简易数字电压表设计--毕业论文.doc
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1、宁夏大学新华学院 本科毕业设计(2017届)题 目 简易数字电压表设计 系 别 专 业 年 级 学生学号 学生姓名 指导教师 年 月 日宁夏大学新华学院本科学位论文摘 要一个测试结果稳定、准确的数字电压表,既能减少了使用者的工作量,又提高了测量的精准度,而且人为误差被大大减小,方便与电路打交道的人快速有效的完成自己的工作。本项目设计并实现了一个能够对0-200V范围的直流电压进行测量的数字电压表,显示部分小数点自动实现切换。项目基于AT89C51单片机,拓展AD转换、显示部分。不同档位的待测电压通过不同档位的衰减电路后变为0-200mV,再通过一个OPA336一致放大到0-2V送入AD的输入端
2、,然后通过芯片AT89C51内的程序控制AD转换并输出。不同档位的电压信号又不同的程序控制输出到数码管显示。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强,连线简单易于实现,而且成本很低,测出的电压精度也足够满足需求。关键词: 数字电压表;AT89C51单片机;A/D转换IAbstract A stable and accurate test results of the digital voltmeter, which can reduce the user workload, and improve the measuring precision, and human error is greatl
3、y reduced, easy to deal with circuit quickly and effectively complete their work. This project was designed and implemented a to the range of 0-200 - v dc voltage measurement of digital voltmeter, shows part of the decimal point automatically switch. Project based on AT89C51 and expand the AD conver
4、sion, display part. Different gear after attenuation circuit of the voltage through different gear under test into a 0-200 mv, then through a consistent OPA336 amplification to 0 to 2 v into the input end of the AD, and then through the procedure in the chip AT89C51 control AD conversion and output.
5、 Different gear voltage signal and program control output to the digital tube display. The circuit design, powerful, strong scalability, attachment simple and easy to implement, and the cost is low, measured voltage precision is enough to meet demand.Key words: Digital voltmeter; AT89C51; A/D conver
6、sionII目 录第1章 前言1.1 概述1.2 系统设计目标1.3 可行性方案1.4 系统总体设计第2章 系统硬件设计与实现2.1 AD转换部分设计2.2 ADC0809芯片介绍2.3芯片及显示部分设计第3章 系统的软件设计3.1数字电压表功能模块3.2软件部分的实现第4章系统测试与结果分析致谢参考文献附录第1章 前言 电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中,只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素,几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。此外,许多参数,例如频率特性、谐波失真度、调制
7、度等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量,也包括非电量测量的基础。电压是基本的电参数,其它许多电参数可看作电压的派生量,由于电压测量方便,因此电压测量是电子测量中最基本的测量。按测量结果的显示方式可将电子电压表分为模拟式和数字式两大类。数字式电压表的核心是A/D转换器,A/D转换器最基本的两种类型是积分型和比较型。前者抗干扰能力强,测量精度高,但测量速率低;后者测量速度快,但抗干扰能力差。总的来说,积分型特别是双斜积分式DVM性能较优,应用较广泛。数字电压表除具有一般的所具有的准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性等
8、优点,因而体积小,可靠性好,操作简便,由于数字电压表具有上述这些优点,使得它获得越来越广泛的应用。使用数字万用表的注意事项:(1)要注意该电压表的量程,切误测量比额定值大。(2)电压表使用或存放应避免高温、寒冷、阳光直射、高湿度及强烈振动环境。1.1 概述 数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM,它是利用模拟/数字变换器(A/D)原理,以十进制数字形式显示被测电压值的仪表。DVM除了广泛用于电压测量外,通过各种变换器还可以测量其他电量或非电量,用途十分广泛。DVM的高速发展,使它已成为实现量程自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。而
9、高准确度直流DVM的出现,又使DVM进入了精密标准测量领域。DVM广泛应用在测量领域中,其测量结果的准确度和可信度取决于它结构主要性能和技术指标。评价某种DVM性能的优劣,产品质量是否合格,是否满足技术指标的要求,必须通过正确的鉴定和测试结果才能分析判断出来。传统的指针式电压表功能单一,精度底,读数不方便,不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表,具有精度高,抗干扰能力强,可扩展性强等优点。现今,由各种单片A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛用于电子及电工测量,工业自动化仪表,自动测试系统等智能化测量领域,展示了强大的生命力。而且,由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器,也把电
10、量及非电量测量技术提高到新的水平。本设计中电压表可以测量直流电压测量范围(0200V)共分四档:200mv、2v、20v、200v,并且通过4位LED数码管三位半显示其数值。 所谓三位半的三位是指可以显示09的十个数字,称作全位。千位数最大显示为1(小于1时消隐),这位在理论上讲最大能显示2,比如在2V挡,最大显示应该是2.000,但实际显示1.999,和理论值还差一。那么这位理论值最大应该显示2,而实际只能显示1,就叫做1/2位。理论值为分母,实际显示最大值为分子。根据数字电压表的功能实现要求,选用AT89C51单片机作控制系统,由ADC0809实现AD转换功能,放大器选用OPA336实现放
11、大10倍的功能。在保证送入A/D的电压为2V的等效电压时,利用AD还可以较精确地测出其值。因为对不同电压档位采用不同的端口和程序控制,所以可以大大减小电路的要求,更利于实现。1.2系统设计目标本项目要求设计并实现一个数字电压表的装置,该装置能够对0-200V范围的直流电压进行测量。输入为模拟直流电压,输出为数字量,并在必要的辅助输出显示设备上显示。同时具有正、负电压极性显示,小数点显示。能判读并显示被测量信号超出所选择的量程范围。并根据不同的量程能自动调整小数点。 数字电压表测量范围0-200V,能将被测的模拟直流电压在显示设备上显示出来。数字电压表以基本量程为基础,同时设计衰减器进行量程的扩
12、展。 具有位(三位半)显示:有3位完整的显示,另外最高位只显示0或1。能够判读并显示被测电压的极性。测量速度为25 次/秒,分辨率为0.1mV,测量误差gIN-0口。 电压经过衰减和放大后进入IN-0口进入AD,然后芯片AT89C51的P3.0,P3.1,P3.2分别控制转换开始和转换结束后数据允许输出。 1路模拟信号进入IN-0量化转换为8路数字量。 如AD转换输入为A,则输出电平为8位二进制数(对应十进制B)B = A*255/5; 实际显示到数码管:C = B*5/255。(显示代码处理常乘以1000,然后适当加上小数点用以数码管输出显示) 2.1 ADC0809芯片介绍ADC0809是
13、带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、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。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809的内部逻辑结构ADC0809引脚结构图IN0IN7:8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是05V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过
14、程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线:4条 ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。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。地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ST为转换启动信号。当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。EOC
15、为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1,输出转换得到的数据;OE0,输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ。 VREF(),VREF()为参考电压输入。 (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
16、100ns宽的正脉冲信号。 (5)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。2.3 芯片及显示部分设计芯片为整个硬件设计的核心,烧录进芯片的代码既负责控制AD的转换和AD量化的数字电压信号的输出,还负责数字电压信号的处理和输出到数码管显示的控制,所以做好与芯片部分有关的设计十分关键。4位位选信号8位段选信号档位标志位AD转换和输出控制连接AD的8位输出电平上面的显示部分采用4合1的8段数码管。单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别与数码管的a、b、c、d、e、f、g、
17、dp相连接,芯片的P2口提供数码管的段码;单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3与四位八段数码管的选位输入D1、D2、D3、D4相连接,芯片的P0.0P0.3提供位选信号,用单片机P0.0、P0.1、P0.2、P0.3控制P2口输出到四位LED的相应位。AT89C51的几个I/O口连线很清楚,将AD模块和数码管模块连接起来,并且利用其中的程序起到了一个总的控制和存储作用,也使得电路大大简化。2.4 AT89C51单片机的介绍AT89C51是美国ATM公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes的随机存取数
18、据序存器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度/非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元,AT89C51单片机为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活行高且价廉的方案。管脚排布如图2-2所示。4K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) 全静态工作:0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线图2-2 AT89C51管脚排列两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路
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