器、数字显示、逻辑控制电路及电源供电电路4部分组成。A/D转换器实现模拟被测电压到数字量化的转换，数字转换的结果又数码管显示出来，单片机核心控制电路完成A/D转换器与显示电路之间的逻辑时序关系，电源供电电路实现数字电压表的个部分供电。随着集成电路的迅速发展，A/D转换器的性能有了大幅度的提高，这也很大程度上带动了数字电压表的发展。 2.2意义 当今社会计算机的应用领域范围越来越广，人们对电子设备的智能化程度的呼声也越来

12、越高，有很多都与我们关系较为密切和熟悉，比如说：我们要设计一个多功能会议室的集中控制系统，要控制的设备有：投影仪、影碟机，房间的灯光、音响、电动屏幕等。这样多的被控制设备都要在会议前或会议中随会议议程的需要被一个一个地开或关，这些操作将会影响会议的连续性。此时，若能用一台集中控制系统来管理上述设备，不用来回走动，在一个地方，就可以完成全部动作。这样的多功能会议室当然更加得到人们的青睐。在现代工业中，机器的正常运作离不开合适的工作电压。有时输入电压会有小浮度的变化，依靠传统的人力去检查和维护，工作量大、效率低、成本高。现在利用单片机设计成的新型数字表头可以实时的检测工业中各个机器的工作电压，并与

13、pc机串行通信，实现工业系统自动化，使得工业的发展更为智能化。3概述 随着电子技术的发展，芯片集成度的提高，使得单片机的功能越来越强大。现在市面上流行的单片机还增加了很多部件，使单片机的应用领域越来越宽，现在单片机大都具有串行通信功能，因此实现了电脑对单片机的远程控制，在现代工业中远程监控设备工作的电压和电流大大的提高了工作效率，降低成本，满足了人们对现代电子科技技术的要求。3.1 课题的设计任务 设计一个具备485总线通信功能的高精度数字表头，精度：4位半，具备各量程的电压、电流测量能力4设计方案的分析与确定 本设计选取iCl7135作为模数转换电路。然而其与单片机的接口却是多种多样，在设计

14、过程中选取最合适的一种连接方式：4.1设计方案一 将ICL7135的自动转换/停顿输入端（R/)与单片机的P1.0相连接，将数据输出端B8B1与单片机的P3.2.P3.3.P1.7.P1.6相连。以及位驱动输出端D1 D5和极性输出端POL分别与单片机的 P1.1 P1.5,和P3.5相连 ，时钟与单片机的ALE相连接。数据采集的方法为先检测位驱动信号D5到 D1的电平高低，当D5为高电平时,读出B8、B4、B2、B1即为万位的BCD码,类似的,依次在D4 D1为高电平时,读出B8、B4、B2、B1即千位到个位的BCD码,通过判断加在P3.5口上的POL电平的高低可知数据的正负。图1ICL71

15、35与单片机的连接方式（一）4.2设计方案二 当单片机与ICL7135的自动转换/停顿输入端（R/)OLD相连的P1.0口输出一个正脉冲,则开始启动A/D转换,转换完后, 其不断输出数据。同时把ICL7135的数据输出选通信号STROBE与单片机的中断口INT1相连, 采用下降沿中断。在A/D转换期间STROBE为高电平,在A/D转换结束后, STROBE输出为五个负脉冲。可以利用STROBE的下降沿请求中断,由于每个STROBE负脉冲出现的时刻正是位驱动信号D5D1的中间,同时B8、B4、B2、B1是相应位的BCD码,这样,D5D1就不必与单片机相连。在软件编程时,连续响应五次INT1中断即

16、为一次转换结果,五次中断均通过与B8、B4、B2、B1相连的P1.4 P1.1口读出BCD码,依次为转换结果的万、千、百、十和个位。图2ICL7135与单片机的连接方式（二） 4.3设计方案三 在ICL7135的双积分阶段ICL7135的忙信号输出端BUSY端高电平。于此同时,正向积分的时间是不变的为10 000个时钟周期即(10 000T)。我们用单片机的定时器T1查询BUSY高电平的时间(计数值) ,减去正向积分的计数值,就可以算出反积分阶段的时间。反积分阶段的计数值(假定设为M )为10 000×Vin/VRef ,得出Vin= VRef×M/10 000。因为参考电

17、压VRef是固定不变,所以算出M后,很容易算出模拟输入信号Vin的值。用单片机的计时器来检测忙信号输出端高电平脉冲宽度。忙信号输出端连接到单片机的中断口INT1上。分析单片机定时器T1的工作原理后发现,当GATE和TR1都是高电平的时候,忙信号BUSY端的上升沿可使定时器T1开始计数,而它的下降沿则使T1停止计数。忙信号输出端从高电平到低电平的跳变使得定时器停止计数且请求中断。通过INT1中断后的程序读出定时器T1的计数结果,然后减去正向积分的时间，按照上面所说的公式就可以得到输入电压的大小。图3ICL7135与单片机的连接方式（三） 以上所诉的三种连接方式，单片机被占用的I/O口为11、7、

18、2根,这些接口电路尤其是接口电路(三)设计新颖巧妙,连接简单。故选择第三种设计方案。5设计部分5.1硬件电路设计 图4系统原理框图 通过对系统功能的分析我们将该系统分为以上几个电路模块。以AT89S51单片机作为控制中心,模数转换电路带待测电压进行采样，转换为数字信号然后送到单片机中进行数据处理。将最终的处理数据送入数码管中显示，采用RS-485总线实现数字表头与PC机的串行通信。 5.1.1 输入电路设计 输入电路采用双位继电器TQ2-12v，TQ2-12v继电器的工作原理：继电器内部有一个单刀双掷开关和一个线圈。在线圈没有电流通过时触点3与触点2、触点8与触点9分别相连。此时测量量程为20

19、v。将单片机的引脚P1.6与三极管的基级相连接。当P1.6为高电平时，三极管导通，继电器内部线圈有电流通过产生磁场使得开关与另一边连接（触点3与触点2、触点8与触点7分别相连接），此时测量量程为2v。如果将JP1短接则测量量程为200mv。 图5输入电路模块5.1.2 分频电路 由于A/D转换器芯片内部没有时钟发生器，所以只能由外部提供时钟信号。如皋单独为其设计一个时钟信号，在硬件电路上是一种资源浪费。单片机ALE输出引脚的工作频率为系统工作频率的1/6，这个信号的频率比较稳定可以驱动单片机周边芯片的时基输入，分频电路采用触发器进行1/4分频后送人ICL7135的时钟输入端。图6分频电路模块

20、D触发器的次态是现态和输入信号的函数，输入信号是变量。D触发器是最简单的触发器，次态与输入信号一致。D触发器的特性表如图所下，表中对触发器的现态和输入信号D的每种组合都列出了相应的次态。表一 D触发器的特性表DD000100011111 D触发器的特性方程为=D 当D=,可得到触发器的特性 =图8 D触发器的逻辑符号 也就是说，时钟脉冲每作用一次，触发器翻转一次。Q端的方波频率为时钟脉冲频率的1/2，则一个触发器可作为二分频电路，两个触发器级联可获得四分频。这种特定的触发器常在集成电路内部逻辑图中出现。 即iCl7135的时钟频率为单片机时钟频率的1/12. 5.1.3 显示电路设计 七段显示

21、器是微型计算机应用系统中常用的输出装置。七段显示器内部由7条发光二极管和一只圆点发光二极管组成。根据各发光二极管的亮暗可以组合成十六进制数、小数点和少数字符。常用的七段显示器的管脚排列如图所示。其中com为公共点，根据内部发光二极管的接线形式分为共阴极（阴极接com）和共阳极（阳极接com）。 图9 8段LED数码管单片机系统使用静态数码管显示时，需要在每一个数码上添加一个锁存器，当需要某个数码管显示其它内容时，只需要修改与其相连的锁存器即可。本设计中采用的是单片机的p2端口与74HC07（六相输入缓存器）相连接。74HC07根据P2的值进行选择在那一个数码管上显示数据。单片机的P0口与数码管

22、连接，当转换后的十进制数据传给P0口后就可以在数码管上显示出来。数码管的发光段需要分别串联限流电阻。图10数码管显示电路5.1.4参考电压电路 在模拟量转换成数字量的电路中，参考电压十分关键。通常情况下参考电压决定了允许的模拟量输入的电压范围，参考电压可以设计成单电压方式（参考电压的负端接模拟地），也可以设计成差分电压形式（参考电压的负端不接模拟地，而连接在其他电压值上）。在使用参考电压时，尽可能地保证稳定，一旦参考电压不稳定，特别时在A/D转换器进行A/D转换时出现电压的波动，将会影响A/D转换的结果。 一般情况下可以将参考电压连接在系统的+5v电源和地线上如图所示;图11参考电压电路5.2

23、软件程序设计 通过程序设计可以实现模拟输入电压最终显示在数字表头上，将单片机的P1.6、P1.1和P1、2分别与继电器、发光二极管相连，当档位指示灯亮时输入相应档位内的电压进行测量。在A/D转换结束后单片机通过外部中断INT0边沿触发方式中断，并读出T1计数值。通过计数值算出输入电压值，在经过过16进制-10进制的转换后送入数码管显示。 图12程序流程图5.3 RS485总线的通信功能 为提高负载能力，加大通信距离，在RS-232串行通信接口标准的基础上扩展了一种RS-485的通信接口。它是一种半双工的串行通信。另一个标准是RS-422接口为全双工串行通信接口标准。两者均采用差模传输，因此其通

24、信距离理论上可达到1200m。被广泛应用于现代农业、消防监控、智能小区、门禁系统等。RS-485总线抗噪声干扰性好、传输距离远，具有较高的传输速率，在多点通信系统尤其是在工业控制系统得到了广泛的应用。5.3.1RS-485总线 单片机与PC之间的串行通信，当传输距离在1.5m到15m之间时，可以采用RS-232通信协议进行数据传输；当传输距离大于15m而小于1.5km时，可以采用RS-485通信协议进行数据传输。RS-485与RS-232相比有很多优点： 1）成本低，驱动器和接收器价格便宜，并且只需要单一的一个+5V（或者更低）的电源来产生差动输出需要的最小1.5V的压差。与之相对应，RS-2

25、32的最小+5V与-5V输出需要双电源或者一个价格昂贵的接口芯片，这个接口芯片可以生成这些电源。 2）网络能力，RS-485是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接受器，而不是限制为两台设备。利用高阻抗接受器，一个RS-485连接可以最多有256个接点。 3）长距离连接，一个RS-485连接最长可以达到4000ft,而RS-232的典型距离限制为50到100ft。4） 快速，比特率可以高达10Mbps。电缆长度和比特率是有关的，较低的比特率允许较长的电缆。 5.3.2RS-485串行通信标准 RS-422、RS-485与RS-232不同，数据信号采用差分方式传输，即平衡方式传输，使用双

26、绞线，将其中一条线定义为A，另一条线定义为B。对于RS-484总线而言，通常有A、B、C三个信号，如果发送驱动器A、B之间的正电平在+2v+6v之间，是一个逻辑状态，负电平在-2v6v之间，这是另一个逻辑状态。C为信号地,在RS-485中为必选项。在RS-485中还有一“使能”端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端无效时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”。即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。 接收端也做与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A与A、B与B对应的相连，当在接受端AB之间的电平大于+200mv时，输出逻辑1，小于-200mv输出逻辑“0”。接收器接

27、收平衡线上的电平绝对值范围通常在200mv至6v之间。 5.3.3总线驱动器芯片SN75176常用的RS485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS485总线驱动芯片。SN75176功能表如图所 表二 SN75176功能表 驱动器输入使能输出DDeA BHHH LLHL HXLZ Z 接收器差分输入使能输出Vi=A-BRVi0,2vLH-0.2v<Vi<0.2vL?Vi-0.2vLLXHZH为高电平 L为低电平 ?未知 Z为高阻 在实际应用中，经常需要多个单片机之间协调工作，即多机通信，由单片机构成

28、的多机通信系统，常常采用总线型主从式结构。所谓主从式，是指在有多个单片机组成的系统中，只有一个单片机是主机，其余的全是从机。由于硬件结构的限制，主机发送的信息可以被所以的从机接收，任何一个从机发送的信息，只能由主机接收，从机与从机之间不能进行相互的直接通信，如果一定要进行两个从机之间的同学，则必须经过主机的管理。单片机之间的多机通信，主要是建立在单机通信的基础之上，根据通信距离的不同可以选择不同的通信协议。 图13多机通信系统 当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A+和+5电源间接一个10K的电阻；正端A+和负端B-间接一个10K的电阻；负端B

29、-和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。4通信规则 如果将引脚和DE引脚连接在一个I/O引脚，则是一种半双工通讯方式，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设

30、备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则： 1)复位时，主从机都应该处于接收状态； 2)控制端，DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度； 3）总线上锁所连接的各单片机的发送控制信号在时序上要完全隔开；6调试与分析6.1软件调试 1)建立一个新项目：单击Projiect New unVision4 Projiect 图14新建项目 选择要保存的路径，及项目文件的名字，保存。最后选择目标芯片，项目建立完成 2）添加源文件：选中Source Group1右键选择add file to Source Group1 图15添加源文件 3)编译项目：点击查看编译是否成功；图16编译项目

31、4）在编译成功后，生成HEX文件：单击projiect options for target target1 Output 选中create hex file,点击ok图17产生HEX文件 5)下载源程序：运行宏晶STC-ISP软件，显示以下画面。选择单片机型号及要下载程序的hexwen件，点击下载/编程（在按下开发板开关）下载完成。 图18下载程序6.2硬件调试 1）将已经编写好的程序正确编译后下载到串行下载的单片机中，插入电路板插槽；2） 输入供电电压+12v、-5v、+5v，接地端口接地，观察显示电路在没有输入的时候显示为0； 图19硬件测试图(一） 3）档位选择，输入相应的电压进行测试

32、，在测试中发现显示器闪烁不定，将插槽换掉重新插上芯片观察测电压显示偏大，且小数点显示位置不正确； 4）分析：电压显示偏大为基准电压偏小未达到1v，小数点显示不正确可能是程序错误还需要修改； 5）最终设计出的数字表头可以测量2v内的电压，但是存在一定的误差； 图20硬件测试图（二）7设计总结与展望7.1总结 毕业设计是对四年来我们所学专业知识的一个实践，也是对我们的一个考验，通过毕业设计可以提高我们的动手能力，我们可以从中学到不少有用的东西。 本设计的课题是四位半数字电压表，在设计时首先是要画出原理图，在确定了原理图之后再做出实物，在到试验室进行调试。在调试过程中也遇到了不少的问题，不过经过我的

33、努力和老师同学的帮助，还是顺利完成了。 在理论知识方面，我把四年来所学的专业知识进行了进一步的强化和巩固。另外通过大量的查阅资料，既增强了自己的能力，又拓宽了知识面。 在实践方面，利用学校给我们创造的有利条件和环境，自己动手，完成实验。7.2展望 基于RS485的数字表头的设计与实现涉及多方面的理论、方法和技术，本次设计还存在许多的不足需要继续改进，主要表现在以下几个方面。 1.本次设计只考虑了最大20v电压测量，但是在日常生活中对电压的测量范围较大，故可以在此基础上加大测量范围；2.该数字表头只能进行小范围模拟电压的测量，与常见的能够测电压、电流、电阻的数字表头相比适用性较窄； 3.电路板在

34、最终的调试上还有一些没有解决的问题； 致谢 刚上大一的时候总是觉得大学四年好长，现在却就要结束了，心中万分的不舍。回顾大学生活心中更多的是遗憾，。大学本来是充实自己的最佳时间，而我却却是没有好好珍惜这美好的时光，专业知识虽然也好好的学了，但感觉什么都不清楚。其它的事物也没有过多的接触，平平淡淡的过了四年。毕业设计是大学里的最后一课，每个同学都希望能够做好它，给自己的大学生活画上一个完美的句号，虽然在实验室中遇到了很多事先没有料到的问题让我很沮丧，但是有了老师的指导和同学的帮助最后还是顺利完成了设计。现在真的到了要离开的时候才觉得原来我的学校是那么的漂亮，才明白能够在图书馆静静的看书是多么惬意的一件事，才知道食堂的饭菜是那么可口与便宜。大学我没有做过什么轰烈烈的事情，每天我就是重复而又简单的生活，如果时间可以再次重来，我一定会过不一样的生活，可是那是不可能的。现在，唯一能够决定的是大学毕业后的生活，人生没有那么多的二十几岁，只有把握好青春才能有更好的未来，所以放下以前的一切开始新