【《基于单片机的数字电压表设计》9900字（论文）】

相对来说比较稳定,可况扩展性强,集成还很方便,还可以与一些pc实现通信功能,又可以借助pc通信做测量数据的处理,还可以在他的基础之上衍生出各种功能不一的数字化仪表用于实验的测量。所以这种数字电压表无论是在功能上还是实际生活中的使用中,都是其他传统的电压表所不能比拟的,这就使得它的开发个应用具有非常好的前景。数字电压表实在各种技术的基础之上发展起来的，成为了科研生产实验测量领域广泛使用的仪器，他最早出现在上世纪50年代，能够把电量转化为非电量经过处理显示出来，他的发展历程可以分为三个阶段：第一阶段是数字化阶段，利用各种原理以及各种高端的技术把指针式的测量衍生到了数字化的测量显示。第二阶段是精确化阶段，由于要求的不断精确化，所以利用各种仪器优点的结合以及各种技术的复合利用，实现测量的高精度仪表。第三阶段是智能化阶段，在微处理器的创造之后，便表现出了它强大的功能和兼容各式各样器件的能力，由此，便出现了由微处理器控制的数字电压表，他的利用使的这种测量智能化，能够自己自动测量，还能自己检验自己的状态，从而实现了智能化的数字电压表。而现在的数字电压表结合了前面几个所有的优点从功能方面来说,现在的功能更强更多了,从元件的构成来讲,由原来的简单元件成为了现在集成元件电路,精确度和读数的速度达到了每秒几万次,大大提升了及满足了人们的要求,成本之类的相比较以前价格也降低了很多。所以数字电压表是继以前各种测量仪器的新生也是一次大的要求革新,如今已经成为了广大测量领域的最基本实用的测量仪器。1.2研究的意义与内容随着现在科技领域的不断的飞速发展，数字电压表的革新也越来越多，在实验研究的领域和一些简单的测量领域，它成为了不可缺少的一部分。而高精度的智能化数字电压表也相继出现。随着现在技术的不断创新发展和实验研究的高度精准化，数字电压表的功能也随着越来越多，涉及的领域也越来越大，人们在实验中使用的次数也越来越频繁。所以智能化的趋势越来越强，它不仅能够在测量方面提供更加准确的数值，而且还能在测量技术方面达到一种自动测量的局面，他利用到的测量技术手段等还能使它在各种领域展现各种优势，从而成为实验室各种精妙的仪器。以后它还能不断完善不断创新，在功能方面，操作方面等等会有和更大的改变，从而覆盖各种各样的电子电工测量等领域，以后人们不管在实验研究还是自主设计的过程中将会更加方便，更快的提高人们的效率。我在本次的设计中，主要设计的是由单片机为控制核心的电压测量这种系统，它是由AT89S52单片机为核心的且具有精度高,不易受到外界干扰，测量效率高，价格便宜，性价比极好的优势。它主要是由四大模块构成，由数模转换，数据处理和数值显示及量程转换等模块构成，其中转化模块，我选择了逼近型的0804型号芯片，它可以更加快速的将被测电量转化为数字化，此时数据处理模块发力，进行对数据的处理，达到能够在显示屏上显示的要求，最后发送到显示模块，让我们得知测量的准确结果。我设计的数字电压表可以完成实验中的测量工作，而且在每次测量中都能很好的表现出来，所以学习这种测量的原理以及内容就显得非常重要。我们利用所学的知识,研究他的工作原理及个各种组成结构,通过自己动手能力和专研精神将所学的知识运用到实践中,虽然在功能上实现有所不足,但是最重要的就是对我们自身的一张锻炼,培养我们理论与实践结合的能力,打好步入社会的基础,实现我们人生的价值。在我们日常的实验中，有非常高的使用价值。在这次设计中亲自动手画了原理图，对仿真图进行了仿真，最后自己焊接元器件完成作品，以实现这次设计的目的也发挥了作品还有的作用，此次设计中，让我真正了解了实验的有趣和辛苦，也让我自己掌握了他的工作原理以及使用的各种技术等，增进了对实验的动手操作能力，更加丰富了自己对实验方面的经验。2.设计方案与设计分析2.1系统分析我此次的设计，主要以所学的51单片机为核心控制器，主要对设计中的三大模块起控制作用，利用现在广泛使用测量技术对我们需要测量的模拟量进行转化，转化为我们所需要的数字形式的数字量，提高我们实验的效率，而以前指针式的测量仪器，它们的功能单一，结构简单，内部控制核心极不稳定，测量的精确度还不高，不能满足我们测量要求，相对于这些特点，我们设计的数字电压表必须改进这些缺点，实现核心稳定，测量精度高等等的优点，能够在实验电子电工领域达到大规模的使用，显示他们强大的优势和生命力。2.1.1系统实现的功能及要求本次设计的要求如下：1）分为三档量程：0～5V，0～10V，0～20V；2）测量最小分辨率：0.02V；3）自动选择量程；4）采用字符液晶LCD1602显示。2.2总体设计方案2.2.1基本思路此次设计主要以AT89S52单片机芯片为核心器件,作为总体的控制器件，完成对数字电压表的设计。由几个模块构成，各个模块功能不一。转换模块首先将采集到的模拟的电压输入由单片机芯片控制，调用转换的子程序对模拟量进行转化，在转化完后，数据模块单片机继续调用数据处理的程序对数据进行计算处理，产生相应的显示码，显示模块继续调用显示模块的子程序对显示码进行液晶显示，从而得到我们所需要测量的精确电压值，如果我们显示时出现过大或者大量字符时，需要手动调节我们的量程转换按键，从而对测量的电压进行范围缩小，达到跟精确的目的，而对于量程模块我们使用继电器和电阻分压的发式构成，从而打到我们实验测量的目的。2.2.2设计方案我们所知的数字电压表有很多种，由于高速发展的集成数字电路,芯片也多样不一,导致对模拟数据采集的部分和数据处理及显示的方式也不同,经过查询,我们对芯片方面有了不同的了解，发现有两种适合我们的设计，数字电路和芯片直接构成的数字电压表和单片机为核心和转换芯片构建的数字电压表两种。数字电路和芯片构成的这一种，我们需要重新学习数字电路的各种搭建和各种原理，而单片机正是我们所熟悉的，所以我选择由单片机控制的这一种。我们选择的这种，我们以单片机为核心控制器，使用数模转换芯片。由于现在单片机应用领域非常多，所以可以用它来和其他软硬件相结合构成更多的合适的电路。而我们的方案中，使转换芯片成为基准电压源，我们需要测量的模拟电压成为了被测电压或者基准电压，转化芯片将采集本测电压的信号，将采集到的模拟信号，转化为相应数字信号，然后单片机调用子程序对这些数字信号按规定的时序对这些数字进行计算，最后计算出被测电压的时序送入显示模块进行显示[1]，这个方案不仅包含了数字电路其中的一部分优点内容，还利用了单片机这个强大的东西对系统进行了升华，从而使两钟数字电压表的优点凝聚于一个，以实现我们设计的目的，更加完善了我们的设计。2.2.3A/D转换芯片的选择A/D转化芯片是一种能把模拟量转化为数字量的器件，我们所熟知的这钟芯片有ADC0804，ADC0809,ADC0832等等，他们可以分为逐次逼近型和双重积分型这两种，他们是单片机最重要的接口电路，起着非常重要的作用，但他们的特点各不相同，逐渐逼近型这类型的芯片横沟更快的转换，完成后的精确度也非常高，比如：ADC0804，ADC0809这些，而双重积分型的芯片他们价格方面非常便宜，而且他们的稳定性好，内部不容易受到干扰，比如：ADC0832等等，相比较这两种，对于我们此次设计的系统来说，精确度是最重要的因素，所以我们选择逐渐逼近型这类型的转换芯片，至于型号得话可以适当的进行调整，型号不同表示内部存储等等内部条件不同而已。而我们此次使用ADC0804的因为这个芯片相较于其他更便宜，他是单通道输入，转换时间极短，为100us，为8位数字输出量，而且内部还有时钟发生器，不需要对其进行调零处理对我们更加方便。所以我们确定使用ADC0804这个芯片。2.2.4微处理器的选择目前我们所知道的单片机很多，但对于我自己的设计而言，该如何选择单片机，该选择哪种单片机会对设计的系统更好，选择的单片机各方面又要适合自己的系统要求还要性价比高，费用方面相较于其他还要低点。这种我们熟悉单片机有两种，他们分别是AT89C51、C52和AT89S51、S52的单片机。他们虽然型号不同，但是基本功能是一样的，只是在一些内部结构方面，内部运行能力等情况不同而已。AT89C51、C52这种单片机他们的所用到的电压非常容易满足，是比较低的，但现实出来的性能却非常高，他们是8位的主控芯片，他们内部非常庞大，有多种存储器，列如关于数据存储的数据存储器，有对数据处理的存储器，有对内容写入的读写存储器，总之各种各样功能强大的存储器[2]。而且它们的制作过程非常的严谨精密，不能出现一丝错误，从而使他们展现出来的功能以及技术是如此强大，而且存储的东西不容丢失，它们还能和51的各种指令相互兼容，和系统也能像兼容。它们内部还有8位的中央处理器[3]。能够处理更加复杂的情况，功能是非常强大的。AT89S51、S52这种单片机功耗非常低，需要的电压也很容易满足，他们内部非常庞大，有多种存储器，列如关于数据存储的数据存储器，有对数据处理的存储器，有对内容写入的读写存储器，总之各种各样功能强大的存储器。而且它们的制作过程非常的严谨精密，不能出现一丝错误，从而使他们展现出来的功能以及技术是如此强大，而且存储的东西不容丢失，它们还能和51的各种指令相互兼容，和系统也能像兼容。它们内部还有8位的中央处理器。能够处理更加复杂的情况，功能是非常强大的。它还可以控制更加复杂的情况，还可以提供系统更高性价比。相较于上面所说的两种单片机，功能基本相同，但是我设计的系统是非常小的，所以提供的电压要小，而且产生的功耗还要低，所以我选择AT89S52这种单片机。2.3系统总框图根据我们选择的各种元器件，我们的系统将由AT89S52单片机，转换芯片，5v的电源电路，LCD1602显示部分和量程转换组成，还加入了对电路起保护作用的过压保护。通过对被测量的采集，转换，处理，量程转换从而使测量的模拟量在液晶显示屏中直观准确的显示出来，达到我们设计的主要目的。数字电压表总体框图如下：图1设计总框图3.系统硬件电路设计3.1系统组成本次设计的系统为基于单片机的数字电压表,此次系统主要以单片机,A/D转换,量程转换,LCD1602显示设备等等,系统中最主要的核心为以单片机作为主要芯片控制系统中的其他部分,从而实现对被测量的精确测量并实时显示。3.2AT89S52单片机最小系统电路单片机最小系统是单片机除去其他不必要的元器件以外最简单的可以工作的电路，它通常包括了四部分,单片机,振荡电路,复位功能电路以及电源。我们经常说的单片机，即主控芯片,是非常核心的东西，外部电源电路只是给整个系统进行电能的输送，而电路中如果出现卡顿延迟的情况时，复位时钟电路就发挥了他的作用，调节电路稳定系统的运行。可以说这个最小系统是整个设计的基石。他是电路运行最基本的条件，没有最小系统电路将出现各种各样的问题，从而导致整个电路系统无法完成。3.2.1复位电路复位电路是必不可少的一部分。当单片机AT89S52出现死机或者卡顿的情况时需要借助复位电路进行复位,使CPU回到初始状态能够继续进行测量。为安全保险起见,先等通电后一段时间等系统稳定后在进行操作复位,以免造成误差影响复位。即稳定后等系统cpu运行两个机器周期时在进行,才能确保AT89S52单片机安全复位。复位电路的工作原理:在通电的时候，电平相较而言比较低，与正常电路电位相反,我们都知道电容不能突变，只能充放电依次进行，所以当供电那时刻电压极低,此时提供复位脉冲,对电容进行充电冲击，当电容的储存的电压达到相应的值时，电路开始正常工作。AT89S52单片机复位电路如下图所示：图2复位电路图3.2.2晶振电路晶振的组成成分是石英晶体，晶振是石英晶体谐振器的简称,也称有源晶振[7],他可以为电路提供时钟频率，所以通常也称时钟晶振电路，它的频率直接决定了单片机运行的速度，如果一个电路中没有晶振的话，就不存在时钟周期，也就不会由程序的执行，单片机就无法进行工作，所以晶振是电路中最最重要必不可少的一部分。他的存在为单片机提供频率信号，使程序指令可以进行下去，保证单片机正常使用。此次系统中使用的晶振输入端分别为XTAL1和XTAL2,用来连接单片机的反馈回路，在晶振开始时，XTAL2端口输出振荡信号，使电路中产生频率振荡，进而产生自激振荡，使程序进行运作，单片机发挥他的作用。我们所熟悉的晶振有11.0592MHZ和12MHZ的两种,本系统使用的晶振为12MHZ,两个电容为30pf。他们可以更好的达到便于调节的作用。晶振电路如下图所示：图3晶振电路图3.3主控芯片3.3.1AT89S52性能AT89S52单片机它能够和其他单片机所制造的产品相兼容，它内部有超级大容量的编写存储器，它内部擦写周期非常短，达到了1000次/us，振荡频率可以达到最大的33MHz，完全可以满足我们的振荡频率，他外部有40个引脚，其中大部分的引脚用作编程方面，特殊的四个双向I/O，中断源有八个，各种定时器，标识符和数据寄存器等等，他使用时消耗的功率极低，总之它内部功能结构非常庞大，可以满足实验中很多的要求，并且在单片机领域内用处用运非常广泛。AT89S52实物图如下图所示：图4单片机实物图3.3.2AT89S52引脚功能VCC：电源GND：接地p0~p3位8位双向I/O口P0，p1，p2，p3等引脚都是特殊的引脚，它们都可以在特定的时刻用作输入或者输出，被称为双向I/O口。在缓冲器作用时，它们的作用也有差异，其中p0能驱动8位的逻辑电平，而其他的只能驱动他得一半。当高电平作用时,有大阻抗的输入,使p0对数据存储器进行程序访问,在特殊时刻他也被用作地址数据端使用,在上拉电阻的作用下也可以对一些指令进行接受;当需要进行程序自检时,它们也可以当作输出端输出指令，而其他的做输入端时可以输出电流，自检时还可以接收地址数据和控制信号等等。P1.0~p1.2为计数器和定时器，P1.5~p1.7作为系统编程。p3.1TXD串行输出口p3.2INT0外部中断0p3.3INT1外部中断1p3.4T0定时器/计数器0p3.5T1定时器/计数器1p3.6WR外部存储器写通道P3.7RD外部存储器读通道RST：复位输入ALE/PROG:访问外部程序数据EA;外部访问允许图5AT89S52芯片引脚图3.4A/D转换电路在自动测量控制的系统检测中，经常需要在模拟数字信号之间相互转换，此次利用ADC0804芯片做转换器，由实验板上的正负极线对被测量进行采集，利用转换原理技术，把我们所需要的数字化值转化出来。如下图外接电路，利用芯片控制，利用大电阻和电容决定转换的速度，电阻使用10千欧姆，电容使用150PF，经过计算转换频率达到了非常，更加适合实验。图6A/D转换电路图3.5量程转换电路我们在实验是有时候需要测量的电压或大或小，所以设计三个量程电路，利用按键调控所需要测量时候的电压范围，已达到精确的目的。而如下图为量程转换电路图，其中p8端口为输入的模拟电压信号，可输入0-20v的电压，三个大电阻起到分压的作用，在其中加入了稳压管，作为芯片的过压保护，减少不必要的损失。图7量程转换电路图3.6LCD1602显示电路我们选用的液晶显示屏是点阵式的，这种液晶屏还有字符和段式等。相比较其他两个，我们选择用的体积较小，重量较轻，消耗的功率比较低，非常适合我们的系统设计，还有就是比传统的数码管来说，显示的内容更加丰富也更加美观，而他的引脚对于数码管来说也一定程度上进行了精简，他产生接口的数据是8位的，和单片机双向引脚相呼应，有着读写寄存器，当处于高电平时，运行读写功能，还有对屏幕光亮调节的引脚，还有特殊的一个引脚利用脉冲对LCD和单片机进行数据信息交换，其中vo第三引脚有着调节分辨率的作用,相对于其他电路来说，LCD显示电路是最简单的电路，但在整个系统中却起着非常重要的作用。1602LCD显示屏实物图如下图所示：图8LCD1602显示屏实物图LCD1602显示接口电路如下图所示：图9LCD1602显示器接口电路3.7硬件总电路本设计利用各种技术和芯片，实现了总系统的设计，首先由外界给与电能的供电时系统进行简单的运行，即系统开始运行，单片机芯片为主要核心进行数据处理和对系统运行，转换电路对输入的信号进行转换，最后选择合适的量程，在显示电路中的液晶显示屏中显示出来我们所测量的数值，完成测试。具体的总电路图如下图所示：图10总电路图4.系统软件设计4.1系统主程序流程系统正常使用的情况下，给系统通电，按下开关键，显示屏出现字符，然后用黑色接线柱接地，红色接线柱接正极，接一个直流电压信号，调节自己需要使用的量程，依次调用各个模块的程序对输入的电压信号进行处理，然后在液晶屏上精确化显示数值化。本设计主要流程如下：否否是开始程序初始化模拟电压信号输入量程转换A/D转换数据处理LCD显示输出测量数据结束图11主流程图4.2LCD1602液晶流程图通电后，液晶屏个端口连接正常，对其进行初始化处理，调用显示的子程序即读写函数，进行读写程序的指令，对其处理后的电压值精确实时显示。流程图如下：开始开始初始化（写模式设置指令）读状态（忙碌检测）液晶显示将显示地址输入将数据写入读取数据显示是否图12液晶流程图4.3转换流程图本设计采用中断扫描的形式对外部进行电压的数据采集，系统供电后，先初始化定时器。然后选择最大的量程，运行转换，对数值进行比对，对输出的合适的数值，选择合适的量程，启动转换，将转换完成的数据处理完后输出显示屏中显示。转换流程图如下：开始开始配置ADC0804端口启动ADC0804等待转换完成输出数据是否则图13A/D转换流程图5.性能调试及分析现在设计的数字电压表基本已经成型，标志着我们的实验已经取得初步的成功，只要在最后的调试测试阶段能够满足我们的设计要求，那么这个设计就基本完成了，而现在需要做的就是进行综合的调试阶段，而调试是系统在设计与实现中最关键也是整个实验开发的过程总结。只要对各个模块进行精心的调试不出现问题，最后对整个模块组合进行联调完成的话。分析完测试调试的结果，就算我们的设计圆满完成。5.1模块调试在我们完成制作后，进行模块调试的时候首先要检查各种元器件的焊接情况是否良好，如果出现漏焊和虚焊的情况一定要及时更改，否则会影响实验结果，然后就是检查各个电路之间的线路问题，线路是不是良好，最后给系统通电，看所有的元器件是否通电，电路是否出现短路或者断路的情况。通电后能不能给其他元器件进行供电情况，其他元器件是否发烫，异常气味，冒烟和放电等现象，如果出现这系列问题一定及时更改，否则会影响整个实验结果。在检查没有其他错误时，把单片机及其他东西安装好，先给电源通电，对单片机最小系统进行测试，主要测试的有：四大部分的芯片各个引脚的连接是不是正常，测试各个电路是不是正常通电，先让显示屏中显示一定数值，然后按下相应的按键，看是否会出现开始时候的字符，测试晶振电路时接一个小灯，给一个高电平看是否发亮，各个引脚连接的功能是否能够使用。 单片机最小系统调试无误后，对程序进行测试，测试LCD1602能否显示数字，进而测试转换电路是否正常，选择量程的按键是否能够控制量程切换，对各个模块测试无误后，关闭电源，也防止出现芯片损坏等。5.2组合调试对各个模块调试无误后，接下来就需要对整体设计进行调试，测试整体系统运作时出现的各种问题以及测试期间的情况，是否协调，是否能够准确快速的显示我们测试的结果。此外还需要对我们的原理图进行检查看是否有错误的地方，还需要对仿真图进行仿真，看是否能够正确的仿真，且仿真无误差，系统能个正常使用，然后对实物调试主要根据实验的目的，对运行后的条件和结果是否会出现延迟，卡顿，部分不运作或者运作慢而影响实验的情况，即对部分数据进行模拟的结果进行比对是否与之相符，如果出现显示慢，大部分数据对比不符的话，一定要及时停止，继续进行各个模块的测试，直至整体测试完成，如果出现个别数据不符，基本大部分数据相符的话且调试过程中系统一直保持稳定的状态就表示系统整体调试成功，设计的系统完全可以放心正常使用。5.3系统运行分析经过对各个模块单独的调试和组合之后的调试后，基本能够完成预期的实验效果。现在主要运行分析的有：电压精确度，量程切换，液晶显示。选择合适的模拟信号输入源，测试几组不同的数据，确定原来的确定值，然后利用我们的设计对其进行测试，观测测量的几组测量值与确定之进行比较进行分析。运行的部分数据表格如下：表SEQ表\*ARABIC1：部分运行结果统计表挡位确定值测量值相对误差0-5v1.501.500%0-5v4.504.520.44%0-10v6.006.040.66%0-10v9.009.040.42%0-20v12.0012.120.99%0-20v15.0015.080.53%根据表中数据可以得知，我们实物测试的结果都在误差范围内，由此得出我们的实物可以准确的用作测试工作，也表明我们的设计基本完成。6.总结在此次毕业设计中，不论是在查询资料和思考问题上还是在动手操作识别上都有了很大的提升和进步，特别是在元器件的识别和元器件之间的位置