基于单片机的数字电压表设计(16页).doc

-基于单片机的数字电压表设计-第 13 页广东技术师范学院天河学院PLC课程设计报告基于单片机的数字电压表设计系 别 电气工程系 班 级 本自动化 学 号 学生姓名 指导老师 组 员 2012年6月摘要：本文介绍的是数字电压表的发展背景和利用单片机，A/D转换芯片结合的方法设计一个直流数字电压表。它的具体功能是：最高量程为500V，分三个档位量程，即5V，50V，500V，可以通过调档开关来实现各个档位，然后通过四位数码管将被测数据加以显示。目录一、 数字电压表简介-1二、 数字电压表设计两种方案简介-11. 由数字电路及芯片构建-22. 由单片机系统及A/D转换芯片构建-2三、 本设计单片机的选择-31. 本设计使用的单片机的简介-3四、 各种显示器件的介绍和选择-31. 常用显示器件简介-32. 数码管的参数资料-4五、模数（A/D）转换芯片的选择-6 1. 常用的A/D芯片简介-6 2. 模数（A/D）芯片AD0808的资料-6六总体设计-8七硬件电路系统模块的设计-10八、系统软件的设计-14 1. 程序设计-14九总结-18参考文献-18一数字电压表简介：如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种：1 按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。2 按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3 按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。4 按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的，是一种必不可少的电子测量仪表。二数字电压设计两种方案简介：设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。1由数字电路及芯片构建。 这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。很难将其在原有的基础上进行扩展。2由单片机系统及A/D转换芯片构建。这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种设计方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足。三本设计单片机的选择1. 本设计使用的单片机的简介本设计中选用是51系列的AT89C52，它是低电压、低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路，并与MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将A/D转换器、显示器和语音芯片等通过I/O口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现册电压的功能。四各种显示器件的介绍和选择1常用显示器件简介本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。在本设计中，我们只需要显示电压的数字值，综合上面各种显示器件的特点：点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相对也较多，不是理想的显示器件。另外，选择液晶显示的话，液晶相对价格比数码管贵的多，故本设计选用数码管。2数码管的参数资料我们选择了A5461AH数码管做为本设计的显示模块的显示器件。以下是A5461AH数码管的各方面参数：A5461AH 四位共阴数码管引脚图详解图1 A5461AH 四位共阴数码管内部逻辑图图2 A5461AH 四位共阴数码管实物引脚图图3 A5461AH 四位共阴数码管封装图显示字形gfedcba段码001111113fh1000011006h210110116bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fhA111011177hB11111007chC011100139hD10111105ehE111100179hF111000171hfbdpdecga五模数（A/D）转换芯片的选择在本设计中，模数（A/D）转换模块是一个重要的模块，它关系到最后数电压表电压值的精确度。所以，A/D芯片的选择是设计过程中一个很重要的环节。1常用的A/D芯片简介常用的A/D芯片有AD0832， AD0809等几种。下面简单介绍一下这两种芯片。AD0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。AD0808是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。综合上述几种A/D转换芯片的特点，而且ADC0808芯片我们学过，故在本设计中，我们选用ADC0808芯片。2模数（A/D）芯片AD0808的资料综合本设计的各方面考虑，我们选了AD0808模数转换芯片。下面就介绍此芯片的各方面资料。AC0808芯片的封装引脚图和引脚说明如下：内部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。引脚功能（外部特性）ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端11（Vcc）：主电源输入端。13（GND）：地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路地 址选中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 通道选择极限参数电源电压（Vcc）：6.5V控制端输入电压：-0.3V15V其它输入和输出端电压：-0.3VVcc+0.3V贮存温度：-65+150功耗（T=+25）：875mW引线焊接温度：气相焊接（60s）：215；红外焊接(15s)：220抗静电强度：400V输出端注意out7为最低位-out0为最高位，out7-out0分别接单片机的P0.0到P0.7端。六总体设计1技术要求：1） 最高量程为：500V。2） 分为三档量程：5V，50V，500V。可以通过调档开关实现各档位。最高精度为0.019v。2设计方案：根据上述，我们选择单片机与A/D转换芯片结合的方法实现本设计。使用的基本元器件是：AT89C51单片机，AD0808模数转换芯片，数码管显示器，开关，按键，电容，电阻，晶振，标准电源等等。设计的系统流程图如下： Start系统初始化数码管初始化OE=1？AD转换EOC=1？NYY转换结果单片机接受数据数码管显示StopNStart电压量程选择选择500V显示小于50V？选择50V显示小于5V？选择5VStopNYY 七硬件电路系统模块的设计根据上述选择的各元器件，各电路模块的电路图如下描述。1单片机系统单片机最小系统包括晶振电路，复位电路，电源。其原理图如下： 此模块中，单片机的晶振是12MHZ，C1和C2的电容是10UF，C3可选1-10UF。R1电阻为1K。2输入电路由于输入电路的电压比基准电压（5V）高很多，因此在输入电路必须加电压分压器。分压电路可由开关来选择不同的分压率，从而切换档位。则完整输入电路如下： 通过计算，可知设计分压用的电阻R2，R3和R4分别为：90K，9K，1K控制档位的开关是双开关的，目地是能够使单片机CPU自动识别档位，即可用相应的档位的数据转换的算法计算出正确的电压值。被测电压输入端、整理过的模拟电压输入端，开关与单片机的连接如图所示。3A/D转换芯片与单片机的连接此设计中选择的是A/D转换芯片的通道0，数据输出口连接单片机的P1口，芯片START与ALE相连且连接单片机的P3.0口，数据允许输出段OEL连到单片机的P3.1脚，EOC连到其P3.2脚脉冲端连到作为寄存器74LS74芯片的Q脚再由其CLK连接到单片机的P3.3口。模块连接如下图所示。4数码管与单片机连接此数码管的字形口与单片机的P1口相连，字位口与单片机的P2.0P2.3脚相连具体如下图所示。5.量程选择显示 电压量程由发光二极管显示6.总电路图八系统软件的设计1程序设计#include <AT89X52.H> unsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; unsigned char dispbuf8=10,10,10,10,10,0,0,0; unsigned char dispcount; unsigned char getdata; unsigned int temp; long int i,j; unsigned int R1; sbit ST=P30; sbit OE=P31; sbit EOC=P32; sbit CLK=P33; sbit D=P24;sbit E=P25;sbit F=P26;void dellay(unsigned int h) while(h-); /0.01MSvoid main(void) ST=0; OE=0; ET0=1; ET1=1; EA=1; TMOD=0x12; TH0=216; TL0=216; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; TR1=1; TR0=1; ST=1; ST=0; while(1) if(EOC=1) OE=1; getdata=P0; OE=0; i=getdata*196; dispbuf0=i/10000; i=i%10000; dispbuf1=i/1000; i=i%1000; dispbuf2=i/100; i=i%100; dispbuf3=i/10; ST=1; ST=0; void t0(void) interrupt 1 using 0 /定时器0 中断服务 CLK=CLK; void t1(void) interrupt 3 using 0 /定时器1 中断服务 TH1=(65536-6000)/256; TL1=(65536-6000)%256; P2=0xff; P1=0; dellay(80); P1=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitcodedispcount; if(D=1&&E=1&&F=1) while(1) P2=dispbitcodedispcount; P1=0x3f; dispcount+; if(dispcount=4) dispcount=0; if(D=0|E=0|F=0) break; if(D=0&&E=1&&F=1&&dispcount=0) P1=P1 | 0x80; if(D=1&&E=0&&F=1&&dispcount=1) P1=P1 | 0x80; if(D=1&&E=1&&F=0&&dispcount=2) P1=P1 | 0x80; dispcount+; if(dispcount=4) dispcount=0; 九总结单片机作为我们的主要专业课之一，虽然在开学初我对这门课并没有什么兴趣，觉得那些程序枯燥乏味，但在这次课程设计后我发现自己在一点一滴的努力中对单片机的兴趣也在逐渐增加。作为一名自动化专业的大三学生，我觉得做单片机课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。 此次单片机课程设计，我选择了电压测量这个基本的设计，虽然设计简单，但是所有的知识点都应用在设计中。确定课设内容后，我查找大量相关材料，然后知识汇总，把有关课题的内容经过对比与分析，最后来完成课设。参考文献1） 刘剑 51单片机开发与应用基础教程（C语言版）中国电力出版社，20122） 楼然苗 单片机课程设计指导 北京航空航天大学出版社，2007