毕业论文-数字电压表设计说明

./目录摘要：1Abstract:1引言:21.概述31.1数字电压表的发展前景.31.2电路原理图42.硬件电路设计42.1输入电路设计4衰减电路设计4衰减电路：52.2转换电路5转化器类型5转换器主要性能：6芯片简绍62.3AT8S952介绍82.3.1AT8S952芯片特点8主要引脚功能描述92.4显示电路11液晶显示器的分类与原理112.4.2LCD-1602介绍113.系统软件设计123.1主程序设计133.2中断程序设计14结束语15参考文献16.摘要：本文介绍一种以89S52单片机为主要控制器件,采用ICL7135高精度、双积分A/D转换器的一种电压测量电路。主要包括硬件电路设计和系统程序设计。硬件电路主要包括数据采集模块,数据处理模块和输出显示模块。在数据采集模块中,主要是在对电压信号采预处理,后采用双积型A/D转换器ICL7135进行转换,将转换得到的信号送入单片机中。在数据处理模块中,主要是通过89S52单片机将A/D转换后得到的信号进行处理。显示模块中,采用LCD液晶模块1602显示。在软件设计方面,主要包括初始化程序,中断程序,档位选择程序和显示程序等几个子程序模块。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路,介绍了双积分电路的原理,89S52的特点,ICL7135的功能和应用,LCD1602的功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。适用于人们的日常生活与工农业生产中用于电压的检测。关键词：单片机,A/D转换器,液晶模块Abstract:The

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introducedonekind

new

methodaboutdigitalvoltmeterthattaketheMicroControllerUnit89C52astheprimarycontrolcomponentandusinghigh-precision,doubleintegralA/DconverterICL7135circuit

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includedthedesignofthehardwareelectriccircuitandthedesignofthesoftwaresystem.Hardwarecircuitincludingdataacquisitionmodule,data-processingmoduleandoutputdisplaymodule.Indataacquisitionmodules,beforesamplethevoltagesignal,pretreatmentwithamplifier,afterthroughdoubleintegratingA/DconverterICL7135conversion,thesignalhasbeenconvertedwastakeintotheMicroControllerUnit89C52.Inthedataprocessingmodule,mainlythroughtheMicroControllerUnit89C52processthesignalwhichafterA/Dconverter.Inthedisplaymodule,usingLCDmodule1602displaythevoltages.Keywords:FinancedirectorgeneralsystemChieffinancialofficialstate-ownedbusinessenterprise引言:数字电压表〔DigitalVoltmeter〕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。数字电压表与模拟电压表相比,具有读数直观、准确,显示X围宽、分辨力高,输入阻抗大,集成度高、功耗小、抗干扰能力强,可扩展能力强等特点,因此在电压测量、电压校准中有着广泛的应用。数字电压表也是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。目前,由各种单片A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛用于电子与电工测量、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与专用数字仪器仪表,也把电量与非电量测量技术提高到崭新水平。本文重点介绍通讯模块,单片机和A/D转换器以与由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。1.概述1.1数字电压表的发展前景.数字电压表作为数字技术的成功应用,发展相当快。数字电压表〔DigitalVoItMe-ter,DVM〕,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A／D转换器为代表的集成电路为支柱,使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制,组成智能仪表；与计算机接口,组成自动测试系统。现代数字电压表按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。数字电压表一般由模拟部分和数字部分组成,模拟部分主要功能是获取电压并将其转换为相应的数字量,数字部分完成逻辑控制、译码和显示等功能。数字电压表的核心是A/D转换器,由A/D转换器工作原理的不同,数字电压表又可分为逐次比较型和双积分型。传统模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点,但测量精度较差,特别是受表头精度的限制,即使采用0.5级的高灵敏度表头,读测时的分辨力也只能达到半格。再者,模拟式电压表的输入阻抗不高,测高内阻源时精度明显下降。本设计为克服以上缺点选用ICL7135芯片实现双积分A/D转换,提高精度,它是一种四位半的双计分A/D转换器,具有精度高〔精度相当于14位二进制数〕、价格低廉、抗干扰能力强等优点。本设计介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。在当今的数字时代,从大到空间雷达,地球卫星定位系统,移动通信,计算机,医用断层扫描设备,小到家用计算机,数码影像设备,数字录音笔,数码微波炉等设备中,数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期,一方面它开拓了电子测量领域的先河,另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外,数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进,日臻完善。电路原理图数据输入模块数据输入模块A/D转换模块数据处理与控制模块输出显示模块图1.2.1系统基本方框图如图〔1.2.1〕所示,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LCD中显示。2.硬件电路设计2.1输入电路设计由于该电压表要实现多量程测量,故而在本设计通过衰减电路与量程切换开关实现此功能,具体电路将在本节详细介绍。2.1.1衰减电路设计图2.1.1量程切换开关输入电路〔如图2.1.1〕的作用是把不同量程的被测的电压规X到A/D转换器所要求的电压值。智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135,它要求输入电压0-±2V。2.1.2衰减电路：图2.1.2衰减输入电路本仪表设计是0-1000V电压,灵敏度高所以可以不加前置放大器,只需衰减器,如图<2.1.2>所示9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率,从而切换档位。为了能让CPU自动识别档位,还要有〔图2.1.1〕的硬件连接2.2转换电路数字电压表显示的是数字信号,输入的却是模拟信号,故需要转电路使模拟信号转换成数字信号。本设计采用A/D转换器实现此过程。本节介绍转化器基本常识和ICL7135芯片相关功能。2.2.1转化器类型A/D转换器〔ADC〕的作用是把模拟量转换成数字量,以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞跃发展,现在有很多类型的A/D转换器芯片,不同的芯片内部结构不一样,转换原理也不仅相同,各种转换芯片根据转换原理可分为：计数型A/D转换器,逐次逼近型A/D转换器,双重积分型A/D转换器,和并行式A/D转换器等,按转换方法可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器；按其分辨率分为4-16位转换器。本设计选择的ICL7135芯片为双重积分型A/D转换器双重积分型A/D转换器将输入电压先变成与其平均值成正比的时间间隔,然后再把此时间间隔转换成数字量,它属于间接型。它的转换过程分采样和比较两个过程。采样就是积分器对输入模拟电压进行固定时间积分,输入量越大,采样值越大。比较就是用基准电压对积分器进行反向积分,直到值为零,由于基准电压固定,所以采样越大,反向积分时间越长,积分时间与输入电压成正比,最后把积分时间转换成数字量,则该数字量就为输入模拟量对应的数字量。由于转换过程进行了两次积分,所以称为双重积分型。,双重积分型A/D转换器的转换精度高,稳定性能好,抗干扰能力强,但转换速度慢。2.2.2转换器主要性能：A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要,它的参数关系到测量电路性能。本设计采用双积A/D转换器,它的性能比较稳定,转换精度高,具有很高的抗干扰能力,电路结构简单,其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高,而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。分变率是指A/D转换器能分辨的最小输入量。通常用转换的数字量的位数来表示,如8位,10位,12位,16位等。位数越高,分辨率越高。转换时间是指A/D完成一次转换需要的时间,指从启动转换器开始到转换结束并得到稳定数字量为止的时间。一般而言,转换时间越短,转换速度越快。量程是指所能转换的输入电压X畴。转换精度分为绝对转换精度和相对转换精度。绝对精度是指实际输入的模拟量与理论上模拟量之差。相对精度是指当满刻度值校准后,任意数字量对应的实际模拟量〔中间值〕与理论值之差〔中间值〕。2.2.3ICL7135芯片简绍ICL7135为双积分A/D转换器,双积分A/D转换器[3]的特点是在一次测量过程中用同一积分器先后进行两次积分。首先对被测电压Vi定时积分,然后对基准电压VREF定值积分。通过两次积分的比较,将Vi变换成与之成正比的时间间隔,这种变换属于V—T变换。〔图2.2.2〕为双积分A/D转换器基本结构：在下图<2.2.3>中,我们可以看到,采样周期开始时,逻辑控制电路发出采样指令,使开关S1置于上端,把被测电压Vi接到积分器的输入端,这时开始积分,当输出电压Vo小于零,比较器输出从低电平跳到高电平,打开时钟输入控制门,开始计数〔即计时〕。我们可以看到,当经过预定时间T1,即t=t2时,计数器溢出,使S1置于基准电压端,采样阶段结束,积分器的电压充到Vom’。t2开始为比较阶段,这时基准电压被接到积分器输入,开始反相积分,是输出电压Vo从Vom’开始线性下降。同时,计数器继续计数,直到t=t3’时Vom’到零,比较器从高电平变到低电平,计数停止。由于反相积分时Vo下降的斜率是常数,故Vo从Vom’下降到零的时间T2’正比于Vom’,而Vom’有正比于输入电压,所以T2’正比于输入电压Vi。完成V—T的变换作用。在常用的A/D转换芯片〔如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等〕中,ICL7135与其余几种有所不同,它是一种四位半的双积分A/D转换器,具有精度高〔精度相当于14位二进制数〕、价格低廉、抗干扰能力强等优点。本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。上面介绍了双积分的基本原理,下面我介绍ICL7135的一些管脚情况,有利于原理的叙述,其具体芯片介绍见第四章。7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器,其所转换的数字值以多工扫描的方式输出,只要附加译码器,数码显示器,驱动器与电阻电容等元件,就可组成一个满量程为2V的数字电压表。在这里介绍它与单片机连接管脚的一些情况：B8、B4、B2、B1〔16、15、14、13脚〕该四端为转换结果BCD码输出。通过这几个端口我们可以得到电压的数值。POL〔23脚〕该信号用来指示输入电压的极性。UR〔28脚〕当输入电压等于或低于满量程的9%〔读数为1800〕,则一当BUST信号结束,UR将会变高。OR〔27脚〕当输入电压超出量程X围〔20000〕,OR将会变高。该信号在BUSY信号结束时变高。在DE阶段开始时变低。可判断是否过量程。R/H〔25脚〕当R/H="1"〔该端悬空时为"1"〕时,7135处于连续转换状态,每40002个时钟周期完成一次A/D转换。若R/H由"1"变"0",则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态,此时输出为最后一次转换结果,不受输入电压变化的影响。用单片机控制该端口,可控制A/D的工作。/ST〔26脚〕每次A/D转换周期结束后,ST端都输出5个负脉冲,其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间,ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期。ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器或微处理器进行传送。我们把这个端口接到单片机的外部中断INT0,当每接收到一个负脉冲时,使单片机产生一个中断,在这个中断中,把对应该位的四位BCD码,传送到单片机的内存中,存储起来,用于液晶屏的显示。图2.2.2ICL7135与系统的连接图图2.2.3CD4060时钟发生电路另外,clk时钟端口〔22脚〕接外部的时钟信号。本设计采用程度CD4024来对单片机的ALE端分频得到125KHz的时钟信号。单片机的ALE端,为单片机的地址锁存允许信号端,当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6,在这里单片机的晶振采用12MHZ,所以ALE端的频率为2MHZ,将这个信号接到CD4024的CLK端,CD4024为一个7为二进制计数器,Q1端输出信号相当于输入信号的二分频,而Q4端相当于输入信号的2的4次方分频,也就是16分频,得到125KHZ信号。CD4024芯片介绍详见第四章介绍。2.3AT8S952介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案,AT89S52引脚如下〔2.3.1〕图。2.3.1AT8S952芯片特点AT8S952简介：/与MCS-51单片机产品兼容/8K字节在系统可编程Flash存储器/全静态操作：0Hz～33Hz/32个可编程I/O口线/全双工UART串行通道/掉电后中断可唤醒/双数据指针/三个16位定时器/计数器图2.3.1图2.3.1AT89S52引脚图/八个中断源/三级加密程序存储器单片机选用的是AT8S952。该芯片具有低功耗、高性能的特点,与AT89S51完全兼容。AT89S52还有以下主要特点：1、采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器〔NV-SRAM〕技术；2、其片内具有256字节RAM,8KB的可在线编程〔ISP〕FLASH存储器；3、片内含有一个看门狗定时器〔WDT〕,WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器<WDTRST>,只要对WDTRST按顺序先写入01EH,后写入0E1H,WDT便启动,当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或"跑飞"状态时,WDT即可有效地使系统复位,提高了系统的抗干扰性能2.3.2主要引脚功能描述P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写"1"时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节；在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流〔IIL〕。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入〔P1.0/T2〕和时器/计数器2的触发输入〔P1.1/T2EX〕,具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流〔IIL〕。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器〔例如执行MOVXDPTR〕时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址〔如MOVXRI〕访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流〔IIL〕。P3口亦作为AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用,如下表所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR<地址8EH>上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号〔ALE〕是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚〔PROG〕也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置"1",ALE操作将无效。这一位置"1",ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位〔地址为8EH的SFR的第0位〕的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号〔PSEN〕是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出2.4显示电路显示接口用来显示系统的状态,命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是LCD液晶模块,采用一个16×2的字符型液晶显示模块LCD1602[5]。它具有重量轻,体积小,功耗低,可显示192种字符〔5*7点字型〕,32种字符〔5*10点字符〕,可自编8种字符〔5*7或5*10〕,指令功能强,可组合成各种输入,显示,移位方式以满足不同的要求,接口简单方便可靠性高等优点。2.4.1液晶显示器的分类与原理液晶显示器简称LCD显示器,它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小,重量轻,功耗低,显示内容丰富等特点,在单片机应用系统中得到了广泛的应用。液晶显示器按功能可分为三类：笔段式液晶显示器,字符型点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。本系统显示部分用的是LCD液晶模块,采用一个16×2的字符型液晶显示模块2.4.2LCD-1602介绍,引脚图如〔2.4.1〕图2.4.11602引脚图GND接地Vcc＋5VRS寄存器选择0：指令寄存器〔WRITE〕1：数据寄存器〔WRITE,READ〕R/WREAD/WRITE选择1：READ0：WTITE3脚VL用于调节显示的对比度,接1K电阻接地；4脚RS为它的数据,指令选择端接单片机的P0.0口；5脚RW为它的读写控制端,接单片机的P0.1口；6脚E为它的使能端,接单片机的P0.2口；7—14脚为它的数据,指令传送端；15,16脚接+5V和地提供背光灯LCD-1602与AT89S52的接口图2.4.2液晶89S52的接图2.4.2液晶89S52的接口如图2.4.2所示：用AT89S52的P2口作为数据线,用P0.1、P0.2、P0.3分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号,R/W是读写信号,RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏,再设置接口数据位为8位,显示行数为1行,字型为5×7点阵,然后设置为整体显示,取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的与显示缓冲区中送字符,程序中采用2个字符数组,一个显示字符,另一个显示电压数据,要显示的字符或数据被送到相应的数组中,完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区,程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数,不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。8V到15V再经RXD输出,接收时由RXD输入,把-8V到-15V电位转换为5V,8V到15V转换为0V。MAX232的工作电压只需5V,内部有振荡电路产生正负9V电位。3.系统软件设计多路液晶显示数字电压表系统软件程序由主程序,A/D转换子程序和显示子程序组成。主程序设计图3.1.1主程序流程图图3.1.1主程序流程图主程序流程如〔图3.1.1〕一开始运行则设置堆栈起始地址为70H,设置中断寄存器,用来对ICL7135的中断进行计数,每5次后清零,完成一次数据采集工作,然后设置ICL7135的STB端的中断的优先级。紧接着LCDM1601B进行一次清屏,使其各个指令、数据寄存器的值进行清空,屏幕不显示任何字符。以前面对1601B的介绍,只要将01H送到数据总线,使RS=0,R/W=0,E有个下降沿的脉冲就可以完成清屏工作。用以下指令实现MOVP2,#01H;送到数据DB7DB0,调用子程序ENABLE,由于下降沿时,内部数据要送到RAM区,所以要有一个延时子程序,使这个下降沿持续2.5毫秒。内部RAM有指令代码后就开始对RAM进行清零,所以屏幕原有的字符将被清除。MOVP2,#01111000B,设定显示器按2行显示,每行8位,5×7点阵。调用一次子程序ENABLE程序,写入CPU的指令寄存器。每次向LCDM中写入一个指令,就调用一次ENABLE,然后再对显示器进行闪烁、光标等功能进行设定。显示器的RAM地址按加１方法进行读写。再设定第一行字符,也就是‘Voltage’的显示地址80H。字符‘Voltage’的TABLE表地址送到DPTR中,然后调用远程查表命令,依次把数据送到P2口,这时再调用子程序WRITE3,使LCD1601的RS=1,R/W=0使使能端E产生一个下降沿脉冲,将数据送入到数据寄存器中数据地址〔图3.1.2〕,接下来执行子程序DISPLAY1,它的主要功能是将TABLE表中的字符输出到LCD中去。调定好显示字符数即远程查表的次数,就开始查表了。TABLE表输出以后,向指令RAM中写入第2行的起始地址为OCH,再调用显示采样数据图3.1.2数据地址的子程序。采样数据存放的数据地址安排如下图所示,首先将60H中的数显示在正负号的位置上,按照ASCII码表,正号不显示〔#20H〕,负号显示"－"〔#2DH〕。图3.1.2数据地址中断程序设计ICL7135每一分钟完成3次据的采集工作,1/