電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)-量程自動(dòng)切換的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1、.寧波理工學(xué)院 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè) 題 目 數(shù)字智能電壓表設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 完成日期 1.系統(tǒng)原理和方案介紹1.1系統(tǒng)總體方案介紹 根據(jù)數(shù)字電壓表的功能實(shí)現(xiàn)要求，選用51系列單片機(jī)作控制系統(tǒng) ，測(cè)量低電壓時(shí)，經(jīng)比例放大器（LM324）電路實(shí)現(xiàn)放大，放大倍數(shù)為10倍、高電壓經(jīng)大電阻分壓從而控制輸入ADC0808的信號(hào)在0到5V左右實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換經(jīng)AT89C52送入LED數(shù)碼管顯示，實(shí)現(xiàn)模擬測(cè)量，結(jié)果數(shù)字顯示。設(shè)計(jì)兩個(gè)量程進(jìn)行自動(dòng)切換，基本實(shí)現(xiàn)智能化。硬件操作其測(cè)量準(zhǔn)確性較高，顯示效果基本滿足接受范圍，并且電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本低，穩(wěn)定性較高。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框架

2、按照設(shè)計(jì)要求，初步確定下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，下圖為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)框架圖。硬件及軟件仿真電路均由6大部分組成，即51單片機(jī)電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）和電壓輸入測(cè)量電路。 控制模塊（MCU）電源模塊時(shí)鐘模塊復(fù)位模塊AD轉(zhuǎn)換模塊電壓轉(zhuǎn)換模塊顯示模塊量程選擇模塊 輸入模塊模塊 1.3系統(tǒng)工作原理 對(duì)待測(cè)模擬電壓值按不同的范圍，分為500mv、10v兩個(gè)檔位。對(duì)于高于500mv的檔位，采用高電阻分壓的方式，其1/2等比例轉(zhuǎn)換為05V的電壓值；對(duì)于低于500mv的檔位，采用比例放大器，等比例放大10倍左右，再將電壓送入AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將處理好的信號(hào)送入

3、51單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最后再數(shù)碼管上顯示。同時(shí)單片機(jī)對(duì)模擬開(kāi)關(guān)芯片（74HC4066）進(jìn)行控制，完成自動(dòng)量程切換，實(shí)現(xiàn)智能處理。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，檔位自動(dòng)切換原理。當(dāng)所測(cè)電壓超過(guò)500mv時(shí)，P3.2輸出低電平，關(guān)閉500mv檔位電路中的模擬開(kāi)關(guān)74HC4066，而P3.3輸出高電平，打開(kāi)10v檔位電路中的模擬開(kāi)關(guān)74HC4066，10v檔位的電路正常工作，如此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換量程。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用AT89C52單片機(jī)的端口P1.0 P 1.7作為 4位 LED數(shù)碼管的顯示控制。P3.2 與 P3.3 作為檔位控制端口。P0口作為AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入端口，P2口作為進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的控制端口。同時(shí)，4位LED數(shù)

4、碼管的采用動(dòng)態(tài)顯示方式顯示。2部分電路設(shè)計(jì)2.1復(fù)位電路 顯而易見(jiàn)，復(fù)位電路的作用是復(fù)位。在單片機(jī)接上電源以后，或電源出現(xiàn)過(guò)低電壓時(shí)，將單片機(jī)存儲(chǔ)器復(fù)位，使其各項(xiàng)參數(shù)處于初始位置，即處于開(kāi)機(jī)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)程序狀態(tài)，以消除由于某種原因的程序紊亂。單片機(jī)的復(fù)位電路有上電復(fù)位電路和按鍵式復(fù)位電路。上電復(fù)位電路利用電容器充電來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)加電時(shí)，電容上的電壓不能突變，RST引腳為高電平，開(kāi)始復(fù)位；電容C不斷充電，電阻R上的壓降逐步下降，當(dāng)電容C充滿電后，電路相當(dāng)于開(kāi)路，復(fù)位結(jié)束?？梢?jiàn)復(fù)位的時(shí)間與充電的時(shí)間有關(guān)，充電時(shí)間越長(zhǎng)復(fù)位時(shí)間越長(zhǎng)，增大電容或電阻都可以增加復(fù)位時(shí)間。按鍵式復(fù)位電路它的上電復(fù)位功能與上電復(fù)

5、位電路相同，但還可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位。按下按鍵后，通過(guò)兩個(gè)電阻分壓，使RST端產(chǎn)生高電平。按鍵按下的時(shí)間決定了復(fù)位的時(shí)間。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在本次設(shè)計(jì)中采用了按鍵式復(fù)位。2.2 AD轉(zhuǎn)換電路（ADC0809）工作原理 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) A/D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A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D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)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到

6、數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。 本次設(shè)計(jì)采用的是查詢方式：A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。通過(guò)查詢方式測(cè)試EOC的當(dāng)前狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。2.3 模擬檢測(cè)電路（74HC4066）74HC4066包含4個(gè)獨(dú)立的模擬開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)關(guān)包含2個(gè)輸入/輸出引腳（nY或nZ）和1個(gè)高有效使能輸入引腳（nE）。當(dāng)引腳nE為低時(shí)，其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)將被關(guān)斷。設(shè)計(jì)中我們只使用了芯片中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)作為模擬輸入。2.4 同相比例放大電

7、路(LM324)經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得知放大倍數(shù)剛好為10倍。假設(shè)輸入為Ui，輸出為Uo，得到 同相比例運(yùn)算電路具有高輸入電阻，低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榧蛇\(yùn)放有共模輸入，所以為了提高運(yùn)算精度，應(yīng)當(dāng)選用高共模抑制比的集成運(yùn)放。從另一個(gè)角度看，在對(duì)電路進(jìn)行誤差分析時(shí)，應(yīng)特別注意共模信號(hào)的影響。2.5 數(shù)碼管顯示電路（SM42036系列 共陰極暖色調(diào)）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。這包括人對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入，以及應(yīng)用系統(tǒng)向人們顯示運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。顯示器、鍵盤電路就是用來(lái)完成人機(jī)對(duì)話活動(dòng)的人機(jī)通道。這里我們選擇普通的四位數(shù)碼管，而沒(méi)有采用lcd液晶顯示，一方面減低代碼編寫難度，

8、一方面也節(jié)省成本，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇器件。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，本來(lái)考慮使用單片機(jī)的P1口接74HC573芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)四位數(shù)碼管，可是后來(lái)發(fā)現(xiàn)可以直接用AT89C52單片機(jī)的端口P1.0 P 1.7作為4位LED數(shù)碼管的顯示控制。兩個(gè)想法都可行，所以就采取了更加方便、快捷的第二種方案，這樣一來(lái)，節(jié)省元器件，硬件制作也相對(duì)簡(jiǎn)單。 與此同時(shí)，用P2口控制四位數(shù)碼管的顯示位，很好地解決了實(shí)驗(yàn)代碼編寫的難度，使之更為清晰明了。3 .軟件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)3.1保護(hù)功能 日常使用電壓表時(shí)，我們往往都會(huì)忽略一個(gè)問(wèn)題，那就是在測(cè)量一個(gè)電壓點(diǎn)時(shí)，往往很粗魯?shù)仉S便選擇一個(gè)檔位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果一些普通或者簡(jiǎn)易的電壓表遇到大電壓很容易燒壞。

9、而我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)就注意到將電壓表初測(cè)就選擇大量程，從而很好地保護(hù)電壓表。3.2智能選擇與傳統(tǒng)利用手動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換的電壓表相比，雖然可以降低成本，并且縮短反應(yīng)時(shí)間，但是不足之處在于操作麻煩，而且測(cè)量時(shí)需要更多的手協(xié)助。而我們根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換很容易地實(shí)現(xiàn)了500mv和10v兩個(gè)量程切換，雖然在切換值處數(shù)據(jù)變化浮動(dòng)加快，但是一定時(shí)間后仍然會(huì)回到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)顯示。3.3程序設(shè)計(jì)3.3.1主程序設(shè)計(jì)主程序的內(nèi)容一般包括：主程序的起始地址、中斷服務(wù)額程序的起始地址、有關(guān)內(nèi)存單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出如下圖的主程序流程圖。 3.3.2AD轉(zhuǎn)換程序設(shè)

10、計(jì)A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換程序的功能是采集數(shù)據(jù)，再整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有很高的地位。程序流程圖如下圖所示。 3.4 proteus系統(tǒng)仿真圖：4.硬件設(shè)計(jì) 考慮到ADC0808的8路模擬量輸入本質(zhì)上也是模擬開(kāi)關(guān)，因此可以利用其8個(gè)模擬通道中的IN0與IN1個(gè)作為通道轉(zhuǎn)換器，即根據(jù)通道對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量范圍確定對(duì)應(yīng)的電壓方法倍數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的放大電路。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量轉(zhuǎn)換為與其大小成正比的數(shù)字量信號(hào)。ADC0808是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)。 用ADC0808對(duì)74HC4066進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)量程

11、的自動(dòng)切換。在整個(gè)電路中，數(shù)值顯示采用了4位7段數(shù)碼管，實(shí)物中用ADC0809代替仿真軟件的ADC0808，原因是proteus仿真時(shí)0809沒(méi)有仿真模型，實(shí)現(xiàn)不了，硬件設(shè)計(jì)時(shí)ADC0809有現(xiàn)成，兩塊芯片功能相似。主控制電路采用51單片機(jī)最小系統(tǒng)，從而進(jìn)行擴(kuò)展。至于500mv小量程的放大電路經(jīng)過(guò)計(jì)算，按照模電的知識(shí)進(jìn)行布局，10v大量程也對(duì)其進(jìn)行大電阻分壓再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)物圖如下：序號(hào)名稱元件編號(hào)參數(shù)數(shù)量1單片機(jī)AT89C5212運(yùn)算放大器LM32413模擬開(kāi)關(guān)芯片74HC4066247段數(shù)碼管SM4203645電容CAP30pF26晶振 CRYSTAL11.0592MHz17電阻RES1k1

12、8電阻RES2k19電阻RES20k310電阻RES4.7k111電阻RES180k112模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC08091硬件設(shè)計(jì)所用元器件名稱及參數(shù) 5.問(wèn)題解決 在軟件處理上，量程的界點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得，并且要根據(jù)實(shí)際硬件設(shè)計(jì)需要，防止在界限數(shù)值變化模糊，這都要通過(guò)軟件來(lái)消除，因?yàn)楸旧碛布褪敲姘迨謩?dòng)布線，杜邦線連接，穩(wěn)定顯示還是有些困難。 在硬件制作上，元器件就難收集，74hc4066在實(shí)驗(yàn)室和通用就是找不到，本來(lái)想放棄做硬件，但最后還是賭一賭在網(wǎng)上買了芯片，郵費(fèi)還比芯片貴。 焊接就是最大的問(wèn)題，首先你要非常熟悉線路排布，其次面包板質(zhì)量差，很多布線都是浮空焊接的，很多時(shí)候焊好了發(fā)現(xiàn)焊接錯(cuò)了

13、，一遍一遍地重焊，在測(cè)試有沒(méi)有空焊，再進(jìn)行調(diào)試。杜邦線連接比較多，布線比較復(fù)雜，雖然有些端口進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)行統(tǒng)一布線，但是第一次做硬件，芯片的VCC忘記接了，就不會(huì)有結(jié)果。 線路完善還是比較順利，但是硬件的制作很花時(shí)間。 數(shù)據(jù)采集，雖然自己做的東西還是比較有把握的，但是在測(cè)量器數(shù)據(jù)是還是比較頭疼的，特別是測(cè)量mv檔位的時(shí)候，數(shù)據(jù)顯示不是十分理想。有硬件設(shè)計(jì)，線路連接的問(wèn)題，有算法精確程度和優(yōu)化的問(wèn)題，也有供電電壓不穩(wěn)定輸入的原因，統(tǒng)統(tǒng)疊加在一起，大問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)。所以在十分耐心和堅(jiān)持不懈下，我們才完成了數(shù)據(jù)測(cè)量。6數(shù)據(jù)采集與分析 為了更好地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)成果，得到比較完美的實(shí)物，我們對(duì)做出的實(shí)物進(jìn)行了實(shí)踐

14、性的測(cè)試，一方面發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改代碼和完善硬件，另一方面也是認(rèn)真對(duì)待大作業(yè)的態(tài)度。 因?yàn)槲覀冏龅木褪菙?shù)字電壓表，所以最簡(jiǎn)單地驗(yàn)證就是通過(guò)比對(duì)得知數(shù)據(jù)的正確與否。為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我找來(lái)三個(gè)萬(wàn)用表同時(shí)測(cè)量獲取平均值，在與自己設(shè)計(jì)的電壓表測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)行誤差分析。數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如下：下表是對(duì)其10v檔進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。10v檔12345678自用表(v)0.520.942.152.472.863.764.354.90萬(wàn)用表(v)0.581.052.102.442.783.514.364.95差值 (v)+0.06+0.11-0.05-0.03-0.08-0.25+0.01+0.05誤差 (%)

15、10.3%10.4%2.3%1.2%2.8%7.1%0.2%1.0% 簡(jiǎn)單地從數(shù)據(jù)上來(lái)看，10v檔的數(shù)據(jù)測(cè)量電壓變的數(shù)據(jù)還是比較接近萬(wàn)用表測(cè)得數(shù)據(jù)，總體誤差均小于11%，小組設(shè)計(jì)的電壓表表現(xiàn)還是不錯(cuò)的。因?yàn)橹苯硬捎肬SB-5v供電，電壓相對(duì)不是很穩(wěn)定，加上測(cè)量時(shí)間的加長(zhǎng)，芯片的發(fā)熱等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)變動(dòng)都可能造成一定的誤差。但是從數(shù)據(jù)誤差中，我們也可以發(fā)現(xiàn)在測(cè)小幅度電壓值測(cè)量時(shí)誤差比較大，而在測(cè)大幅度電壓值時(shí)誤差相對(duì)減少，所以一定程度上也反映出硬件設(shè)計(jì)和算法上并不是十分完美，需要進(jìn)一步的完善。 最后，小組認(rèn)為此組10v檔數(shù)據(jù)是有效的，結(jié)果是符合實(shí)際情況的，不排除萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)存在的誤差。下表則是對(duì)5

16、00mv檔進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。500mv檔12345自用表(mv)9.821.596.2171.3322.2萬(wàn)用表(mv)10.123.595.6181.4310.6差值 (mv)+0.3+2.0-0.6+10.1-11.6誤差 (mv)9.9%8.5%0.6%5.5%3.6% 分析了10v檔后，最后對(duì)設(shè)計(jì)的500mv檔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其實(shí)在數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，就已經(jīng)碰到了數(shù)據(jù)不穩(wěn)定難以測(cè)量的問(wèn)題，初步排除硬件設(shè)計(jì)的問(wèn)題之后，我們還是艱難地測(cè)出了5組數(shù)據(jù)。在自用表和萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)對(duì)比中，我們可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)還是差強(qiáng)人意的，但是從很科學(xué)地角度上來(lái)說(shuō)，mv檔我們做的并不好。 首先相對(duì)于數(shù)量級(jí)別上來(lái)講，誤差還是比較大的，其次這些數(shù)據(jù)只是測(cè)得中比較符合的數(shù)據(jù)。我們很想調(diào)整精度，可是我們也發(fā)現(xiàn)這不僅僅是硬件和算法上可以彌補(bǔ)的，因?yàn)槲覀兪紫葘?duì)數(shù)據(jù)采集不利的過(guò)程就是選擇20k的滑動(dòng)變阻器進(jìn)行測(cè)量，mv的測(cè)量只要滑阻稍稍變化，帶來(lái)的數(shù)據(jù)變化就不是可以控制的，特別是在電壓還不是十分穩(wěn)定的情況。不過(guò)還有一點(diǎn)，就是用萬(wàn)用表測(cè)量的時(shí)候，選擇mv檔位時(shí)，數(shù)據(jù)顯示也不是穩(wěn)定顯示的。所以最后我們還是艱難地做出決定，盡可能低測(cè)出數(shù)據(jù)，去除離譜的，保留有效的，結(jié)果都還是可以在接受范圍之內(nèi)的。 綜上所述，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)有效