数字电压表课程设计 (1).docx

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1、数字电压表课程设计 (1) 题目：数字电压表 学生姓名 学院电气工程学院 指导老师彭世林 专业微机技术与原理 答辩日期 目录 摘要 (1) 第章概述 . 错误！未定义书签。 1.1研究背景 (2) 1.2 设计思想及基本功能 (3) 第章总体方案设计 (3) 2.1 方案选取 (3) 2.2 系统框图 (4) 第章硬件电路设计 (4) 3.1 电源电路设计 (4) 3.1.1 7805概述 (4) 3.1.2 电源电路 (4) 3.2 晶振电路 (5) 3.3 复位电路 (6) 第章系统软件设计 (12) 4.1 主程序流程图 . (12) 第5章总结 (12) 5.1 程序编译 (12) 5

2、.2 仿真结果 (16) 参考文献 致谢 摘要 在电路设计中我们时常会用到电压表，过去大部分电压表还是模拟的，虽然精度较高但模拟电压表采用用指针式，里面是磁电或电磁式结构，所以响应较慢。为适应许多高速信号领域目前已广泛使用数字电压表。该系统采用AT89C52单片机作为控制核心，以ADC0808为数据采样系统，实现被测电压的数据采样；使用系列比较器检测输入电压的范围，并通过继电器阵列实现了输入量程的自动转换；使用共阴极数码管显示被测电压。 关键词：AT89C52单片机、电压检测、ADC0808模数转换 第章概述 1.1 研究背景 数字电压表出现在上世纪50年代初，60年代末发张起来的电压测量仪表

3、，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后通过显示器件显示。这种电子仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用推广到系统的自动控制信号的实验领域，提出了各种被观测量或被控制量转换成数字量的要求，即为了实时控制和数据处理的要求；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的发展，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐与陈旧方式也促进了它的飞速发展。如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。 如今，数字电压表已经绝大部分取代了传统的模

4、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，读数的时候非常不方便还经常出错，而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛应用与电子和电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等领域。显示出强大的生命力。 数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度较慢，体积重达几十公斤。继之出现了谐波式电压表，它的速度方面稍有提高但准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，它不仅保持了比较是准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点就是抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响，随后

5、，在谐波式的基础上双引申出阶梯波式，它的唯一进步就是成本降低了，可是准确度，速度及抗干扰能力都未提高。而数字电压表的发展已经非常成熟，就原理来讲，它从原来的一两种已经发展到多种，在功能上讲，它从测单一的参数发展到能测多种参数；从制作原件看，发展到集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度已经达到1NV，读数速度达到每秒几目万次，而相对以前价格已经降低了很多。 前实现电压数字化测量的方法仍然是模数（A/D）转换的方法。数字电压表分类繁多，日常生活中一般根据原理的不同进行分类，大致分为：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 量的测量最经常

6、。而且随着电子技术的发展，更是需要经常测量高精度的电压，所以数字电压就成为必不可少的测量仪器。另外，数字测量仪器具有读数准确方便，精度度高，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量速度快等特点倍受用户亲睐，数字电压表的设计就基于这种需求发展起来。 本设计将用AD转换芯片ADC0808对模拟信号进行转换，AD转换芯片ADC0808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。AD转换芯片ADC0808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。然后再通过对单片机AT89SC52进行软件编程，使单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过一定的算法计算算出被测量电压值，最后驱动数

7、码管进行电压显示。 1.2 设计思想及基本功能 简易数字电压表可以测量范围0至5伏范围内的8路输入电压值，并在4位LED数码管上轮流显示或选择显示。其测量最小分辨率为0.02V。本系统主要包括四大模块：数据采集模块、控制模块、显示模块、A/D转换模块。绘制电路原理图与工作流程图，并进行调试，最终设计完成了该系统的硬件电路。在软件编程上，采用了汇编语言进行编程，开发了显示模块程序、通道切换程序、A/D 转换程序。 实现功能 1对被测电压量的采集; 2通过A/D转换器将模拟量转换为数字量; 3通过89C51单片机驱动数码管显示出电压值. 第2章总体方案设计 2.1 方案选取 方案1：选用单片机AT

8、89C52和A/D转换芯片ADC0808实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。 方案2：选用专用转化芯片INC7107实现电压的测量和实现，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。 基于课程设计的要求和已经买有AT89C52芯片，我选用了：方案1。 2.2 系统框图 将数据采集接口电路输入电压传入ADC0809数模转换元件，经转换后通过 OUT1至OUT8与单片机P0口连接，把转换完的模拟信号以数字信号的信号的形式传给单片机，信号经过单片

9、机处理从LED 数码显示管显示。P3实现通道选择，P2口接数码管位选，,P1接数码管，实现数据的动态显示。 如下图所示： 2.3软硬件开发环境 硬件选择：选择AT89C52作为单片机芯片，选用8段LED 数码管实现电 压显示，利用ADC0808作为数模转换芯片，利用P0至P4的各个串口来进行不同设备间的连接，计算机进行汇编，ISIS 7 Professional 仿真器等。 软件开发环境： 用Protel99SE 软件画电路图 。 第3章 硬件电路设计 3.1 电源电路设计 3.1.1 7805概述 7805是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即 可以输入一个直流稳压电源,

10、它的输出电压为5v 。 7805引脚图 Vin 1G N D 2 Vout 3 U? VOLTREG 其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的正5V 输出电压了 。 3.1.2 电源电路 T1 TRANS1C1 EL ECT RO1C4 10uF VD3 DIODE VD4 DIODE VD5 DIODE VD2 DIODE VD1 DIODE C20.33uF C30.1uF 123 J? 78 GND + -u1 + -U + -u2 + -U1 基本参数： 输出电压：4.75-5.25V ；静态电流：4.2-8mA ；输出噪音电 压：40uV ；纹波抑制比：

11、78dB ；输出电阻：17m ；输出电压温度系数-1.1mV/C ； 3.2 晶振电路 C 1 30pF C 2 30pF X 1 C RY ST AL 电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过 基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片 机发出时钟信号。 晶振电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，使用晶体震荡器时，c2,c3取值2040PF ，使用陶瓷震荡器时c2,c3取值3050PF 。在设计电路板时，晶振和电容应尽量靠近芯片，以减小分布电容，保证震荡器的稳定性。18

12、引脚接XTAL1，19引脚接XTAL2，20引脚接地。 XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS 单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的 机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V 左右的正弦波，以便

13、使MCS-52片内的OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC 的输出时钟频率fOSC 为0.5MHz-16MHz ，典型值为12MHz 或者11.0592MHz 。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF ，调节它们可以达到微调fOSC 的目的。 3.3 复位电路 R1 1k C3 22pF +5 复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H ，然后继续从0000H 单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后

14、还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。 其中，R1选择1k ，C3选择22pF 。 3.4 A/D 转换电路 A/D 转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。在选择A/D 转换时，先要确定A/D 转换精度、转换速度以及转换位数等，A/D 转换的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，在数字电压表设计中采用了8位A/D 转换器ADC0808。 IN026IN127IN228IN31IN42IN53IN64IN75A DD A 25A DD B 24A DD C 23A LE 22V RE F(+)12V RE F(-) 16

15、 O E 9 O UT 8 17 O UT 714O UT 615O UT 58O UT 418O UT 319O UT 220O UT I 21EO C 7ST AR T 6C LO CK 10 C ?C AP ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D 转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D 转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D 转换。 引脚功能（外部特性） ADC0808芯片有28条

16、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。 A ， B 和 C 为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 6（START）：AD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）：AD转换结束信号，输出，当AD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

17、AD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. ADC0809应用说明 （1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）

18、是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 ADC0808与AT89C52连接示意图： 3.5 AT89C52单片机介绍 P0.0/A D 039P0.1/A D 138P0.2/A D 237P0.3/A D 336P0.4/A D 435P0.5/A D 534P0.6/A D 633P0.7/A D 732P2.0/A 821P2.1/A 922P2.2/A 1023P2.3/A 1124P2.4/A 1225P2.5/A 1326P2.6/A 1427P2.7/A 1528P3.0/R X D 10P3.1/T

19、 XD 11P3.2/IN T012P3.3/IN T113P3.4/T 014P3.5/T 115P3.6/W R 16P3.7/A D 17 P1.7 8 P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.1/T 2EX 2P1.0/T 21EA 31 A LE 30PS EN 29R ST 9 X TA L2 18 X TA L1 19 AT89C52是一种低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含有8KB 的可反复写的只读程序存储器和256KB 的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL 公司高密度、非易失性存储器技术制造兼容MCS-51 产品指令系统。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和Flash 存储单元，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 a.主电源引脚 Vss-(20脚)：地线 Vcc-(40脚)：+5V 电源 b.外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1-(19脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，此脚应接地。 XTAL2-(18脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，外部信号由此脚输入。