智能仪器实习报告

前言伴随微电子技术不停发展，微处理器芯片集成程度越来越高，单片机已能够在一块芯片上同时集成CPU、存放器、定时器／计数电路，这就很轻易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采取数字化测量技术，把连续模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散数字形式并加以显示仪表。与此同时，由DVM扩展而成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升到崭新水平。本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们组成基于单片机数字电压表工作原现在，由各种单片A/D转换器组成数字电压表，已被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，示出强大生命力理。本设计AT89C51单片机一个电压测量电路,该电路采取ADC0808本文介绍一个基于A/D转换电路，测量范围直流0～5V4路输入电压值，并在四位LED数码管上显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019V，测量误差约为正负0.02V。但因为本人水平有限，在实习汇报中难免会有疏漏和不足之处，恳请老师们批评指正。1仿真软件介绍1.1MATLAB软件1.1.1MATLAB软件概述 应用MATLABSimulink仿真试验方法能够建立仿真试验环境。直接应用MATLAB工具箱中测量仪器或构建满足工作需要测量仪器，既能提升仿真试验工作效率，又使仿真试验丰富多彩。本章介绍应用Simulink构建和使用测量仪器方法。1.1.2电压测量-正弦波示波器用计算机仿真示波器应用是数字技术，能够观察单次现象，正确设置参数后，能够保持结束时波形，如图1-1所表示，为正玄波仿真图。图1-1正弦波仿真框图正弦波示波显示如图1-2所表示图1-2正弦波示波显示1.1.3数字式电压表数字式电压表取自LED（自发光）二极管模块如图1-3所表示 图1-3数字式电压表仿真框图1.1.4指针式电压表指针式仪表将输入量值用图形化指针与对应刻度表示出来，并经过参数设置对话框来设置仪表外观、量程、刻度、颜色及字型等。如图1-4所表示图1-4指针式电压表1.1.5多踪示波器（Scope）仿真示波器显示七踪信号仿真，如图1-5所表示，为多踪示波器仿真框图。图1-5多踪示波器仿真框图图1-6为多踪示波器仿真显示图图1-6多踪示波器仿真显示图1.2Keil软件1.2.1Keil软件概述KeilC51是美国KeilSoftware企业出品51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功效上、结构性、可读性、可维护性上有显著优势，因而易学易用。Keil提供了包含C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案，经过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN、WINXP等操作系统。假如你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用集成环境、强大软件仿真调试工具也会令你事半功倍。1.2.2KeilC51软件系统KeilC51软件提供丰富库函数和功效强大集成开发调试工具，全Windows界面。另外主要一点，只要看一下编译后生成汇编代码，就能体会到KeilC51生成目标代码效率非常之高，多数语句生成汇编代码很紧凑，轻易了解。在开发大型软件时更能表现高级语言优势。1.2.3KeilC51单片机软件开发整体结构C51工具包整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos集成开发环境(IDE)，能够完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也能够与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也能够直接写入程序存贮器如EPROM中。1.2.4KeilC51软件优点（1）KeilC51生成目标代码效率非常之高，多数语句生成汇编代码很紧凑，轻易了解。在开发大型软件时更能表现高级语言优势。（2）与汇编相比，C语言在功效上、结构性、可读性、可维护性上有显著优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会愈加深刻。KeilC51软件提供丰富库函数和功效强大集成开发调试工具，全Windows界面。1.2.5使用独立Keil仿真器注意事项（1）仿真器标配11.0592MHz晶振，但用户能够在仿真器上晶振插孔中换插其余频率晶振。（2）仿真器上复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。（3）仿真芯片31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中31脚并不与仿真芯片31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU/EA引脚接至低电平）目标系统中使用。1.3PROTUES软件1.3.1Proteus软件概述Proteus软件是英国Labcenterelectronics企业出版EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限企业）。它不但具备其它EDA工具软件仿真功效，还能仿真单片机及外围器件。它是现在最好仿真单片机及外围器件工具。即使现在国内推广刚起步，但已受到单片机兴趣者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用科技工作者青睐。Proteus是世界上著名EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品完整设计。是现在世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，即将增加Cortex和DSP系列处理器，并连续增加其余系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多个编译器。1.3.2功效特点Proteus软件具备其它EDA工具软件（例：multisim）功效。（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真革命性特点1．互动电路仿真用户甚至能够实时采取诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2．仿真处理器及其外围电路能够仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等惯用主流单片机。还能够直接在基于原理图虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出效果。配合系统配置虚拟逻辑分析仪、示波器等，它建立了完备电子设计开发环境。1.3.3Proteus工作过程运行proteusISIS程序后，进入该仿真软件主界面，如图1-1所表示。在工作前，要设置view菜单下捕捉对齐和system下颜色、图形界面大小等项目。经过工具栏中p(从库中选择元件命令)命令，在pickdevices窗口中选择电路所需元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单Definecodegenerationtools菜单命令下，选择程序编译工具、路径、扩展名等项目；在source菜单Add/removesourcefiles命令下，加入单片机硬件电路对应程序；经过debug菜单对应命令仿真程序和电路运行情况。图1-7仿真软件主界面1.3.4Protues电路仿真在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好目标代码文件：*.HEX，能够在PROTEUS原理图中看到模拟实物运行状态和过程。PROTEUS不但可将许多单片机实例功效形象化，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试验效果，后者则是实物演示试验难以达成效果。它元器件、连接线路等却和传统单片机试验硬件高度对应。这在相当程度上代替了传统单片机试验教学功效，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。而且因为PROTEUS提供了试验室无法相比大量元器件库，提供了修改电路设计灵活性、提供了试验室在数量、质量上难以相比虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神平台。伴随科技发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门主要前期设计伎俩。它具备设计灵活，结果、过程统一特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为降低，也可降低工程制造风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛应用。2设计原理及要求本设计是利用单片机AT89C51与ADC0808设计一个数字电压表，测量0－5V之间直流电压值，四位数码显示，但要求使用元器件数目最少。2.1数字电压表实现原理ADC0808是8位A/D转换器。当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（0FFH），所以最大分辨率为0.0196（5/255）。ADC0808具备8路模拟量输入端口，经过3位地址输入端能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮番改变3位地址输入端地址，就能依次对8路输入电压进行测量。LED数码管显示采取软件译码动态显示。经过按键选择可对8路循环显示，也可单路显示，单路显示可经过按键选择显示通道数。2.2数字电压表设计要求能够测量0～5V范围内3路直流电压值。在4位LED数码管上轮番显示各路电压值或单路选择显示，其中3位LED数码管显示电压值，显示范围为0.00V～5.00V，1位LED数码管显示路数,3路分别为0-2。3软件仿真电路设计3.1设计思绪多路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和按键处理电路组成，因为ADC0808在进行A/D转换时需要有CLK信号，本试验中ADC0808CLK直接由外部电源提供为500kHz方波。因为ADC0808参考电压VREF＝VCC，所以转换之后数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示电压值(D/256*VREF)ADC0808采取逐次迫近法转换，把模拟电压转换成16进制D，因为是对直流电压0～5V进行采集，所以D对应电压为V0

，我们目标就是要把V0显示在LED显示器上，因为单片机不好进行小数点计算，所以有：V0=2*D扩大了100倍，扩大100倍后结果高八位放存放器B，低八位放存放器A，分存放器B为0或不为0情况进行存取数据，得到结果个位放入R0，十位放入R1，经过查表使之显示在LED显示器。3.2仿真电路图用Protues软件仿真设计电路如图3-1所表示，其为仿真设计原理图。图3-1仿真设计原理图3.3设计过程简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。电路原理图见附录2。A/D转换由集成电路0808完成。0808具备8路模拟输入端口，地址(23-25)脚可决定对哪路模拟输入作A/D转换，22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。10脚为0808时钟输入端，由外部信号源提供。单片机P1、P3.0-P3.3端口作为四位LED数码管现实控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0808A/D转换控制。3.4AT89C51功效介绍3.4.1简单概述AT89C51是一个带4K字节闪存可编程可擦除只读存放器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够重复擦除1000次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMEL图3-2AT89C51芯片模型AT89C51是一个高效微控制器，AT89C2051是它一个精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。外形及引脚排列如图3-2所表示。3.4.2主要功效特征(1)4K字节可编程闪烁存放器。(2)32个双向I/O口；128×8位内部RAM。(3)2个16位可编程定时/计数器中止，时钟频率0-24MHz。(4)可编程串行通道。(5)5个中止源。(6)2个读写中止口线。(7)低功耗闲置和掉电模式。(8)片内振荡器和时钟电路。3.4.3AT89C51引脚介绍89C51单片机多采取40只引脚双列直插封装(DIP)方式，下面分别简单介绍。(1)电源引脚电源引脚接入单片机工作电源。Vcc(40引脚）：+5V电源。GND(20引脚)：接地。(2)时钟引脚XTAL1(19引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。XTAL2(20引脚)：片内振荡器反相放大器输出端。图3-3电源接入方式(3)复位RST(9引脚)在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。(4)/Vpp(31引脚)为外部程序存放器访问允许控制端。当它为高电平时，单片机读片内程序存放器，在PC值超出0FFFH后将自动转向外部程序存放器。当它为低电平时，只限定在外部程序存放器，地址为0000H~FFFFH。Vpp为该引脚第二功效，为编程电压输入端。(5)ALE/(30引脚)ALE为低八位地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE负跳沿江P0口发出第八位地址锁存在外接地址锁存器，然后再作为数据端口。为该引脚第二功效，在对片外存放器编程时，此引脚为编程脉冲输入端。(6)(29引脚)片外程序存放器读选通信号。在单片机读片外程序存放器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读片外程序存放器选通信号。(7)pin39-pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口。P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流方式驱动八个LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。在访问外部程序和外部数据存放器时，P0口是分时转换地址(低8位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。(8)Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻8位双向I/0口。P1口能驱动4个LSTTL负载。(9)Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口。P2口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存放器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存放器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址外部数据存放器时其引脚上内容在此期间不会改变。

(10)Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口。P3口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门第二功效。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存放器编程时，接控制信息。3.5ADC0808引脚及功效介绍3.5.1芯片概述ADC0808是一个经典A/D转换器。它是由8位A/D转换器，一个8路模拟量开关，8位模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成；+5V单电源供电，转化时间在100us左右；内部没有时钟电路，故需外部提供时钟信号。芯片模型如图3-4所表示。图3-4ADC0808芯片模型3.5.2引脚介绍(1)IN0~IN7：8路模拟量输入端。(2)D0~D7：8位数字量输出端口。(3)START：A/D转换开启信号输入端。(4)ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。(5)EOC：输出允许控制信号，高电平有效。(6)OE：输出允许控制信号，高电平有效。(7)CLK：时钟信号输入端。(8)A、B、C：转换通道地址,控制8路模拟通道切换。A、B、C分别与地址线或数据线相连，三位编码对应8个通道地址端口，A、B、C=000~111分别对应IN0~IN7通道地址端口。3.5.3ADC0808转换原理ADC0808采取逐次比较方法完成A/D转换，由单一+5V电源供电。片内带有锁存功效8路选1模拟开关，由A、B、C编码来决定所选通道。ADC0809完成一次转换需100μs左右，它具备输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到AT89C51数据总线上。经过适当外接电路，ADC0808可对0~5V模拟信号进行转换。3.6LED数码管控制显示3.6.1LED数码管模型LED数码管模型如图3-6所表示。图3-5LED数码管模型4系统软件程序设计多路数字电压表系统软件程序主要有主程序、A/D转换子程序和中止显示程序组成。4.1主程序主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和对应外部0中止显示电压数值程序，初始化部分包含存放通道缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00H位经过单路、循环按键控制。流程图如图4-1所表示。开始开始显示子程序A/D转换子程序初始化图4-1主程序流程图4.2A/D转换子程序A/D转换子程序用于对ADC08084路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换数值存入4个对应存放单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图4-2所表示。4.2A/D转换子程序A/D转换子程序用于对ADC08084路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换数值存入4个对应存放单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电压采样一次，如图4-2所表示。进行十六进制调整进行十六进制调整开始A/D转换调用延时存转换后十六进制数数据指针加一入栈保护4路转换次数减一显示电压值NY图4-2转换子程序流程图判断是否为04.3中止显示程序设计中采取中止方式来读取转换完成数据能节约CPU资源当系统设置好后，一旦数据转换完成，便会进入外部中止0，然后在中止中读取转换数值，处理数据并送数码管显示输出。LED数码管采取软件译码动态扫描方式。在中止程序中包含多路循环显示程序和单路显示程序，多路循环显示程序把4个存放单元数值依次取出送到4个数码管上显示，每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制BCD码，放于4个数码管显示缓冲区中。单路或多路循环显示经过标志位00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键判断。数字量送P1口数字量送P1口取段码地址P3.1=1？调用循环显示程序调用单路显示程序显示是第4路重新调用显示程序NYNY图4-3中止显示程序流程图5数字电压表仿真5.1调试与测试本设计应用Proteus6及KEIL51软件,首先依照自己设计电路图用Proteus6软件画出电路模型，关于这个软件使用经过查一些资料和自己探索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写程序进行编译、链接，假如没有错误和警告便可生成程序hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最终进行端口电压对比测试，测试第一路对比见图4-1中标准电压值采取Proteus6软件中模拟电压表测得。图5-1数字电压表与标准电压表比较从图中能够看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得绝对误差均在0.02V以内，这与采取8位A/D转换器所能达成理论误差精度相一致，在通常应用场所能够完全满足要求。5.2性能分析因为单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH）所以单片机最大数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表最大分辨率（精度）只能达成0.0196V。测试时电压数值改变通常以0.02V电压幅度改变，如要取得更高精度要求，应采取12位、13位A/D转换器。简易数字电压表测得值基本上均比标准值偏大0.01-0.02V。这能够经过校正0808基准电压来处理，因为该电压表设计时直接用7805供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外能够用软件编程来校正测量值。ADC0808直流输入阻抗为1M欧姆，能满足通常电压测试需要。另外，经测试ADC0808可直接在2MHz频率下工作，这么可省去分频率14024。5.3数字电压表仿真图图5-2数字电压表仿真图5.4仿真源程序ORG0000HSJMPMAINORG0003HLJMPPINT0MAIN:MOV50H,#19HMOV54H,#78HMOVDPTR,#7FF8HMOV51H,DPHMOV52H,DPLMOVR0,#04HMOV53H,#00HMOVR7,#00HSETBEASETBIT0SETBEX0L4:MOVR1,#00H;R1存放十六进制转换成十进制后低两位MOVR2,#00H;R2存放十六进制转换成十进制后高两位MOVR3,#0FFH;循环显示十进制数MOVR4,#00H;存放A/D转换后十六进制数MOVR5,#00H;存放0.5相加后数MOVX@DPTR,A;开始A/D转换LCALLDELAY;调用延时大于A/D转换时间MOVXA,@DPTR;取A/D转换后十六进制数INCDPTR;A/D转换芯片地址加一PUSHDPL;压入堆栈PUSHDPHDECR0;4路转换次数减一JZSB2;判断是否是0VMOVR4,AL1:MOVA,R1;进行十六进制到十进制调整ADDA,50H;每次加19DAAMOVR1,AJCL2;假如溢出则跳转到L2MOVA,R5;进行0.5V相加ADDA,54HDAAMOVR5,AJCL3;假如溢出则跳转到L3SB1:DJNZR4,L1;判断十六进制数是否转换完成，假如没有则循环MOVA,R5SWAPAANLA,#0FHMOVB,R1ADDA,BDAAMOVR1,ASB2:LCALLDISPLCALLDJWDJNZR3,SB2POPDPHPOPDPLMOVA,53HINCAMOV53H,ACJNER0,#00H,L4LJMPMAINL2:CLRCMOVA,R2ADDA,#01HDAAMOVR2,ALJMPSB1L3:CLRC;0.5V相加溢出后进位MOVA,R1ADDA,#01HDAAMOVR1,ALJMPSB1DISP:MOVA,R1;显示电压子程序SWAPAANLA,#0FHMOVDPTR,#TAB1MOVCA,@A+DPTRCLRP3.0MOVP1,ALCALLDELAYSETBP3.0MOVA,R2ANLA,#0FHMOVDPTR,#TAB1MOVCA,@A+DPTRCLRP3.1MOVP1,ALCALLDELAYSETBP3.1MOVA,R2SWAPAANLA,#0FHMOVDPTR,#TAB2MOVCA,@A+DPTRCLRP3.4MOVP1,ALCALLDELAYSETBP3.4RETDJW:MOVA,53H;显示第几路转换电压子程序MOVDPTR,#TAB1MOVCA,@A+DPTRCLRP3.5MOVP1,ALCALLDELAYSETBP3.5RETINTV:PUSHACC;只显示其中一路中止PUSH53HMOV53H,#00HCX2:MOVR1,#00HMOVR2,#00HMOVR3,#0FFHMOVR4,#00HMOVDPH,51HMOVDPL,52HMOVX@DPTR,ALCALLDELAYMOVXA,@DPTRMOVR4,AJZSB22L11:MOVA,R1ADDA,50HDAAMOVR1,AJCL22MOVA,R5;进行0.5V相加ADDA,54HDAAMOVR5,AJCL33SB11:DJNZR4,L11MOVA,R5SWAPAANLA,#0FHMOVB,R1ADDA,BDAAMOVR1,ASB22:LCALLDISPLCALLDJWJNBP3.3,EXITDJNZR3,SB22JNBP3.2,CX1LJMPCX2L22:CLRCMOVA,R2ADDA,#01HDAAMOVR2,ALJMPSB11L33:CLRCMOVA,R1ADDA,#01HDAAMOVR1,ALJMPSB11