智能化DVM的設計

1、第一章 設計任務書1.1 設計名稱 智能化DVM的設計 1.2 設計技術指標與要求A、測量范圍量 程：05V；050V；0500V顯示位數(shù)：二位半B、分辨力：0.01VC、測量速率：次秒D、量程選擇方式：手動選擇量程1.3 產(chǎn)品說明數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，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，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構成的數(shù)字電壓表，已被

2、廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。本章重點介紹單片A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構成的基于單片機的數(shù)字電壓表的工作原理。數(shù)字電壓表簡稱DVM(DIGlTAL VOLTMETER)。DVM的問世，以其功能齊全、精度高、靈敏度高、顯示直觀等突出優(yōu)點深受用戶歡迎。特別是以AD變換器為代表的集成電路為支柱，使DVM向著多功能、小型化、智能化方向發(fā)展。本產(chǎn)品主要是手動選擇量程式的數(shù)字電壓表，本次產(chǎn)品設置了四個按鍵，一個按鍵是復位按鍵，另外三個則是進行量程切換的用

3、的，通過按鍵的選擇，將量程自動切換到05V；050V；0500V三個不同的檔位，最后再將所測得的電壓值通過四位數(shù)碼管顯示出來。第二章 系統(tǒng)原理及基本框圖DVM是將模擬電壓變換為數(shù)字顯示的測量儀器，這就要求將模擬量變成數(shù)字量。這實質(zhì)上是個量化過程，即連續(xù)的無窮多個模擬量用有限個數(shù)字表示的過程，完成這種變換的核心部件是AD變換器。如圖2.1所示，當模擬電壓經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。具體電路原理圖見附錄。 圖 2.1系統(tǒng)基本方框圖 第三章 硬件電路的設計3.1 輸入電路由于AD0809在電

4、壓測量值方面有一定的局限性，所以需要在輸入接口介入一個分壓電路，將超出量程范圍的電壓轉(zhuǎn)化為AD0809所能夠轉(zhuǎn)換的量程之內(nèi)。在第一個檔位即05V時，由于在AD0809所能測得的范圍之內(nèi)故股不需要進行分壓設置。其他兩個檔位分壓電路如圖3.1所示。 圖3.1 分壓電路 如上圖所示，IN1、IN2接口是用來輸出分壓之后的電壓，根據(jù)具分壓公式可得IN1、IN2輸出約為0-4.54V。3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路3.2.1 ADC0809的結構及原理 ADC0809采用逐次逼近法驅(qū)動電路，并自帶了寄存器，可以不附加取樣保持電路，因為比較器和寄存器這兩部分兼有取樣保持功能。其引腳如圖3.2所示，其主要的技術指標

5、如下：電源電壓 5V 分辨率 8位 圖3-2 AD0809引腳圖時鐘頻率 640kHz 轉(zhuǎn)換時間 100s 未經(jīng)調(diào)整誤差 1/2LSB和1LSB 模擬量輸入電壓范圍 0-5V 功耗 15mW 圖3.3 AD0809內(nèi)部原理框圖 圖3.3為ADC0809內(nèi)部原理框圖，由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換芯片主要管腳功能如

6、表3-1所示。符號引腳號功能IN0-IN726-28，1-5為8個通道模擬量輸入線ADD AADD BADD C25-23多路開關地址選擇線。A為最低位，C為最高位，通常分別接在地址線的低3位2-8-2-117，14，15，818-218位數(shù)字量輸出結果ALE22地址鎖存有效輸入線。該信號上升沿把ADDA,ADDB,ADDC，3選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開關地址寄存器START6啟動轉(zhuǎn)換輸入線。該信號上升沿清除ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動內(nèi)部控制邏輯，開始A/D轉(zhuǎn)換工作EOC7轉(zhuǎn)換完成輸出線。當EOC為1時表示轉(zhuǎn)換已完成CLOCK10轉(zhuǎn)換定時時鐘輸入線。其頻率不能超過640kHzOE9允許輸入

7、線。在OE為“1”時，三態(tài)輸出鎖存器脫離三態(tài)，把數(shù)據(jù)送往總線。±VREF12，16參考電壓輸入線VCC11接VCCGND13接GND表3-1 管腳功能如表ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。      ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN

8、7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表3-2所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 表3-2 通道選擇表     ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時

9、鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。3.2.2 ADC0809應用說明 （1） ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。 （2） 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 （3） 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 （6） 當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。3.2.3 AD0809與單片機連接電路 如圖3.4為AD0809與單片機連接電路圖。圖3

10、.4 AD0809與單片機連接電路 3.3 復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)高電平時，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位。MCS52單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式：（一）上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)，這樣，只要電VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)上電自動復位。（二）按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種，其電平復位是通過使復位端通過VCC電源與電阻接通來實現(xiàn)的，而脈沖復位則是利用了RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。本設計選用上電與按鍵均有效的復位電路，它不僅在上電時可以自動復位，而且在單片機運行期間，利用按鍵也可以完成

11、復位操作，如圖3.5所示。單片機的RST引腳是復位信號的輸入端，此時上電/按鍵瞬間RES ET引腳獲得高電平，隨著電容的充電， RERST引腳的高電平只要能保持在2個機器周期以上，單片機就可以完成復位操作。3.4 時鐘振蕩電路圖3.6 時鐘振蕩電路時鐘振蕩電路 在MCS51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2，在芯片的外部通過兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就過夠成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部振蕩方式;二是外部時鐘方式。在此設計過程中我采用了內(nèi)部振蕩方式，如圖3.6所示：初使用晶體振蕩器外

12、，如對時鐘頻率要求高，還可以用電感或陶瓷振蕩器代替。電路中的電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，C1和C2的取值一般為30pF左右，而晶體振蕩頻率范圍通常是1.2-12MHz，振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，同時也對印制電路板的工藝要求也高了。3.5 量程切換電路由于本課題采用的是手動切換測量電壓的量程，因而需要用到鍵盤來手動控制量程的切換。鍵盤、顯示是單片機應用系統(tǒng)不可缺少的輸入和輸出設備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤/顯示器接口的設計，它應滿足（1)功能技術要求；（2)可靠性高。但系統(tǒng)不同要求就不同，接口設計也就不同。

13、對一個鍵盤/顯示器接口設計應從整個系統(tǒng)出發(fā)，綜合考慮軟、硬件特點。在應用系統(tǒng)設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。由于本次設計選用的是獨立式鍵盤，故此主要介紹獨立式鍵盤。獨立式按鍵：直接用I/O線構成的單個按鍵電路，每個獨立式按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)，獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線。在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大。故在按鍵較小時，采用此電路如圖3.7示。 圖3.6 獨立式鍵盤 圖3.7 獨立式鍵盤 3.6 顯示電路本課題選用數(shù)碼管作為其輸出顯示設備，以下主要介紹數(shù)碼管的主要原理。常用的七段顯示器件：半導體數(shù)碼

14、管將十進制數(shù)碼分成七個字段，每段為一發(fā)光二極管。半導體數(shù)碼管（或稱LED數(shù)碼管）的基本單元是PN結，目前較多采用磷砷化鎵做成的PN結，當外加正向電壓時，就能發(fā)出清晰的光線。單個PN結可以封裝成發(fā)光二極管，多個PN結可以按分段式封裝成半導體數(shù)碼管，其管腳排列如下圖3.8所示，其顯示如圖3.9所示。圖3.8半導體顯示器(左)管腳排列圖; (中)共陰極接線圖; (右)共陽級接線圖 圖3.9 數(shù)碼管顯示器發(fā)光段組合圖第四章 系統(tǒng)仿真4.1 系統(tǒng)仿真圖注：圖為當輸入為當按鍵三按下時，且輸入為200V時的狀態(tài) 圖A 圖B如上圖所示，A圖為按鍵1按下時，當輸入為0.5V示的狀態(tài)。圖B為按鍵2按下時，輸入為4

15、9.5V示的狀態(tài)。附 錄元件清單類 型數(shù)量說明電 阻4個1K3個4.7K1個100K8個4701個10K電 容1個22uf2個33pf單片機1塊AT89S52A D1塊AD0809二極管5個發(fā)光二極管數(shù)碼管1個四 位三極管7個PNP按 鍵4個開 關1個下載口1個ISP下載口程序清單#include<reg52.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit OE=P26;sbit ST=P27;sbit k1=P30;sbit k2=P31;sbit k3=P32;sbit a=P33;sbit b=P34;s

16、bit c=P35;sbit CLK=P36;sbit EOC=P37;uchar tt;uchar aa;uchar mm;float dy;float getdata;uchar disbuf=0,0,0,0;uchar code weima=0x08,0x04,0x02,0x01;uchar code duanma=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc1,0x7f;uchar code duanma1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;uchar key

17、scan();void delay(uint m) while(-m); void display1(void) uchar i; int j; disbuf0=dy/10.0; j=dy; disbuf1=j%10; dy=dy*10; j=dy; disbuf2=j%10; P2=weima0; P1=duanmadisbuf0; delay(100); P2=weima1; P1=duanmadisbuf1; delay(100); P2=weima2; P1=duanma1disbuf2; delay(100);void display2(void) uchar i; uint j;

18、dy=dy*10.1; j=dy; disbuf0=j/100; disbuf1=j%100/10; disbuf2=j%10; disbuf3=10; for(i=0;i<4;i+) P2=weimai; P1=duanmadisbuf3-i; delay(100); void display3(void) uchar i; uint j; j=dy*10; disbuf0=j/100; disbuf1=(j%100)/10); disbuf2=j%10; for(i=0;i<3;i+) P2=weimai; P1=duanmadisbuf0; delay(10); P2=weima1; P1=duanma1disbuf1; delay(10); P2=w