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單片機原理及應用 課程設計報告書題 目：數(shù)字電壓表的設計 姓 名：杜典武學 號：103521034專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導老師：萬青老師設計時間：2012年11月1目 錄1. 引 言 . 11.1. 設計意義 . 11.2. 系統(tǒng)功能要求 . 12. 方案論證及方框圖 . 13. 單元電路設計細則 . 44. 調(diào)試及性能分析 . 95. 系統(tǒng)的電路原理圖 . 116. 電子元器件清單 . 127. 源程序清單 . 38.參考資料 . 29. 收獲 . 錯誤！未定義書簽。1數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計數(shù)字電壓表的設計1. 引 言（1）設計意義：我們學習的是單片機這門課程，這門課程最顯著的特點就是它是一門實用技術(shù)課程，它要求我們不僅僅要掌握扎實的理論基礎，更重要的是要學會如何去真真利用它為我們的電路設計服務，也只有通過課程設計這樣的動手實踐才是我們掌握這門技術(shù)的最佳途徑，因此，我們開設這樣的實踐是很重要的，也是我們努力去學習鉆研的動力。數(shù)字電壓表設計意義：數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化檢測技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以現(xiàn)實的儀表，克服了傳統(tǒng)模擬電壓表的讀書不方便和不精確等問題。不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強集成方便，還可以與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已廣泛應用于電子電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，展現(xiàn)了強大的生命力。與此同時，由數(shù)字電壓表擴展而成的各種通用及專用數(shù)字化儀器，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到了嶄新的水平，因此，通過這次課程設計能讓我們了解這些知識，為以后研究相關技術(shù)打下堅實的基礎。（2）系統(tǒng)功能要求：簡易數(shù)字電壓表可以測量05V范圍內(nèi)的8路輸入電壓值，并在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。其測量最小分辨率位0.02V.2. 方案論證及方框圖（1）硬件設計方案及方框圖：1數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計數(shù)字電壓表系統(tǒng)設計方框圖數(shù)字電壓表測量電路是由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理及顯示控制等組成。A/D轉(zhuǎn)換由集成芯片ADC0809電路完成。ADC0809具有8路模擬輸入端口，地址線（第2325腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。第22引腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。第6引腳為測試控制，當輸入一個2us寬電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。第7引腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，第7引腳輸出高電平。第9引腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出。第10引腳為ADC0809的時鐘輸入端，利用單片機第30引腳的六分頻晶振頻率，再通過14024二分頻的得到1MHz的時鐘。單片機的P1/P3.0-P3.3端口作為4位LED數(shù)碼管顯示控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇顯示通道。P0端口用作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入，P2端口用作ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。（2）軟件設計方案及方框圖：2數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計主程序流程圖系統(tǒng)剛上電時，初始化程序主要執(zhí)行70H-77H內(nèi)存單元清0和P2口置0等準備工作 。在剛上電時，系統(tǒng)默認為循環(huán)顯示8個通道的電壓值狀態(tài)。當進行一次測量后，將顯示每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值，每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間在1S左右。主程序在調(diào)用顯示子程序與測試子程序之間循環(huán)。3第5/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計A/D轉(zhuǎn)換測試子程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換測量子程序用來控制對ADC0809的8路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并將對應的數(shù)值移入70H77H內(nèi)存單元。3. 單元電路設計細則（1）數(shù)碼管顯示器：數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字4第6/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。（2）單片機的晶振電路：晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。本設計采用12MHz晶振，并聯(lián)兩個30pF電容構(gòu)成晶振電路。5第7/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計（3該模塊為數(shù)字電壓表的顯示模塊，主要由4位7端共陽LED數(shù)碼管和PNP三極管構(gòu)成的選通電路構(gòu)成。其中，我們需注意共陽數(shù)碼管的數(shù)字0-9的編碼，另外，每個位選管要與程序?qū)Ｎ贿x是通過單片機P3.0-P3.3口控制三極管的基極從而控制每位數(shù)碼管的選通。顯示模塊電路6第8/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計（4）ADC0809模塊： 結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理如圖(3-15)所示為ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。ADC0809由3部分組成：8路模擬量選通開關、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0809允許8路模擬信號輸入，由8路模擬開關選通其中一路信號，模擬開關受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當?shù)刂锋i存信號ALE有效時，3位地址C、B、A進入地START6CLOCK7轉(zhuǎn)換結(jié)束（中斷）EOC模擬量輸入IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0543218通道多路模擬開關VxVcW1W2逐次逼近型寄存器SAR開關樹組地址選擇ABC輸出緩三沖態(tài)鎖存器D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)字量輸出地址鎖存器和譯碼器ALE地址鎖存允許256R電阻分壓器9ENABLEVccGNDVREF(+)VREF(-)ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809的引腳地址鎖存器，經(jīng)譯碼后使8路模擬開關選通某一路信號。7第9/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計8位A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關（這兩部分組成一個D/A變換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當輸出允許信號OE有效時，打開三態(tài)門，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因輸出有三態(tài)門，便于與單片機總線連接。 引腳功能由引腳圖(3-15) b所示，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。ADC0809 雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址來實現(xiàn)。其主要引腳功能如下所示。IN0IN7：8路模擬量輸入端。D7D0：8位數(shù)字量輸出端。A、B、C：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一 個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準電壓。Vcc：電源，單一5V。GND：地。（5）通道選擇及單路/循環(huán)模塊：該模塊兩個按鍵開關分別是控制單路/循環(huán)和通道選擇的，當單路/循環(huán)按鍵未按下時，數(shù)碼管上的通道位是循環(huán)顯示通道，當該鍵按下時，數(shù)碼管通道位顯示的是某一路通道，看起來就像暫停一樣，即單路測壓。另外一個按鍵通道選擇按鍵，當你選擇單路時，按一下通道選擇鍵，數(shù)碼管上的通道位顯示的數(shù)字會加1，即通道移向下一位測壓。8第10/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計通道選擇及單路/循環(huán)按鍵電路4. 調(diào)試及性能分析（1）調(diào)試方法及步驟：a.軟件仿真調(diào)試：首先將電路原理圖用Proteus7.0仿真軟件畫出來，再用Keil單片機編程軟件將數(shù)字電壓表程序編寫出來，通過Proteus7.0仿真軟件中與Keil軟件的聯(lián)調(diào)功能，將編好的程序?qū)雴纹瑱C中，在Proteus7.0中實現(xiàn)軟件仿真。b.實物調(diào)試：將硬件電路都連接完好后，將單片機編號的數(shù)字電壓表程序通過ISP程序燒入軟件燒入到單片機中，用直流可調(diào)電壓源給ADC0809的模擬輸入端口通以不同電壓值的電壓，將數(shù)字電壓表裝置上的數(shù)碼管上讀出的電壓值記錄下來，與可調(diào)電壓源上顯示的標準值進行比較并分析。實物調(diào)試數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)誤差分析：a.絕對誤差任取三組進行分析:9第11/18頁.數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計 4.23-4.2=0.02V 3.68-3.6=0.08V 3.18-3.2=-0.02V由于我們用的可調(diào)直流電壓源只能精確0.1V，所以實際上，我們的誤差可以說已經(jīng)可以忽略了，相當?shù)男?。該?shù)字電壓表的設計的最高分辨率約為0.02V。我們因為不知道標準電壓值的小數(shù)點后第二位的數(shù)值，而無法估計誤差，但從這些數(shù)據(jù)上看，足以證明我們的此次設計相當成功。b.相對誤差根據(jù) 相對誤差=（測試值-標準值）/標準值x100%在數(shù)據(jù)記錄表中任取3組值進行分析： （4.23-4.2）/4.2*100%=7.1% （2.62-2.6）/2.6*100%=7.7% （3.18-3.2）/3.2*100%=-6.3%計算得的相對誤差也相當小，充分說明了此電壓表制作之成功。(2)性能分析： 從記錄表中可以看出簡易電壓表測得的值基本比標準表電壓值偏大，這可以通過校正ADC0809的基準電壓來解決。因為該電壓表設計時直接用5V的供電電源作為基準電壓，所以電壓可能有偏差。 ADC0809的直流輸入阻抗為1M?，能滿足常用的電壓測試需要。另外，經(jīng)測試的ADC0809可直接在2MHz的時鐘頻率下工作，這樣可省去二分頻器14024集成塊。 當要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要計算程序的被除數(shù)進行調(diào)整就行了。但量程越大，測量精度就會越低。10第12/18頁.數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計5. 系統(tǒng)的電路原理圖11第13/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計6.電子元器件清單12第14/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計 9 不亮 */ 小數(shù)第二位uchar code dis0=dis4/51; /scan_con4=0xf7,0xfb,0xfd,0xfe; for(h=0;h500;h+) /每個/四位列掃描控制字 通道值顯示時間控制（約1秒） uchar data ad_data8=0x00,0x00,0x00,0x00,0x0 for(k=0;k4;k+) /四位0,0x00,0x00,0x00;/定義8個數(shù)據(jù)內(nèi)LED掃描控制存單元 uint data Disdata=dis_7disk; dis5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; if(k=2)DISX=0;/定義4個顯示數(shù)據(jù)單元、1個數(shù)據(jù)暫存單元 P3=scan_conk;delay1ms(1);P3=0xff; / / /*1毫秒延時子函數(shù)*/ dis3+; /通道delay1ms(uint t) 值加1 uint i,j; for(i=0;it;i+) /for(j=0;j120;j+) /; /*0809AD轉(zhuǎn)換子函數(shù) */ test()/ /*顯示掃描子函數(shù)uchar m;*/ uchar s=0x00;scan() ad_con=s; for(m=0;m8;m+)uchar k,n; int h; ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0; dis3=0x00; /通道/轉(zhuǎn)換通道地址鎖存初值為0 START=1;_nop_();_nop_();START=0; for(n=0;n0;i-)for(j=110;j0;j-);void key_scan()if(key1=0)num=1;while(key1=0) ;if(key2=0)delay(10); /消抖延時if(key2=0)num=2; while(key2=0) ; /*主函數(shù)*/ main() P0=0xff; /初始化端口 P2=0x00; P1=0xff; P3=0xff; while(1) td_dx(); scan(); /依次顯示8個通道值一次 test(); /測量轉(zhuǎn)換一次 /*結(jié)束*/8.參考資料1 新編MCS-51單片機應用設計 張毅剛編著 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學出版社 2008.32 電子技術(shù)基礎 模擬部分 康華光主編 北京 高等教育出版社 2006.13 電子技術(shù)基礎 數(shù)字部分 康華光主編 北京 高等教育出版社 2006.14 PROTEL DXP電路設計與實例精解 黎文模，段曉峰編著 北京 人民郵電出版社 20065 李科杰 新編傳感器技術(shù)手冊M 北京 國防工業(yè)出版社，19956 PROTEL DXP電子電路設計精彩范例 林庭雙等編著 北京 機械工業(yè)出版社 2005.67 微型計算機原理及應用 鄭學堅，周斌編著 北京 清華大學出版社20018 電路 邱關源編著 北京 高等教育出版社 19993第17/18頁數(shù)字電壓表的設計 單片機原理及應用課程設計9.收獲選題時，因為暑期校電子競賽培訓期間，我已經(jīng)做過了溫度傳感器，所以，我覺得要學到真東西，就要不斷挑戰(zhàn)