畢業(yè)設(shè)計(jì)論文_基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì).doc

項(xiàng)目名稱(chēng)： 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 電子201004班 姓 名： 黃潔 學(xué) 號(hào)： 201003041406 指導(dǎo)教師： 溫錦輝 日 期： 2012年6月4日 摘要： 在電路設(shè)計(jì)中我們時(shí)常會(huì)用到電壓表，過(guò)去大部分電壓表還是模擬的，雖然精度較高但模擬電壓表采用用指針式，里面是磁電或電磁式結(jié)構(gòu)，所以響應(yīng)較慢。為適應(yīng)許多高速信號(hào)領(lǐng)域目前已廣泛使用數(shù)字電壓表。本設(shè)計(jì)是基at89c51單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字電壓表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)作為控制核心，以adc088為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓的數(shù)據(jù)采樣；使用系列比較器檢測(cè)輸入電壓的范圍，并通過(guò)繼電器陣列實(shí)現(xiàn)了輸入量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；使用共陰極數(shù)碼管顯示被測(cè)電壓。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)、電壓檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、 目 錄第一章 設(shè)計(jì)要求及目的- 4 -1.1 實(shí)訓(xùn)要求- 4 -1.2 實(shí)訓(xùn)目的- 4 -1.3 實(shí)訓(xùn)意義- 4 -1.4 總體實(shí)訓(xùn)方案- 4 -第二章 硬件設(shè)計(jì)思想和原理圖- 4 -2.1 原理及功能- 4 -2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖- 5 -2.3單片機(jī)引腳特性及性能- 5 -2.3 單片機(jī)系統(tǒng)- 7 -2.4 adc0809引腳圖及功能- 8 -2.5 adc0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程- 10 -2.5 ad轉(zhuǎn)換電路- 11 -第三章 軟件設(shè)計(jì)與流程- 11 -3.1 程序流圖- 11 -3.2 功能介紹- 12 -第四章 軟件仿真及測(cè)試數(shù)據(jù)- 12 -4.1 仿真結(jié)果- 12 -總結(jié)- 14 -致謝- 14 -參考文獻(xiàn)：- 15 - 第一章 設(shè)計(jì)要求及目的1.1 實(shí)訓(xùn)要求 基本要求：（1）以51單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心，組成一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字電壓表（2）測(cè)量電壓范圍0-5v（3）電壓用四位數(shù)碼管顯示，能夠顯示三位小數(shù)（4）盡量使用較少的元件1.2 實(shí)訓(xùn)目的（1） 進(jìn)一步熟悉和掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；（2） 掌握單片機(jī)的借口技術(shù)及，adc0808芯片的特性，控制方法；（3） 通過(guò)這次實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，掌握以單片機(jī)為核心的電路設(shè)計(jì)的基本方法和技術(shù)；（4） 通過(guò)實(shí)際程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設(shè)計(jì)的方法和調(diào)試技術(shù)。1.3 實(shí)訓(xùn)意義 通過(guò)完成一個(gè)包括電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)的完整過(guò)程，使自身了解開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的全過(guò)程，強(qiáng)化鞏固所學(xué)知識(shí)，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。1.4 總體實(shí)訓(xùn)方案 測(cè)量一個(gè)05v的直流電壓，通過(guò)輸入電路把信號(hào)送給ad0808，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再送至at89c51單片機(jī)，通過(guò)其p1口經(jīng)數(shù)碼管顯示出測(cè)量值。第二章 硬件設(shè)計(jì)思想和原理圖2.1 原理及功能8路數(shù)字電壓表主要利用a/d轉(zhuǎn)換器，其過(guò)程為如下：先用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)各路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量，再按數(shù)字量與模擬量成比例關(guān)系運(yùn)算得到相應(yīng)的模擬電壓值，然后把模擬值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)待測(cè)的輸入電壓為8路，電壓值的范圍為05v，要求能在4位led數(shù)碼上輪流顯示或單路顯示。測(cè)量的最小分辨率為0.019v。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，控制系統(tǒng)采用at89s51單片機(jī)，a/d轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓為5v時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)值為255（0ffh），因此最大分辨率為0.0196v（5/255）。adc0808具有8路模擬量輸入端口，通過(guò)3位地址輸入端能從8路中選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如每隔一段時(shí)間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對(duì)8路輸入電壓進(jìn)行測(cè)量。led數(shù)碼管顯示采用軟件譯碼動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)按鍵選擇可8路循環(huán)顯示，也可以單路循環(huán)。單路顯示可通過(guò)按鍵選擇所要顯示的通道數(shù)。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)采樣atmel89c51單片機(jī)作為控制核心，以adc0808為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓的數(shù)據(jù)采樣；使用系列比較器檢測(cè)輸入電壓的范圍，用共陰極數(shù)碼管顯示結(jié)果。 顯示電路 輸入電壓 51單片機(jī) 極性檢測(cè) ad轉(zhuǎn)換 電壓檢測(cè) 圖1電壓表硬件設(shè)計(jì)2.3 單片機(jī)引腳特性及性能at89c51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4kb的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 at89c51功能性能:與mcs-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4kb可編程閃速存儲(chǔ)器；壽命：1000次寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0-24mhz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8b內(nèi)部ram；32個(gè)可編程i/o口線(xiàn)；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行uart通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式6。 at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4kb的flash閃速存儲(chǔ)器，128b內(nèi)部ram，32個(gè)i/o口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)，at89c51可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。at89c51采用pdip封裝形式，引腳配置如圖2所示。圖2 at89c51的引腳圖at89c51芯片的各引腳功能為：p0口：這組引腳共有8條，p0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89c51不帶外存儲(chǔ)器，p0口可以為通用i/o口使用，p0.0-p0.7用于傳送cpu的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專(zhuān)用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89c51帶片外存儲(chǔ)器，p0.0-p0.7在cpu訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送cpu對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。p0口為開(kāi)漏輸出，在作為通用i/o使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。p1口：這8個(gè)引腳和p0口的8個(gè)引腳類(lèi)似，p1.7為最高位，p1.0為最低位，當(dāng)p1口作為通用i/o口使用時(shí)，p1.0-p1.7的功能和p0口的第一功能相同，也用于傳送用戶(hù)的輸入和輸出數(shù)據(jù)。p2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用i/o口使用，它的第一功能和p0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像p0口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。p3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同，如下表1所示：p3口各位第二功能p3.0 rxt（串行口輸入）p3.1 txd（串行口輸出）p3.2/int0（外部中斷0輸入）p3.3/int1(外部中斷1輸入)p3.4t0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入）p3.5t1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入）p3.6/wr（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)允許） p3.7/rd（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許）表1 p3口各位的第二功能vcc為+5v電源線(xiàn)，vss接地。ale：地址鎖存允許線(xiàn)，配合p0口的第二功能使用，在訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，89c51的cpu在p0.0-p0.7引腳線(xiàn)去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。在不訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，89c51自動(dòng)在ale線(xiàn)上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。/ea:片外存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)選擇線(xiàn)，可以控制89c51使用片內(nèi)rom或使用片外rom,若/ea=1，則允許使用片內(nèi)rom, 若/ea=0，則只使用片外rom。/psen：片外rom的選通線(xiàn)，在訪(fǎng)問(wèn)片外rom時(shí)，89c51自動(dòng)在/psen線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外rom芯片的讀選通信號(hào)。rst：復(fù)位線(xiàn)，可以使89c51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89c51復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。xtal1和xtal2：片內(nèi)震蕩電路輸入線(xiàn)，這兩個(gè)端子用來(lái)外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來(lái)連接89c51片內(nèi)osc(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。2.3 單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路，晶振電路，電源電路，仿真時(shí)需搭建復(fù)位電路和晶振電路。單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使cpu和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。mcs-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳rst,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí)器件復(fù)位1。復(fù)位完成后，如果rst端繼續(xù)保持高電平，mcs-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要rst恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖3是51系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要vcc上升時(shí)間不超過(guò)1ms，它們都能很好的工作。 圖3 復(fù)位電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)如下所示，其中p1口用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，p0口用于接收adc0808轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。p2口用于控制adc0808。單片機(jī)中cpu每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。cpu執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對(duì)應(yīng)時(shí)間順序稱(chēng)為單片機(jī)的時(shí)序。mcs-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，xtal1為該放大器的輸入端，xtal2為該放大器輸出端，但形成時(shí)鐘電路還需附加其他電路1。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡(jiǎn)，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可，如圖4所示。圖4 時(shí)鐘電路電路中的器件選擇可以通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器c1和c2對(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是3010pf，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了33pf；石英晶振選擇范圍最高可選24mhz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12mhz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12mhz。 單片機(jī)最小系統(tǒng)： 圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.4 adc0809引腳圖及功能圖6 adc0808引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)adc0808是cmos單片型逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，它有8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型a/d轉(zhuǎn)換器。adc0808各個(gè)管教功能：15和2628（in0in7）：8路模擬量輸入端。 8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。 22（ale）：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 6（start）： a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換）。 7（eoc）： a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（oe）：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 10（clk）：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640khz。 12（vref（+）和16（vref（-）：參考電壓輸入端 11（vcc）：主電源輸入端。 13（gnd）：地。 2325（adda、addb、addc）：3位地址輸入線(xiàn)，用于選通8路模擬輸入中的一路 表 2 adc0808模擬通道選擇2.5 adc0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程adc0808由8路模擬通道選擇開(kāi)關(guān)，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型a/d轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖7 adc0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中：（1）8路模擬通道選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)從8路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進(jìn)行比較。（2）地址鎖存與譯碼器用于當(dāng)ale信號(hào)有效時(shí)，鎖存從adda、addb、addc 3根地址線(xiàn)上送來(lái)的3位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號(hào)，從8路模擬通道中選擇當(dāng)前模擬通道。（3）比較器，8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型a/d轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路組成8位a/d轉(zhuǎn)換器，當(dāng)start信號(hào)有效時(shí)，就開(kāi)始對(duì)當(dāng)前通道的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到8位三態(tài)鎖存器，同時(shí)通過(guò)引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。（4）三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng)oe信號(hào)有效時(shí)，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。adc0808的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ale=1,將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器從8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。（2）送start一高脈沖，start的上升沿使逐次寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換，并使eoc信號(hào)為低電平。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使eoc信號(hào)回到高電平，通知cpu已轉(zhuǎn)換結(jié)束。（4）當(dāng)cpu執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時(shí)，使oe為高電平，則從輸出端d0-d7讀出數(shù)據(jù)。2.5 ad轉(zhuǎn)換電路利用adc0808作為ad數(shù)據(jù)采樣器件, adc0808是cmos單片型逐次逼近式ad轉(zhuǎn)換器它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型da轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。adc0808的工作過(guò)程是：首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) ad轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到ad轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)oe輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。 第三章 軟件設(shè)計(jì)與流程3.1 程序流圖軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，由單片機(jī)控制主程序、a/d轉(zhuǎn)換子程序、電壓檢測(cè)及繼電器控制程序、液晶顯示組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在keilc編譯環(huán)境下進(jìn)行的，由于c語(yǔ)言程序可移植性好，所以提高了編程的效率。 圖8模擬轉(zhuǎn)換程序的流程圖3.2 功能介紹p0首先接收數(shù)據(jù)，據(jù)此控制pc6,pc7實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，保證正電壓輸出。pb0,pb1,pb2,pb3,pa6的輸入值通過(guò)pa1,pa2,pa3,pa4,pa5控制繼電器1，2，3，4，5實(shí)現(xiàn)電壓增減并輸入a/d轉(zhuǎn)換器max187進(jìn)行測(cè)量。最后輸入pb4,pb6,pb7并由輸入數(shù)碼管顯示。 第四章 軟件仿真及測(cè)試數(shù)據(jù)4.1 仿真結(jié)果將寫(xiě)好的程序下載到仿真軟件中的單片機(jī)中，點(diǎn)擊運(yùn)行，觀(guān)察數(shù)碼管顯示數(shù)值與圖中輸入電壓進(jìn)行比較。理解其誤差有多大。由于仿真軟件缺少相應(yīng)器材，故而未能進(jìn)行徹底仿真?？傮w電路圖如圖9所示： 圖9 總結(jié)本次項(xiàng)目基于單片機(jī)at89c51采用8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器adc0809設(shè)計(jì)的電壓檢測(cè)裝置。用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制、處理，送到顯示器顯示