簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計

1、簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計 電子制作課程考核報告課程名稱 簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計 學(xué)生姓名 賈晉 學(xué)號 1313014041 所在院(系) 物理與電信工程 專業(yè)班級 電子信息工程1302 指導(dǎo)教師 秦偉 完成地點 PC PROTEUS 2015年 6 月 13 日簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計摘要 本文介紹一種基于AT89C51單片機的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計。該設(shè)計主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換芯片為ADC0808，它主要負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則是由芯片AT89C51來完成，主要負(fù)責(zé)把ADC0808傳送來的數(shù)字量經(jīng)過一定的

2、數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進行顯示；并且,它還控制著ADC0808芯片工作。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和可靠性較高。此數(shù)字電壓表可以測量0-200V的模擬直流輸入電壓值，并通過數(shù)碼管顯示。 關(guān)鍵詞 單片機；數(shù)字電壓表；AT89C51；ADC080821目 錄1 引言2 總體設(shè)計方案2.1設(shè)計要求2.2 設(shè)計思路2.3 設(shè)計方案3 詳細(xì)設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊3.2 單片機系統(tǒng)3.3 時鐘電路3.4 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計3.5 總體電路設(shè)計4 程序設(shè)計4.1 程序設(shè)計總方案4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計5 仿真5.1 軟件調(diào)試5.2 顯示結(jié)果及誤差分析結(jié)

3、論參考文獻附錄1 引言數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應(yīng)用1。 最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路（IC）和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的類型4。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化（IC化），另一方面，精度也從0.01%-0.005%。目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精

4、度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個方面3。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計為研究內(nèi)容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0804對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51再對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行運算處理，最后驅(qū)動輸出裝置LCD顯示數(shù)字電壓信號11。【關(guān)鍵詞】數(shù)字電壓表；單片機；AT89C51； ADC0808 2 設(shè)計總體方案2.1設(shè)計要求 以AT89C51單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。采用1路模擬量輸入，能夠測量0-200V之間的直流電壓值。電壓顯示用7SEG-MPX

5、4-CC-BLUE，至少能夠顯示一位小數(shù)。 2.2 設(shè)計思路 根據(jù)設(shè)計要求，選擇AT89C51單片機為核心控制器件。A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實現(xiàn)，與單片機的接口為P1口和P2口的高四位引腳。電壓顯示采用7SEG-MPX4-CC-BLUE數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。2.3 設(shè)計方案硬件電路設(shè)計由6個部分組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計框圖如圖1所示。 時鐘電路 A/D轉(zhuǎn)換電路測量電壓輸入顯示系統(tǒng)AT89C51 P1 P2 P2 P0 圖1 數(shù)字電

6、壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖3 硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它們通常具有8路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，轉(zhuǎn)換時間只取決

7、于位數(shù)和時鐘周期，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中廣泛使用1。3.1.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器及控制電路組成。它利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位一次開始逐位試探比較。轉(zhuǎn)換過程如下：開始時，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進制數(shù)字量5。其原理框圖如圖2所示：順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器ADC電

8、壓比較器輸入電壓輸入數(shù)字量圖2 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖3.1.2 ADC0808主要特性ADC0808是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，帶有使能控制端，與微機直接接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，由于ADC0808設(shè)計時考慮到若干種模/數(shù)變換技術(shù)的長處，所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機床控制等領(lǐng)域。 ADC0808主要特性:8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位；具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)；易與各種微控制器接口；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；轉(zhuǎn)換時間：128s；轉(zhuǎn)換精度：0.2%；單個+5

9、V電源供電；模擬輸入電壓范圍0- +5V，無需外部零點和滿度調(diào)整；低功耗，約15Mw ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2單片機系統(tǒng)3.2.1 AT89C51性能AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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廉的方案。 AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系

10、統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128*8B內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；2個16位定時/計數(shù)器；5個中斷源；可編程串行UART通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式6。 3.2.2 AT89C51各引腳功能AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路，同時，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

11、，但允許RAM，定時/計數(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硬件復(fù)位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖5所示7。圖4 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)，這時輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，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帶片外存儲器

12、，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時，需要在外部用電阻上拉。P1口：這8個引腳和P0口的8個引腳類似，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，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(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，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口

13、：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，如下表2所示：表2 P3口各位的第二功能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（定時器/計數(shù)器0的外部輸入）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1的外部輸入）P3.6/WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許） P3.7/RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許）Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨

14、后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，89C51自動在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。/EA:片外存儲器訪問選擇線，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，在訪問片外ROM時，89C51自動在/PSEN線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。RST：復(fù)位線，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，

15、這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C51片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3.3 時鐘電路 時鐘電路設(shè)計 ADC0808在使用時，外圍電壓的連接比較簡單，只需要對參考電壓和時鐘輸入端進行設(shè)計即可。通常情況下，時鐘的輸入可以選用RC諧振電路，ADC0808可以進行A/D轉(zhuǎn)換的時鐘頻率為1001460KHZ，典型值為640KHZ，這里選用R=10K歐姆.C=150PF的諧振電路，利用公式1/(1.1RC)計算后，此時的時鐘頻率約為606KHZ，與典型值十分接近。圖5 時鐘電路3.4 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計。圖6 LED與單片機接口間的設(shè)計電壓值的顯示：最常用到的二進制轉(zhuǎn)換成BCD碼

16、的方法是用除法。先用得到的16位二進制數(shù)除以10000，得到的商就是模擬電壓值的整數(shù)部分（模擬電壓的輸入為0-2V，所以整數(shù)部分只有1位），得到的余數(shù)是模擬電壓值的小數(shù)部分；接下來用余數(shù)除以1000，商是十分位，余數(shù)作為被除數(shù)再除以100，商為百分位，余數(shù)再除以10，商為千分位。這樣就將16位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成了4位BCD碼。最后在通過程序?qū)⑿?shù)點左移兩位，擴大100倍。3.5 總體電路設(shè)計經(jīng)過以上的設(shè)計過程，可設(shè)計出基于單片機的簡易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖11所示。圖7 簡易數(shù)字電壓表電路圖4 程序設(shè)計4.1 程序設(shè)計總方案 根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序

17、和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖12所示。開始初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序結(jié)束圖8 數(shù)字式直流電壓表主程序框圖4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計4.2.1 初始化程序所謂初始化，是對將要用到的MCS_51系列單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等9。4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖13所示。開始啟動轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束圖9 A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.2.3 顯示

18、子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms10。在本設(shè)計中，為了簡化硬件設(shè)計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現(xiàn)11s定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。5 仿真5.1 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。Proteus軟件可以對基

19、于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計，更為顯著點的特點是可以與u Visions3 IDE工具軟件結(jié)合進行編程仿真調(diào)試8。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是C語言，用Keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C。5.2 顯示結(jié)果及誤差分析5.2.1 顯示結(jié)果1. 當(dāng)IN0口輸入電

20、壓值為0V時，顯示結(jié)果如圖14所示，測量誤差為0V。 圖10 輸入電壓為0V時，LED的顯示結(jié)果2.當(dāng)IN0輸入電壓值為87V時，顯示結(jié)果如圖15所示。測量誤差為0.1V。圖11 輸入電壓為86V時，LED的顯示結(jié)果3. 當(dāng)IN0口輸入電壓值為156V時，顯示結(jié)果如圖16。測量誤差為0.0V。圖12 輸入電壓為156V時，LED的顯示結(jié)果5.2.2 誤差分析通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表，如下表4所示：表4 簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/V簡易電壓表測量值/V絕對誤差/V00.003635.90.18484.00124124.1

21、0.1200200.00由于單片機AT89C51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH），因此單片機最高的數(shù)值分辨率為0.0196V(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，因為量程擴大20倍，所以分辨率減小，從上表可看到，測試電壓一般以0.1V的幅度變化。 從上表可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-0.1V，這可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決。因為該電壓表設(shè)計時采用分壓使2V作為電壓，所以電壓可能有偏差。結(jié) 論經(jīng)過一段時間的努力，基于單片機的簡易數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)計中的不足之處仍然存在。這

22、次設(shè)計是我第一次設(shè)計電路，并用Proteus實現(xiàn)了仿真。在這過程中，我對電路設(shè)計，單片機的使用等都有了新的認(rèn)識。通過這次設(shè)計學(xué)會了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計和電路圖的仿真的設(shè)計流程，積累了不少經(jīng)驗。本文設(shè)計主要實現(xiàn)了簡易數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能，詳細(xì)說明了從原理圖的設(shè)計、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。其中有苦也有樂?？嗟氖亲约旱闹R太貧乏，到處找資料，問同學(xué)；樂的是在付出過程中，我學(xué)到了許多的東西。在整個設(shè)計過程中，經(jīng)常經(jīng)常出現(xiàn)這樣那樣的問題，但是最后還是都得以解決，這個過程是值得我回味的,尤其是當(dāng)看到自己的設(shè)計課題成

23、功時，心中有一種成就感。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實習(xí)必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變，都受益非淺，今后的課程設(shè)計應(yīng)該更輕松，自己也都能扛的起并高質(zhì)量的完成項目。鑒與參考，在這次課程設(shè)計中我的程序和設(shè)計原理是網(wǎng)上查了些相關(guān)的資料，這樣提高了效率，才使我在規(guī)定的時間內(nèi)順利地完成了設(shè)計的任務(wù)。參考文獻1

24、 郭呂超. A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計數(shù)字電壓表.武漢大學(xué)，20011，.2宋鳳娟，孫軍，李國忠.基于89C51單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計J .工業(yè)控制計算機，2007，(04).3ADC0808工作原理其程序, 百度文庫，20124數(shù)碼時鐘電路的設(shè)計, 5AT89C51中文資料，百度文庫附 錄程序代碼#include<absacc.h> #include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit START=P30; sbit OE=P31; sbit EOC=P32; sbit P07=P07; sbit CLK=P34; uchar data led4; uint data tvdata; uchar code tv=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; uchar code a=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;