数字电压表设计.docx
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数字电压表设计.docx
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数字电压表设计
单片机系统
课程设计
成绩评定表
设计课题:
数字电压表设计
学院名称:
电气工程学院
****************
设计地点:
31-630
设计时间:
2013-12-16~2012-12-27
指导教师意见:
成绩:
签名:
年月日
单片机系统
课程设计
课程设计名称:
数字电压表设计
********
课程设计地点:
31-630
课程设计时间:
2012-12-16~2012-12-27
单片机系统课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
数字电压表设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
臧海河
主要内容
(参数)
利用89C51设计一个数字电压表,实现以下功能:
1.测量0-5V的直流输入电压值;
2.测量值通过数码管直接显示出来;
任务要求
(进度)
第1-2天:
熟悉课程设计任务及要求,查阅技术资料,确定设计方案。
第3-4天:
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图,元件及元件参数选择要有依据,各单元电路的设计要有详细论述。
第5-6天:
软件设计,编写程序。
第7-8天:
实验室调试。
第9-10天:
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确,篇幅合理。
主要参考
资料
[1]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术(第2版)[M].北京:
国防工业出版社,2004
[2]伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书
[3]阎石.数字电路技术基础(第五版).北京:
高等教育出版社,2006
[4]夏路易石宗义.Protel99se电路原理图与电路板设计教程.北京:
北京希望电子出版社,2004
审查意见
系(教研室)主任签字:
年月日
1概述
什么是数字电压表?
数字电压表就是采用数字化技术,把需要测量的直流电压转换成数字形式,并显示出来。
通过单片机技术,设计出来的数字电压表具有精度高,抗干扰能力强的特点。
通过网上资料显示,目前由各种A/D转换器构成的数字电压表已经广泛的应用于电工测量,工业自动化仪表等各个领域。
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。
数字电压表简称DVM,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。
目前,数字电压表的内部核心部件是A/D转换器,转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。
本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容,本系统主要包括三大模块:
转换模块、数据处理模块及显示模块。
其中,A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换,控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理,最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。
2设计总体方案
2.1设计要求
⑴在MCS-51系列单片机的基础上,组成一个直流数字电压表。
⑵采用1路模拟量输入,能够测量0-5V之间的直流电压值。
⑶电压显示用4位一体的LED数码管显示,至少能够显示两位小数。
2.2设计思路
⑴基于AT89C51单片机来设计。
⑵用ADC0808芯片做为A/D转换器,与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。
电压的输出显示采用4位一体的LED数码管。
LED数码的段码输入,由并行端口P0产生:
位码输入,用并行端口P2低四位产生。
2.3设计方案
电路由以下六个部分组成;1.A/D转换电路,2.AT89C51单片机系统,3.LED显示系统、4.时钟电路、5.复位电路以及测量电压输入电路。
硬件电路设计框图如图1所示。
3硬件电路设计
3.1A/D转换模块
现实世界的物理量都是模拟量,能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器(A/D转换器),A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路,按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型,双重积分型等等。
逼近式A/D转换的转换速度更快,而且精度更高,比如ADC0809、ADC0808等,它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等,它们可以与单片机系统连接,将数字量送到单片机进行分析和显示。
逐次逼近型A/D转换器转换速度快,因而在实际中广泛使用[1]。
3.1.1逐次逼近型A/D转换器原理
逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。
它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。
转换过程如下:
开始时,寄存器各位清零,转换时,先将最高位置1,把数据送入A/D转换器转换,转换结果与输入的模拟量比较,如果转换的模拟量比输入的模拟量小,则1保留,如果转换的模拟量比输入的模拟量大,则1不保留,然后从第二位依次重复上述过程直至最低位,最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。
其原理框图如图2所示:
3.1.2ADC0808主要特性
ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,带有使能控制端,与微机直接接口,片内带有锁存功能的8路模拟多路开关,可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换.ADC0808主要特性:
8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有锁存控制的8路模拟开关;易与各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换时间:
128μs;转换精度:
0.2%;单个+5V电源供电;模拟输入电压范围0-+5V。
3.1.3ADC0808的外部引脚特征
ADC0808芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,其引脚图如图3所示。
图3ADC0808引脚图
下面说明各个引脚功能:
IN0-IN7(8条):
8路模拟量输入线,用于输入和控制被转换的模拟电压。
地址输入控制(4条):
ALE:
地址锁存允许输入线,高电平有效,当ALE为高电平时,为地址输入线,用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。
ADDA,ADDB,ADDC:
3位地址输入线,用于选择8路模拟输入中的一路,其对应关系如表1所示:
表1ADC0808通道选择表
地址码
对应的输入通道
C
B
A
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
START:
START为“启动脉冲”输入法,该线上正脉冲由CPU送来,宽度应大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。
EOC:
EOC为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D转换已结束,数字量已锁入三态输出锁存器。
D1-D8:
数字量输出端,D1为高位。
OE:
OE为输出允许端,高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。
REF+、REF-:
参考电压输入量,给电阻阶梯网络供给标准电压。
Vcc、GND:
Vcc为主电源输入端,GND为接地端,一般REF+与Vcc连接在一起,REF-与GND连接在一起.
CLK:
时钟输入端。
3.1.4ADC0808的内部结构及工作流程
ADC0808由8路模拟通道选择开关,地址锁存与译码器,比较器,8位开关树型A/D转换器,逐次逼近型寄存器,定时和控制电路和三态输出锁存器等组成,其内部结构如图4所示。
图4ADC0808的内部结构
其中:
(1)8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。
(2)地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时,锁存从ADDA、ADDB、ADDC3根地址线上送来的3位地址,译码后产生通道选择信号,从8路模拟通道中选择当前模拟通道。
(3)比较器,8位开关树型A/D转换器,逐次逼近型寄存器,定时和控制电路组成8位A/D转换器,当START信号有效时,就开始对当前通道的模拟信号进行转换,转换完成后,把转换得到的数字量送到8位三态锁存器,同时通过引脚送出转换结束信号。
(4)三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量,当OE信号有效时,把转换的结果送出。
ADC0808的工作流程为:
(1)输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中,经地址译码器从8路模拟通道中选通1路模拟量送给比较器。
(2)送START一高脉冲,START的上升沿使逐次寄存器复位,下降沿启动A/D转换,并使EOC信号为低电平。
(3)当转换结束时,转换的结果送入到输出三态锁存器中,并使EOC信号回到高电平,通知CPU已转换结束。
(4)当CPU执行一读数据指令时,使OE为高电平,则从输出端D0-D7读出数据。
3.2单片机系统
3.2.1AT89C51性能
ADC0808主要特性:
8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有锁存控制的8路模拟开关;易与各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换时间:
128μs;转换精度:
0.2%;单个+5V电源供电;模拟输入电压范围0-+5V,无需外部零点和满度调整;低功耗,约15mW[6]。
3.2.2AT89C51各引脚功能
AT89C51提供以下标准功能:
4KB的Flash闪速存储器,128B内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内震荡器及时钟电路,同时,AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作,掉电方式保存RAM中的内容,但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。
AT89C51采用PDIP封装形式,引脚配置如图5所示。
图5AT89C51的引脚图
表2P3口各位的第二功能
P3口各位
第二功能
P3.0
RXT(串行口输入)
P3.1
TXD(串行口输出)
P3.2
/INT0(外部中断0输入)
P3.3
/INT1(外部中断1输入)
P3.4
T0(定时器/计数器0的外部输入)
P3.5
T1(定时器/计数器1的外部输入)
P3.6
/WR(片外数据存储器写允许)
P3.7
/RD(片外数据存储器读允许)
3.3复位电路和时钟电路
3.3.1复位电路设计
单片机在启动运行时都需要复位,使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。
当震荡器起振后,只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。
复位完成后,如果RST端继续保持高电平,MCS-51就一直处于复位状态,只要RST恢复低电平后,单片机才能进入其他工作状态。
单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种,图6是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路,只要Vcc上升时间不超过1ms,它们都能很好的工作。
图6复位电路
3.3.2时钟电路设计
单片机中CPU每执行一条指令,都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行,而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。
CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。
MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器,用于构成震荡器,XTAL1为该放大器的输入端,XTAL2为该放大器输出端,但形成时钟电路还需附加其他电路。
本设计系统采用内部时钟方式,利用单片机内部的高增益反相放大器,外部电路简,只需要一个晶振和2个电容即可,如图7所示。
图7时钟电路
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定,也可以参考一些典型电路的参数,电路中,电容器C1和C2对震荡频率有微调作用,通常的取值范围是30±10pF,在这个系统中选择了33pF;石英晶振选择范围最高可选24MHz,它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率,在本系统中选择的是12MHz,因而时钟信号的震荡频率为12MHz。
3.4LED显示系统设计
3.4.1LED基本结构
LED是发光二极管显示器的缩写。
LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。
LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。
在单片机中使用最多的是七段数码显示器。
LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段,其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形,另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用,其通过不同的组合可用来显示各种数字。
LED引脚排列如下图8所示:
图8LED的基本结构
3.4.2LED显示器的选择
在本设计中,选择4位一体的数码型LED显示器。
本系统中前一位显示电压的整数位,即个位,后两位显示电压的小数位。
4-LED显示器引脚如图9所示,是一个共阴极接法的4位LED数码显示管,其中a,b,c,e,f,g为4位LED各段的公共输出端,1、2、3、4分别是每一位的位数选端,dp是小数点引出端,4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成,每个LED的段输出引脚在内部都并联后,引出到器件的外部。
图94位LED引脚
对于这种结构的LED显示器,它的体积和结构都符合设计要求,由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起,所以必须使用动态扫描方式(将所有数码管的段选线并联在一起,用一个I/O接口控制)显示。
3.4.3LED译码方式
译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式,通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。
由于本设计采用的是共阴极LED,其对应的字符和字段码如下表3.3所示。
显示字符
共阴极字段码
0
3FH
1
06H
2
5BH
3
4FH
4
66H
5
6DH
6
7DH
7
07H
8
7FH
9
6FH
表3.3共阴极字段码表
3.4.4LED显示器与单片机接口设计
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器,所以,在一般情况下,必须采用专用的驱动电路芯片,使之产生足够大的电流,显示器才能正常工作。
如果驱动电路能力差,即负载能力不够时,显示器亮度就低,而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏,因此,LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。
为了简化数字式直流电压表的电路设计,在LED驱动电路的设计上,可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现,即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间,这样,就可以加大P0口作为输出口德驱动能力,使得LED能按正常的亮度显示数字,如图10所示
图10LED与单片机接口间的设置
3.5总体电路设计
经过以上的设计过程,可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图11所示。
图11简易数字电压表电路图
此电路的工作原理是:
+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08008的IN0通道进入(由于使用的IN0通道,所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平),经过模/数转换后,产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口,AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理,产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED,同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。
此外,AT89C51还控制ADC0808的工作。
其中,单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波,接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D转换,P2.5检测A/D转换是否完成,转换完成后,P2.7置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来]。
简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成,就可以选取相应的芯片和元器件,利用Proteus软件绘制出硬件的原理,并仔细地检查修改,直至形成完善的硬件原理图。
但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能,还需要有相应的软件配合,才能达到设计要求。
4程序设计
4.1程序设计总方案
根据模块的划分原则,将该程序划分初始化模块,A/D转换子程序和显示子程序,这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序,如图12所示。
图12数字式直流电压表主程序框图
4.2系统子程序设计
4.2.1初始化程序
所谓初始化,是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定,初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式,初值预置,开中断和打开定时器等[9]。
4.2.2A/D转换子程序
A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量,并将对应的数值存入相应的内存单元,其转换流程图如图13所示。
图13A/D转换流程图
4.2.3显示子程序
显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示,在采用动态扫描显示方式时,要使得LED显示的比较均匀,又有足够的亮度,需要设置适当的扫描频率,当扫描频率在70HZ左右时,能够产生比较好的显示效果,一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次,每一位LED的显示时间为1ms。
在本设计中,为了简化硬件设计,主要采用软件定时的方式,即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时,通过软件延时程序来实现5ms的延时。
4.2.4程序代码
LED_0EQU30H
LED_1EQU31H
LED_2EQU32H
ADCEQU35H
CLOCKBITP2.4
STBITP2.5
EOCBITP2.6
OEBITP2.7
ORG00H
SJMPSTART
ORG0BH
LJMPINT_T0
START:
MOVLED_0,#00H
MOVP2,#0FFH
MOVLED_1,#00H
MOVLED_2,#00H
MOVDPTR,#TABLE
MOVTMOD,#02H
MOVTH0,#245H
MOVTL0,#00H
MOVIE,#82H
SETBTR0
WAIT:
CLRST
SETBSTH
CLRST
JNBEOC,$
SETBOE
MOVADC,P1
CLROE
MOVA,ADC
MOVB,#51
DIVAB
MOVLED_2,A
MOVA,B
MOVB,#5
DIVAB
MOVLED_1,A
MOVLED_0,B
LCALLDISP
SJMPWAIT
INT_T0:
CPL,CLOCK
RETI
DISP:
MOVA,LED_0
MOVCA,@A+DPTR
CLRP2.3
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP2.3
MOVA,LED_1
MOVCA,@A+DPTR
CLRP2.2
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP2.2
MOVA,LED_2
MOVCA,@A+DPTRL
CLRP2.1
ORLA,#80H
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP2.1
RET
DELAY:
MOVR6,#10
D1:
MOVR7,#250
DJNZR7,$
DJNZR6,D1
RET
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
5总结
经过一段时间的努力,课程设计基于单片机的简易数字电压表基本完成。
但设计中的不足之处仍然存在。
这次设计是我第一次设计电路。
在这过程中,我对电路设计,单片机的使用等都有了新的认识。
通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法,掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程,积累了不少经验。
基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。
在实际应用工作应能好,测量电压准确,精度高。
系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的改造,可以增加功能。
本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能,详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真。
通过本次设计,我对单片机这门课有了进一步的了解。
无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。
本次设计采用了AT89C51单片机芯片,与以往的单片机相比增加了许多新的功能,使其功能更为完善,应用领域也更为广泛。
设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808,以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。
通过这次设计,对它的工作原理有了更深的理解。
在调试过程中遇到很多问题,硬件上的理论知识学得不够扎实,对电路的仿真方面也不够熟练。
总之这次电路的设计和仿真,基本上达到了设计的功能要求。
在以后的实践中,我将继续努力学习电路设计方面的理论知识,并理论联系实际,争取在电路设计方面能有所提升。
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- 关 键 词:
- 数字 电压表 设计