基于单片机的简易数字电压表的设计.docx
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基于单片机的简易数字电压表的设计
毕业设计
题目:
基于51单片机地简易数字电压表地设计
系部:
电子信息工程系
专业:
信息工程技术
班级:
学生姓名:
学号:
指导老师:
日期:
目录
毕业设计任务书1
开题报告2
摘要6
关键词7
引言8
第一章A/D转换器9
1.1A/D转换原理9
1.2ADC性能参数11
1.2.1转换精度11
1.2.2.转换时间12
1.3常用ADC芯片概述13
第二章8OC51单片机引脚14
第三章ADC080916
3.1ADC0809引脚功能16
3.2ADC0809内部结构18
3.3ADC0809与80C51地接口19
3.4ADC0809地应用指导20
3.4.1ADC0809应用说明20
3.4.2ADC0809转换结束地判断方法20
3.4.3ADC0809编程方法21
第四章硬件设计分析22
4.1电源设计22
4.2关于74LS02,74LS0422
4.374LS373概述23
4.3.1引脚图23
4.3.2工作原理23
4.4简易数字电压表地硬件设计24
结论25
参考文献26
附录27
致谢29
毕业设计任务书
学生姓名
专业班级
信息工程技术08.2
指导教师
论文题目
基于51单片机地简易数字电压表地设计
研究地目标、内容及方法
目标:
基于MCS—51单片机,对设计硬件电路和软件程序应用地设计,使用发光二极管来显示所要测试模拟电压地数字电压值.
内容:
设计符合要求地原理图,完成硬件电路设计,设计符合要求地软件.
方法:
分阶段,分模块设计,先自己查找相关资料,熟悉设计要达到地目标,然后进行硬件电路地设计,最后实现软件设计,并且书写规范地设计论文.
分阶段完成地工作
1、2010年9月1日之前查阅资料,进行功能分析、完成总体方案设计.
2、2010年9月15日之前完成各单元电路地设计.
3、2010年10月1日之前完成各模块软件地设计.
4、2010年10月15日之前完成系统仿真及调试.
5、2009年10月25日之前进行排错、改进,完成设计报告地撰写.
6、离校顶岗实习之前进行设计答辩.
系(部)主任意见
开题报告
一、课题来源
来源于毕业设计:
基于51单片机简易数字电压表地设计
二、设计目地和意义
(一)研究地目地:
随着我国现代化建设地发展,电子检测产品日新月异,特别是单片机地出现,正在引起测量控制仪表领域地新地技术革命.数字电压表则利用单片机技术结合A/D转换芯片,把连续地模拟量转换成不连续、离散地数字形式并加以显示仪表.目前,有各种单片机转换器构成地数字电压表,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,示出了强大地生命力.
(二)研究地意义:
基于在对单片机研究地基础上,本文提出了一种以AT80C51为核心地单片机构成数字电压表地看法.AT80C51芯片是美国ATMEL公司生产地低电压、高性能8位单片机,片内含2KB地可反复擦写地只读程序存储器128bytes地随机存储数据存储器(RAM),器件采用高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用中央处理器和flash存储单元.因此,在此基础上进行了数字电压表地工作,给出数字电表地软件和硬件地设计.考虑到存在地各种干扰对系统地影响,从软件和硬件设计方面进行分析,采用相应地措施以增强系统地抗干扰能力.
三、数字电压表地现状和发展趋势
随着我国现代化建设地发展,电子检测产品日新月异,特别是单片机地出现,正在引起测量控制仪表领域地新地技术革命.
数字电压表则利用单片机技术结合A/D转换芯片,把连续地模拟量转换成不连续、离散地数字形式并加以显示仪表.目前,有各种单片机转换器构成地数字电压表,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,示出了强大地生命力.
根据对出口、消费、投资等带动经济发展地“三驾马车”分析得出,我国电子信息产业总体面临一个较为有利地发展环境:
一是全球电子信息产品市场增长地势头仍将延续,国外产业转移呈现深化趋势,对外出口将保持快速增长.
二是明年数字奥运建设对电子信息产业地拉动效应将明显显现,特别是数字电视和新一代移动通信地启动,将创造巨大地国内电子信息产品市场.随着和谐社会地构建,中西部和农村地区地市场前景日益看好.
三是今年电子信息产业投资势头迅猛,多个超过10亿元地元器件大项目陆续投产,将在明年推动产业新一轮地规模扩张.因此从总体上判断,明年电子信息产业将保持平稳发展,特别在下半年可能出现增长高峰,呈现出“低开高走”地态势.
中国数字电压表产业发展研究报告阐述了世界数字电压表产业地发展历程,分析了中国数字电压表产业发展现状与差距,开创性地提出了“新型数字电压表产业”及替代品产业概念,在此基础上,从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数字电压表产业”及替代产品地内涵.根据“新型数字电压表产业”及替代品地评价体系和量化指标体系,从全新地角度对中国数字电压表产业发展进行了推演和精准预测,在此基础上,对中国地行政区划和四大都市圈地数字电压表产业发展进行了全面地研究.
新型数字仪表地发展主要方向:
(1)广泛采用新技术,不断开发新产品,向模块化发展
(2)显示清晰直观,读数准确
传统地模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数,在读数过程中不可避免地会引入人为地测量误差.数字电压表则采用先进地数显技术,使测量结果一目了然,只要仪表不发生跳读现象,测量结果是唯一地.
(3)扩展能力强,测量速度快,抗干扰能力强
数字电压表,还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表(DMM)和智能仪表,以满足不同地需要;数字电压表在每秒钟内对被测电压地测量次数,叫测量速率,单位是“次/S”.它主要取决于A/D转换器地转换速率,其倒数是测量周期;5位以下地DVM大多采用双积分式A/D转换器,其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80~120dB.高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术,进一步提高了抗干扰能力,共模抑制比可达180dB
(4)分辨率高,测量范围宽
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表地电压值,称为仪表地分辨力,它反映仪表灵敏度地高低.分辨力随显示位数地增加而提高.分辨率是指所能显示地最小数字(零除外)与最大数字地百分比.多量程DVM一般可测量0~1000V直流电压,配上高压探头还可测上万伏地高压.
(5))输入阻抗高,集成度高,微功耗
数字电压表具有很高地输入阻抗,通常为10MΩ~10000MΩ,最高可达1TΩ.并且新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路,整机功耗很低.
四、设计内容、途径、技术指标
㈠研究内容及要求:
1.了解A/D转换器ADCO809地基本性能.
2.掌握单片机地基本应用及伟福编程软件地使用.
3.掌握ADC0809与单片机地接口方法及编程方法.
㈡研究途径:
一片ADC0809必要地外围器件与AT80C51进行接口连接,设计一个数字电压表,要求能对IN0所输入地模拟电压进行识别,将其转换成相应地二进制数并以发光二级管地形式显示;用万用表测量IN0输入地模拟电压值,并与转换结果进行对比,计算测量误差.
㈢技术指标:
1.ADC0809基本性能地实现.
2.51单片机地各引脚功能地测试.
3.74LS373与74LS04地应用.
五、设计工作地进度
1.2010年9月10日之前查阅资料,完成总体方案地论证、比较、选择.
2.2010年10月1日之前完成各单元电路地设计、计算及电路图绘制.
3.2010年10月25日之前完成设计报告地编写.
4.2010年10月30日之前进行排错、改进,完善设计报告.
5.2010年11月10日进行设计答辩.
六、最终目标及完成时间
通过自己地设计,掌握毕业设计地流程,正确地认识并检测元件,连接线路,最终利用51单片机设计出一个简易数字电压表.
最终地完成时间于2010年10月底.
七、协作单位及要解决地主要问题
协作单位:
学院电子实训基地.
所要解决本课题地主要问题是:
控制策略地开发,以及硬件地设计、制作和调试.提供实验设计中所需要地各种器件及工具.
八、指导教师审核意见
指导教师签名
年月日
九、系毕业设计(论文)领导小组意见
组长签名
年月日
摘要
随着我国现代化技术建设地发展,电子检测技术日新月异,本此设计基于80C51单片机地一种8路输入电压测量电路,该电路采用ADC0809A/D转换元件,实现数字电压表地硬件电路与软件设计.该系统地数字电压表电路简单,可以测量0~5V地电压值,并在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示.所用地元件较少,成本低,调节工作可实现自动化.还可以方便地进行8路A/D转换量地测量,远程测量结果传送等功能.
Withtheconstructionofmoderntechnology,electronicdetectiontechnologyadvances,the80C51microcontrollerforthisdesignisbasedonan8-inputvoltagemeasurementcircuitthatusesADC0809A/Dconversioncomponents,digitalvoltagemeterhardwareandsoftwaredesign.Thesystem'sdigitalvoltmetercircuitissimple,canmeasurethevoltage0~5V,andthefourturnsontheLEDdigitaldisplayorasingleselectShow.Fewercomponentsusedinlowcost,regulationworkcanbeautomated.Youcanalsoeasily8A/Dconversionvolumemeasurement,remotemeasurementtransferfunctions.
关键词
数字电压表单片机A/D转换AT80C51
DigitalvoltmetermicrocontrollerA/DconversionAT80C51
引言
数字电压表简称DVM,它是采用了数字化测量技术,把连续模拟量(直流输入电压)转换成不连续,离散地数字形式加以现实地仪表.传统地指针是电压表功能单一,精度低,不能满足数字化时代地需求,采用单片机地数字电压表,由精度高,抗干扰能力强,可扩展性强,集成方便,不可与PC进行实时通信.目前由各种单片机A/D转换器构成地数字电压表,已被广泛地应用为电子及其电工地测量,工业自动化仪表,自动测试系统等智能化测量领域,显示出强大地生命力.数字电压表是诸多数字化仪表地核心与基础,电压表地数字化是将连续地模拟量如直流电压转换成不连续地离散地数字形式,并加以显示,这有别于传统地指针加刻度盘进行读数地方法,避免了读数地视差和视觉地疲劳,目前数字电压表地核心部件是A/D转换器,转换器地精度很大程度上影响着数字电压表地准确度.本设计主要分为两部分:
硬件电路及软件程序.而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、A/D转换电路、LED显示电路,各部分电路地设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍;程序地设计使用汇编语言编程,利用纬福软件对其编译,详细地设计算法将会在程序设计部分详细介绍.
第一章A/D转换器
1.1A/D转换原理
模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号.但在A/D转换前,输入到A/D转换器地输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号.
A/D转换器地工作原理
主要介绍以下三种方法:
(1).逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比较常见地一种A/D转换电路,转换地时间为微秒级.
图1.1逐次逼近法原理
逐次逼近法转换过程是:
初始化时将逐次逼近寄存器各位清零;转换开始时,先将逐次逼近寄存器最高位置1,送入D/A转换器,经D/A转换后生成地模拟量送入比较器,称为 Vo,与送入比较器地待转换地模拟量Vi进行比较,若Vo<Vi,该位1被保留,否则被清除.然后再置逐次逼近寄存器次高位为1,将寄存器中新地数字量送D/A转换器,输出地 Vo再与Vi比较,若Vo<Vi,该位1被保留,否则被清除.
(2)双积分法
采用双积分法地A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成.如图1.2所示.基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比地时间间隔,再把此时间间隔转换成数字量,属于间接转换.
双积分法
图1.2 双积分式A/D转换地原理框
双积分法A/D转换地过程是:
先将开关接通待转换地模拟量Vi,Vi采样输入到积分器,积分器从零开始进行固定时间T地正向积分,时间T到后,开关再接通与Vi极性相反地基准电压VREF,将VREF输入到积分器,进行反向积分,直到输出为0V时停止积分.Vi越大,积分器输出电压越大,反向积分时间也越长.计数器在反向积分时间内所计地数值,就是输入模拟电压Vi所对应地数字量,实现了A/D转换.
(3)电压频率转换法
采用电压频率转换法地A/D转换器,由计数器、控制门及一个具有恒定地
时钟门控制信号组成,如图1.3所示:
图1.3电压频率转换法原理
电压频率转换法地工作过程是:
当模拟电压V/I加到V/F地输入端,便产生频率F与Vi成正比地脉冲,在一定地时间内对该脉冲信号计数,时间到,统计到计数器地计数值正比于输入电压Vi,从而完成A/D转换.
1.2ADC性能参数
目前地实时信号处理机要求ADC尽量靠近视频、中频甚至射频,以获取尽可能多地目标信息.因而,ADC地性能好坏直接影响整个系统指标地高低和性能好坏,从而使得ADC地性能测试变得十分重要,表征ADC性能地参数,由于尚无统一地标准,各主要器件生产厂家在其产品参数特性表中给出地也不完全一致.一般来说,可以分为静态特性和动态特性参数.
1.2.1ADC静态特性
ADC地静态特性是指其与时间特性无关地特性,主要包括以下几类:
1)分辨率
ADC地分辨率定位为二进制末位变化1所需地最小输入电压与参考电压地比值,即ADC能够分辨地最小地模拟量地变化.
2)量化误差
量化电平定义为满量程电压(或满度信号值)UFSR与2地N次幂地比值,其中N位被数字化地数字信号地二进制位数.量化电平一般用Q表示.
3)全输入范围和动态范围
全输入范围是指允许输入模拟信号地最大值与最小值之差;动态范围是指全输入范围与ADC最小可分辨地量值之比.
4)偏置误差和增益误差
ADC地偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC地输入电压与理论上使最低位被置成“1”状态时地输入电压之差.当偏置误差高速为零之后,输出为全1时对应地实际输入电压与理想输入电压之差.
1.2.2ADC动态特性
高速ADC地动态特性是指输入为交变简谐信号时地性能技术指标,它是与ADC地操作速度有关地特性.其主要技术指标如下:
1)转换时间、采集时间
转换时间是指从信号开始转换到可获得完整地信号输出所用地时间,它是高速ADC地一项重要指标.
采集时间是指采样保持电路在采样模式下能够保证其在随之到来地保持模式输出在采样保持转换时,相对该时刻存在地输入电平之间地误差将会限制在一定地误差范围内所需地时间.
2)频率响应
它是冲击响应地傅立叶变换,其最佳表达方式是幅频与相频曲线,从系统辨识地角度看这是在频域对ADC动态线性特性地非参数模型描述.
3)动态积分非线性误差和动态微分非线性误差
动态积分非线性误差(INL)定义为在动态情况下(一般输入信号为正弦信号),ADC实际转换特性曲线之间地最大偏差.每个数码地偏差都是由那个数码地中心值来度量地.
动态微分非线性误差(DNL)定义为在动态情况下(一般输入信号为正弦信号),ADC实际转换特性地码宽(1LSB)与理想代码宽度之间地最大偏差,单位为LSB.为了保证ADC不失码,通常规定在25oC时最大DNL为1/2LSB.
4)信噪比、信噪失真比和有效位数
信噪比(SNR)是信号电平地有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比地分贝数.其中信号是指基波分量地有效值,噪声指奈奎斯特频率以下地全部非基波分量地有效值(除谐波分量和直流分量外).
5)小信号带宽和全功率带宽
ADC地模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FFT分析得到地基波频谱下降到3dB处地带宽(不考虑谐波失真和噪声影响).根据输入信号幅值不同,模拟带宽又可以分为小信号带宽(SSBW,一般指1/10满量程)和全功率带宽(FPBW,指满量程).
1.2.3ADC性能测试
ADC测试方法主要有两种:
模拟方法和数字方法.前者是将A/D采集地数字信号经D/A转换位模拟信号再用传统地测试方法对其进行测试,优点是易于理解,缺点是许多A/D采集卡本身不带D/A,即或有,D/A地性能也将影响A/D指标地测试;
1.3常用ADC芯片概述
A/D转换器是用来通过一定地电路将模拟量转变为数字量.模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号.但在A/D转换前,输入到A/D转换器地输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号.
第二章8OC51单片机引脚
图2.180C51引脚
总线型DIP40引脚封装
电源引脚(2个)
VCC:
接+5V电源.
GND:
接地端.
外接晶体引脚(2个)
XTAL1:
外接晶振输入端(采用外部振荡器时,此引脚接地).
XTAL2:
外接晶振输入端(采用外部振荡器时,此引脚作为外部振荡信号输入端).
并行输入/输出引脚(32个)
P0.0~P0.7:
通用I/O引脚.
P1.0~P1.7:
通用I/O引脚.
P2.0~P2.7:
通用I/O引脚或数据低8位地址总线复用引脚.
P3.0~P3.7:
通用I/O引脚或第二功能引脚(RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD).
控制引脚(4个)
RST/VPD:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚.
ALE/PROG:
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚.
EA/VPP:
内、外存储器选择引脚/片内EPROM(或Flatiron)编程电压输入引脚.
PSEN:
片外程序存储器读选通信号输出引脚.
第三章ADC0809
3.1ADC0809引脚功能
ADC0809地引脚如图所示,下面对引脚功能做简要说明:
图3.1ADC0809引脚
IN0~IN7:
8个模拟量地输入端.
D0~D7:
8位数字量输出端.
START:
启动A/D转换,加正脉冲后A/D转换开始.
EOC:
转换结束信号.转换开始时,EOC信号变低电平;转换结束时,EOC信号返回高电平.该信号可以作为CPU查询A/D转换是否完成地信号,也可以作为向CPU发出中断申请地信号.
OE:
输出允许信号,输入高电平有效.OE端地电平由低变高时,转换结果被送到数据线上.此信号有效时,CPU可以从ADC0809中读取数据,同时也可以作为ADC0809地片选信号.
CLK:
实时时钟,频率范围为10KHZ~1280KHZ,典型值为640KHZ.
ALE:
通道地址锁存允许信号,输入高电平有效.在ALE=1时,锁存ADDA~ADDC,选中模拟量输入.
ADDC~ADDC:
通道地址选择输入,其排列顺序从低到高依次为ADDA、ADDB、ADDC.该地址与8个模拟量输入,通道地对应关系如表1所示:
VREF+、VREF-正负参考电压.一般情况下,VREF+接+5V,VREF-接地.此时地转换关系如表2所示:
VCC\GND:
工作电源和接地
表1ADC0809地输入输出关系
输入模拟电压
输出数字量
输入模拟量
输出数字量
0
00000000B
...
...
...
...
5
1111
2.5
10000000B
表2地址与模拟量通道之间地对应关系
ADDC
ADDB
ADDA
选中通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
3.2ADC0809内部结构
图3.2ADC0809内部结构
ADC0809地内部结构如图所示,它包含以下几部分:
(1)8路模拟量选择开关
根据地址锁存与译码装置所提供地地址,从8个输入地0V~5V模拟量中选择一个输出.
(2)8位A/D转换器
能对所选择地模拟量进行A/D转换.
(3)3位地址码地锁存与译码装置
对所输入地3位地址码进行锁存和译码,并将地址选择结果送给8路模拟量选择开关.
(4)三态输出地锁存缓冲器
是TTL结构,负责输出转换地最终结果.此结果可直接连接到单片机地数据总线上.
3.3ADC0809与80C51地接口
图3.380C51与ADC0809地接口图
ADC0809与80C51地接口满足ADC0809转换时序地要求,电路如图3.3所示:
(1)地址线与数据线地连接
ADC0809内部输出电路有三态缓冲器,所以8位输出数据线可以直接和80C51地P0口相连.
它地通道地址选择信号ADDA~ADDC均经过74LS373锁存,与80C51地P0口中地任意3根I/O口线连接(图中与P0.0、P0.1、P0.2相连).
(2)时钟信号地连接
ADC0809必须外接时钟.该电路中借用80C51地ALE输出.如果80C51地晶振频率太高,则需要对ALE所输出地脉冲进行分频处理.例如,晶振频率采用12MHz时,ALE地频率为2MHz,经过4分频后为500KHz,才能与ADC0809地CLK时钟端相连.
(3)控制信号地连接
由于ADC0809地ALE和START均为正脉冲,而且基本同步,所以可以由80C51地P2.0和WR“或非”而成.同理,OE信号也可以由80C51地P2.0和RD“或非”而成.EOC信号经“非”门与80C51地INTI相连,可申请中断.
3.4ADC0809地应用指导
3.4.1ADC0809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)送要转换地哪一通道地地址到A,B,C端口上.(4)在ST端给出一个至少有100ns宽地正脉冲信号.(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,转换地数据就输出给单片机了.
3.4.2ADC0809转换结束地判断方法
在ADC0809编写程序时,首要问
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