基于單片機的數(shù)字電壓表的設計與仿真

1、基于單片機的數(shù)字電壓表的設計與仿真摘要本文介紹一種基于AT89S52單片機的一種電壓測量電路,該電路采用模/數(shù)轉換芯片ADC0808，它具有轉換速度快、高精度、單極性、調整VREF可改變其動態(tài)范圍的特點。測量范圍直流0-5V，使用LCD液晶模塊顯示，可以與PC機進行串行通信。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，介紹了雙積分電路的原理，AT89S52的特點，ADC0808的功能和應用，LCD1602的功能和應用。該電路設計新穎、精度高、可擴展性強。關鍵詞：電壓測量;單片機;ADC0808；LCD1602Abstract The introduction of a cost-based AT89

2、S52 MCU a voltage measurement circuits,the circuits used. ADC0808,speed, high precision, unipolar, VREF can be changed to adjust the dynamic range characteristics. Measuring range DC 0-5V, the use of LCD liquid crystal display module that can communicate with the PC serial machine. Text gives the so

3、ftware and hardware systems focused on various parts of the circuit, introducing the principle of double integral circuit, AT89S52 features, ADC0808 features and applications, LCD1602 features and applications. The innovative circuit design, high accuracy, scalability, strong.Keywords: Voltage measu

4、rement; microcomputer; ADC0808; LCD16021設計內容及要求1.1設計目的及主要任務1.1.1設計目的 （1）學會根據(jù)已學知識設計具有某一特定功能的電路。 （2）學會基本電路的組裝與調試。 （3）掌握集成電路基礎知識，并且能熟練應用于工程設計。 （4）掌握數(shù)字電壓表的原理及設計方法。1.1.2設計任務及主要技術指標設計一個量程為5V、精度為0.05V的數(shù)字電壓表，用三位數(shù)字顯示。當被測電壓超出測量范圍時報警。（用LED顯示）確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。用Proteus軟件完成仿真。

5、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學課程設計工作規(guī)范要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應符合繪圖規(guī)范。1.2設計思想數(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 轉換器構成的數(shù)字電壓表，已被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

6、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。重點介紹單片A/D 轉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。2.電路工作原理分析、方案論證和確定2.1電路工作原理分析如圖1所示，模擬電壓經(jīng)過分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉換器進行A/D轉換，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LCD中顯示，同時通過串行通訊與上位機通信。輸入電路89S52單片機LCD顯示通訊模塊A/D轉換圖1 原理框圖2.2方案論證2.2.1方案一采用雙積分式A/D轉換器CC7106、CC4070、LCD，以及外圍電路構成數(shù)字電壓表。它由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成

7、，模擬部分包括輸入放大器A、A/D轉換器和基準電壓源；數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。由圖可見，模擬電路和數(shù)字電路是互相聯(lián)系的，有邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序將A/D轉換器中各組模擬開關接通或斷開，保證A/D轉換正常進行。A/D轉換結果通過計數(shù)譯碼電路變換成筆段碼，最后驅動顯示器顯示出相應的數(shù)值。圖2 數(shù)字電壓表組成框圖2.2.2方案二采用AT89S52單片機和A/D轉換芯片ADC0808作為核心器件，用LCD1602作為顯示模塊，以及一些外圍電路構成數(shù)字電壓表。ADC0808具有轉換速度快、高精度、單極性、調整VREF可改變其動態(tài)范圍的特點。可以與PC機進行

8、串行通信。圖3 數(shù)字電壓表系統(tǒng)框圖2.3方案確定方案一雖然有應用技術成熟，系統(tǒng)可靠性高等諸多優(yōu)點，但電路過于復雜。方案二使用單片機作為控制核心，整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，外部電路也比較簡單，精度也符合設計的要求。故采用方案二。3.單元電路設計、參數(shù)計算及器件選擇3.1 A/D轉換芯片ADC0808的應用1.轉換方式ADC0808采用逐次逼近式ADC工作原理。圖4 ADC0808/9 芯片的引腳圖 引腳介紹： ：主電源輸入端。 REF（+）、 REF（-）：基準電源輸入端，使用中REF（-）一般接地，REF（+）最大可接+5.12V，要求不高時，REF（+）接VCC的+5V電源。 GND

9、：模擬地數(shù)字地共用的接地端。 CLK ：時鐘輸入引腳，時鐘頻率范圍10KHz1280KHz，典型值640KHz，此時轉換時間約為100us。 IN0IN7：8 路模擬量單極性電壓的輸入引腳。 ADD A 、ADD B 、ADD C ：8 選 1 模擬開關的三位通道地址輸入端,用來選擇對應的輸入通。 ALE ：為通道地址鎖存允許選通控制端，輸入上跳沿有效；它有效時，C 、B 、 A 的通道地址值才能進入通道地址鎖存器，ALE下跳為低電平（無效）時，鎖存器鎖存進入的通道地址。 START ：啟動 A/D 轉換控制引腳，由高電平下跳為低電平時有效；即對該引腳輸入正脈沖下跳沿后，ADC 開始逐次比較；

10、也可將 START 與 ALE 連接在一起使用，安排一個 CPU 寫端口地址；正脈沖上升沿通道地址（碼）被寫入通道地址鎖存器，下降沿啟動 A/D 轉換，參見時序圖。 EOC ：ADC 轉換狀態(tài)輸出信號引腳，未啟動轉換時，EOC為高電平，啟動轉換后，正在逐次逼近比較期間 EOC為低電平，低電平持續(xù)時間為 A/D 轉換時間，約100us（與時鐘頻率有關），一旦轉換完畢，EOC 端上跳為高電平，此信號可供 CPU 查詢或向 CPU 發(fā)中斷。 2-12-8：8 位數(shù)字量輸出引腳，2-1為d1（MSB），為d8（LSB），它是三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸出引腳，未被選通時，8個引腳對片內均為高阻斷開；因此可與

11、系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線D7D0直接相連。OE ：數(shù)字量輸出允許控制端，輸入正脈沖有效；它有效時，數(shù)據(jù)輸出三態(tài)門被打開，轉換好的數(shù)字量各位被送到2-12-8引腳上；它無效時，2-12-8浮空（高阻隔離）；顯然OE端必須設置一個CPU讀數(shù)據(jù)的端口地址，未訪問時，必須為低電平。 單極性： ADC0808 本身是單極性轉換器，也可以通過外偏置電路方法，變成雙極性輸入電壓的 A/D 轉換器。 圖5 ADC0808的原理框圖 2.電路結構ADC0808是一款8位逐次比較型A/D轉換器，其結構框圖如圖4所示。它由控制邏輯電路、時序產(chǎn)生器、移位寄存器、D/A轉換器及電壓比較器組成。圖6 逐次比較型A/D轉換器框圖3.工

12、作原理逐次逼近式轉換過程和用天平稱物重非常相似。天平稱重物過程是，從最重的砝碼開始試放，與被稱物體行進比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。再加上第二個次重砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去。照此一直加到最小一個砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就得此物體的重量。仿照這一思路，逐次比較型A/D轉換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應值。對圖6的電路，它由啟動脈沖啟動后，在第一個時鐘脈沖作用下，控制電路使時序產(chǎn)生器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將10000000，送入D/A轉換器。

13、輸入電壓首先與D/A器輸出電壓（VREF/2）相比較，如v1VREF/2，比較器輸出為1，若vIVo存1；第二個CP到來時，寄存器輸出D7D0=11000000，Vo為7.5V，VA再與7.5V比較，因VA 7.5V，所以D6存0；輸入第三個CP時，D7D0=10100000，v0=6.25V；VA再與Vo比較。如此重復比較下去，經(jīng)8個時鐘周期，轉換結束。由圖中Vo的波形可見，在逐次比較過程中，與輸出數(shù)字量對應的模擬電壓Vo逐漸逼近VA值，最后得到A/D轉換器轉換結果D7D0為10101111。該數(shù)字量所對應的模擬電壓為6.8359375V，與實際輸入的模擬電壓6.84V的相對誤差僅為0.06

14、%。圖7 8位逐次比較型A/D轉換器波形圖4.特點(1)轉換速度：速度快。(2)調整VREF，可改變其動態(tài)范圍。 3.2測量控制電路AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89S52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。由于AT89S52單片機諸多優(yōu)點，故我們采用其作為控制芯片。測量的基本原理是：待測電壓通過一個分壓電阻輸入A/D轉換芯片ADC0808進行A/D轉換，然后將轉換結果送到單片機AT89S52進行處理并輸出，最后用LCD1602顯示測量的結果。由單片機AT89C

15、52、晶體振蕩器、復位電路構成了主處理電路即最小系統(tǒng)電路；這部分電路作為檢測儀的工作過程的“總指揮”，起著控制、計算、判斷等主要作用。圖8 最小系統(tǒng)主控電路AT89S52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89S52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89S52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。并采用12

16、M晶振組成振蕩電路。3.3液晶顯示部分與AT89S52的接口如圖9所示：用AT89S52的P2口作為數(shù)據(jù)線，用P0.1、P0.2、P0.3分別作為LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為2行，字型為57點陣，然后設置為整體顯示，取消光標和字體閃爍，最后設置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個字符數(shù)組，一個顯示字符，另一個顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示。首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯

17、示緩沖區(qū)，程序延時1ms，判斷是否夠顯示的個數(shù)，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。圖9 LCD與AT89S52的接口框圖4.電路安裝與調試 安裝與調試過程應按照先局部后整機的原則，根據(jù)信號的流向逐塊調試，使各功能塊都要達到各自技術指標的要求，然后把它們連接起來進行統(tǒng)調和系統(tǒng)測試。調試包括調整與測試兩部分，調整主要是調節(jié)電路中可變元器件或更換器件，使之達到性能的改善。測試是采用電子儀器測量相關點的數(shù)據(jù)，以便準確判斷設計電路的性能。裝配前必須對元器件進行性能參數(shù)測試。根據(jù)設計任務的不同，有時需進行印制電路板設計制作，并在印制電路板上進行裝配調試。按照電路圖將元器件擺放在通用板上，以確定元器

18、件的大致位置，接著使用電烙鐵將各個元件焊接在電路板上，確保焊接過程中無元件損壞，接著開始焊接連線，從電路最左邊開始一級一級焊接，每焊接一級便用萬用表測試一下此級中有無損壞的元件或是連線錯誤6。5軟件仿真Proteus ISIS是英國Labcenter Electro-nics公司開發(fā)的一款電路分析與實物仿真軟件，該軟件集單片機和SPICE分析于一身，具有強大的原理圖繪制和軟件調試功能。鑒于Proteus ISIS極其強大功能和使用的便捷性，最終我們選用了它作為仿真軟件。單片機AT89S52的程序用C語言編寫，其內部有8KB的FLASH ROM（閃速EEPROM）,所以單片機內部最多可以固化8K

19、B的程序代碼。此外，AT89S52具有強大的加密功能和不可破譯性。系統(tǒng)軟件由主程序和若干子程序構成，包括LCD驅動子程序、顯示子程序和測試子程序。這樣的程序編寫不僅提高了單片機的運行效率，也容易查找程序的運行結果。程序流程框圖如圖10所示。圖10 主程序流程圖圖11 數(shù)字電壓表仿真截圖6.課程設計心得體會 這次課程設計歷時兩個星期左右，通過這兩個星期的學習，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。在這個過程中，我也曾經(jīng)因為實踐經(jīng)驗的缺乏失落過，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程制作（數(shù)字頻率計），可是平心而論，也耗費了我們不少的心血，這就讓我不得不佩服專門搞單片機開發(fā)的技術前輩，才意識到老一輩對我們社會的付出，為了人們的生活更美好，他們?yōu)槲覀兩鐣冻龆嗌傩难?！通過這次課程設計，我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦