干電池的電壓檢測

學(xué)生姓名指導(dǎo)老師職稱課題名稱干電池的電壓檢測課題工作內(nèi)容“電壓檢測”的硬件電路主要由單片機(jī)控制電路、數(shù)碼管顯示電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，主要實(shí)現(xiàn)：1、電壓檢測：通過AD檢測電路，檢測干電池電壓信號(hào)，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機(jī)；2、顯示輸出：通過譯碼顯示電路，將測得的電壓值經(jīng)譯碼后通過數(shù)碼管顯示。3、復(fù)位設(shè)置：能夠手動(dòng)和上電復(fù)位。指標(biāo)要求1、電壓測量：測量電壓精度為±0.01V,測量范圍為0~2.5V。2、顯示位數(shù)：能夠顯示3位數(shù)值，1位整數(shù)和2位小數(shù)。進(jìn)程安排第一天：下達(dá)任務(wù)、理解課題要求、收集和消化相關(guān)資料；第二天：方案論證和制定，元器件采購；第三～四天：硬件制作、調(diào)試第五～八天：軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試第九天：根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告第十天：作品演示、答辯考核主要參考文獻(xiàn)《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)》張齊著電子工業(yè)出版社《例說8051》謝亮、陳敵北、張義和人民郵電出版社《單片機(jī)C語言應(yīng)用100例》王東鋒王會(huì)良電子工業(yè)出版社地點(diǎn)秋白樓起止日期2012.12.31-1.11在日常維修、教學(xué)和科研中，電壓表是不可缺少的。本課題目的就是以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表。本文首先介紹了數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀及課題的目的和意義。然后，對基于介紹，其中，在硬件部分，較為詳細(xì)的討論了編程語言和編程思路。最后，對電路調(diào)試和實(shí)物制作做了進(jìn)一步分析和總結(jié)。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表，其硬件電路所用元件較少、成本低、調(diào)節(jié)簡單；軟件采用C語言編程，其靈活性高，可讀性強(qiáng)。經(jīng)過理論研究、原理設(shè)計(jì)和整機(jī)調(diào)Firstlythispaperintroducedresultssupposeitisfeasibl摘要 I Ⅱ第一章緒論 11.1課題簡介 11.2課題研究的目的和意義 1 1第二章硬件設(shè)計(jì) 32.1硬件結(jié)構(gòu)圖 32.2最小系統(tǒng) 3 3 4 5 5 72.4LED顯示電路 8第三章軟件設(shè)計(jì) 第四章調(diào)試與仿真 第五章結(jié)論與心得 參考文獻(xiàn) 附錄 1.電路原理圖 2.軟件程序 3.元器件清單 4.實(shí)物圖 第一章緒論1.1課題簡介數(shù)字電壓表簡稱DVM,它是采用了數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)模擬量(直流1.2課題研究的目的和意義濕度計(jì)，酸度計(jì)，重量，厚度儀等),幾乎覆蓋了電子電工測量，工業(yè)測量，自1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)字多用電壓表，可用8位顯示，直流精度可達(dá)到±5/10°,讀書分辨力為0.1μV。帶有A/D變換模式、數(shù)據(jù)輸出接口形式IEEE-488。具有比率測量軟件校準(zhǔn)等數(shù)字儀表，都是作為一級計(jì)量站和國家級計(jì)量站使用的標(biāo)準(zhǔn)儀表。還有英國的“7055”數(shù)字電壓表采用脈沖調(diào)制技術(shù)。日本橫河公司的“2501”型采用三次采從發(fā)展過程來看：數(shù)字電壓表自1952年問世以來，已有50年多年的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是20世紀(jì)50年代問世的電子管數(shù)字電壓表，第二代產(chǎn)品屬于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三帶產(chǎn)品為20世紀(jì)70年代研制的中、小規(guī)模集成電路的數(shù)字電壓表。今年來，國內(nèi)外相繼推出有大規(guī)模集成電路(LSI)或超大規(guī)模集成電路(VLSI)構(gòu)成的數(shù)字電壓表、智傳統(tǒng)電壓表的設(shè)計(jì)思路主要分為：用電流計(jì)和電阻構(gòu)成的電壓表；用中小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電壓表；用大規(guī)模ASIC(專用集成電路)構(gòu)成的電壓表。這幾中電壓表設(shè)計(jì)方式各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，分別適用于幾種特定的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)，也近入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)一日千里的發(fā)展，電壓表也必經(jīng)歷從單一測量向數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等多功能過度的這一歷程，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展21世紀(jì)的新課題。目前，數(shù)字化儀器與微處理器取得令人矚目的進(jìn)展，就其技所具有的軟件功能使儀器呈現(xiàn)出有某種延伸，強(qiáng)化的作用。這相對于過去傳統(tǒng)的、純硬件的儀器來說是一種新的突破，其發(fā)展?jié)摿κ志薮?，這已為70年代以來儀表發(fā)展的歷史所證實(shí)。概括起來，具有微處理器的儀表具有以下特點(diǎn)：①測量過程的軟件控制對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理功能是儀表最突出的特點(diǎn)；②在儀器的測量過程中綜合了軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能，使一機(jī)多用或儀器的多功能化易于實(shí)現(xiàn)，成為這類儀器的又一特點(diǎn)；③以其軟件為主體的智能單單片機(jī)第二章硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)其實(shí)就是對電子電路的設(shè)計(jì)。電子電路通常可以分為兩大類：一類是模擬電子電路，還有一類是數(shù)字電子電路。本系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)為模擬電路設(shè)計(jì)，其他與單片機(jī)連接的集成電路均為數(shù)字電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電源、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、譯碼顯示等一系列電路組成，主要完成電壓顯示(0～2.55V)。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。圖2-1硬件結(jié)構(gòu)圖工作原理：9V轉(zhuǎn)5V的電源轉(zhuǎn)換電路給各個(gè)元器件提供工作電壓，檢測電路檢測到電壓模擬量后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)送顯。2.2.1單片機(jī)本次設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)芯片型號(hào)為：STC89C52,管腳圖見圖2-2。STC89C52的工作特性如下：1.增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令3.工作頻率范圍：0～40MHz,相當(dāng)于普通8051的0～80MHz,實(shí)際工作頻率可達(dá)5.片上集成512字節(jié)RAM8.具有EEPROM功能9.具有看門狗功能10.共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器TO、Tl、T211.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒12.通用異步串行口(UART),還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART13.工作溫度范圍：-40～+85℃(工業(yè)級)/0～75℃(商業(yè)級)12345689本系統(tǒng)中將直流9V經(jīng)過穩(wěn)壓器使輸出電壓為直流5V。具體電路如圖2-3圖2-3電源電路端的濾波電容。在電源整流電路中，濾波電容用來濾除交流成分，使得直流更平過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，采用了噪聲低，溫度漂移小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠，而且價(jià)格便宜。7805集成穩(wěn)壓器為三端器件，其管腳如圖2-4所示：1腳為輸入端，2腳為78系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V,最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。當(dāng)輸出電壓較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。〇圖2-47805管腳圖本次設(shè)計(jì)采用的是12MHZ的晶振，電路圖如下圖2-5所示：圖2-5晶振電路定性較高，按照一般經(jīng)驗(yàn)，外接晶體時(shí)兩個(gè)電容的取值為30pF;外接陶瓷振蕩在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖(2可靠的復(fù)位在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST引腳保持4ms以上的高電平，只要RST保持高電平，STC89C52單片機(jī)就會(huì)循環(huán)復(fù)位；當(dāng)RST從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)就從0000H地址開始執(zhí)行程序，在單片機(jī)復(fù)位的有效期間，ALE、PSEN引腳輸出高電平。本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，其電路圖如下圖2-6:圖2-6復(fù)位電路1.手動(dòng)復(fù)位：按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)能夠復(fù)位。2.上電復(fù)位：系統(tǒng)上電時(shí)，隨著Vcc電壓由OV增加到5V,電容C的上極板電位隨之增加。按電壓隨著電流方向逐漸降低的原則，電流的出現(xiàn)會(huì)在R2端形成一個(gè)大于0的電位。由于電容充電逐漸飽和，所以電流會(huì)逐漸減小。該電位的大小和持續(xù)時(shí)間將影響系統(tǒng)能否上電復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)RST管腳上有兩個(gè)機(jī)器周期是高電平時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)被復(fù)位。,機(jī)器周期=震蕩周期×12。所以，對于用12MHZ晶振的系統(tǒng)來說，使其復(fù)位的時(shí)間t應(yīng)滿足條件：不考慮流入RST引腳的電流計(jì)算RST處的電位，該電路就是一階RC電路。電容兩端暫態(tài)電流和電壓的關(guān)系如下：設(shè)RST處電壓為Ug(1),那么Ug(t)=VU。(t),所以當(dāng)Ug(t)=3.4V時(shí)，t=0.357RC。當(dāng)且僅當(dāng)t=0.357RC≥2us時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)復(fù)位，即滿足條件RC≥5.6×10°。所以采用R2=51kQ,C7=1μF。復(fù)位時(shí)間t=0.357RC=0.357×51×1=18.2us>2us,符合要求。1.檢測電路A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的A/D即雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，它們通常帶有自動(dòng)較零、七段碼輸出等功能。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，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片MCP3202,MCP3204,MCP3208就能滿足設(shè)計(jì)要求。本電路采用MCP3202,具體檢測電路見圖2-7。11P1.0/T22P1.1/T2EX3456圖2-7檢測電路7842此部分選用MCP3202進(jìn)行電壓模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。具有12位分辨率，轉(zhuǎn)換精度高，本設(shè)計(jì)使用MCP3202的單通道輸入，使檢測電壓Ui經(jīng)CH1輸入轉(zhuǎn)換器將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字編碼送入單片機(jī)。2.MCP3202簡介MCP3202是一款具有片上采樣和保持電路的12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。的簡單串行接口與器件通行。器件在5V和2.7V工作電壓下的轉(zhuǎn)換率最高分別為100ksps和50ksps。它的工作電壓為2.7~5.5V。其管腳圖如圖2-7所示。各管腳功能見表2-8。8765234圖2-8MCP3202管腳圖表2-1引腳功能表名稱功能+2.7V至5.5V電源和參考電壓輸入通道0模擬輸入通道1模擬輸入串行時(shí)鐘串行數(shù)據(jù)輸入串行數(shù)據(jù)輸出片選/關(guān)斷輸入該電路是由一個(gè)數(shù)碼顯示管、譯碼器和一個(gè)反相器組成的。能夠?qū)崿F(xiàn)顯示三位電壓的功能。1.顯示電路本設(shè)計(jì)的顯示電路如圖2-9所示。LED顯示器是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。雖然LCD具有零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等優(yōu)點(diǎn)，但成本相對較高，戶外亮度不及LED的。所以本設(shè)計(jì)選用LED顯示器。又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求顯示三位數(shù)值，選擇靜態(tài)顯示器既費(fèi)資金，又復(fù)雜工藝，所以選用三位動(dòng)態(tài)顯示器。這里選用共陰顯示器，是為了與譯碼器配合使用，是電路更簡單，可行。由于數(shù)碼管顯示時(shí)需要的電流I。為5-20mA,所以限流電阻應(yīng)該為：圖2-10LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管顯示器的BCD碼—七段碼譯碼圖2-1274HCO4引腳圖第三章軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程如下：開始時(shí)首先初始化單片機(jī)，使數(shù)碼管顯示為“0.00”,然后等待定時(shí)器時(shí)間到，定時(shí)器中斷時(shí)調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序啟動(dòng)MCP3202。單片機(jī)讀取檢測電壓。再將所測電壓的數(shù)字量經(jīng)譯碼后送至數(shù)碼管顯示，此時(shí)LED數(shù)碼管顯示的就是干電池的電壓值。具體流程圖見圖3-1。系統(tǒng)初始化定時(shí)器初始化定時(shí)器中斷是否到達(dá)啟動(dòng)A/D采集電壓顯示當(dāng)前電壓圖3-1程序流程圖本設(shè)計(jì)的軟件程序見附錄2。第四章調(diào)試與仿真TriscendE5Driver初始化文JDT8052XDriver加載代碼到仿真器?運(yùn)行到圖4-2仿真電路圖如圖4-3所示。圖4-3仿真程序設(shè)置e.設(shè)置或改變輸入電壓的值如圖4-4,觀察仿真結(jié)果。圖4-4輸入電壓設(shè)置第五章結(jié)論與心得我覺得本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是不斷地搜索資料，通過多種途徑查閱資料，我從圖書館借了有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用和仿真的機(jī)的多種類型，如：51單片機(jī)、61單片機(jī)、AVR單片機(jī)等等。雖然說它們的類型不同，但其編程的思想方法是基本一致的。我采取時(shí)間最長的搜索途徑是利用網(wǎng)絡(luò)。是的，我感覺網(wǎng)絡(luò)對我的學(xué)習(xí)太重要了，在工控網(wǎng)中有大量的單片機(jī)編程本論文通過參閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，了解現(xiàn)有數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)原理和發(fā)展方向，在總結(jié)了前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)為來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)中為了節(jié)省單片機(jī)的端口資源，采用了LED動(dòng)態(tài)顯示器。在電路制作中，嚴(yán)格按照布線規(guī)則進(jìn)行布過反復(fù)調(diào)試，各硬件電路的參數(shù)已經(jīng)確定，系統(tǒng)軟件程序也調(diào)試完成，系統(tǒng)各項(xiàng)通過本課題的研究，從原理圖的設(shè)計(jì)到仿真圖的繪制、從實(shí)際硬件電路的搭淺，為我以后的工作奠定了基礎(chǔ)。[10]王建校，楊建國等.5