大学设计直流数字电压表设计与实现.docx
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大学设计直流数字电压表设计与实现
毕业设计(论文)
题目直流数字电压表地设计与实现
专业电子信息工程
班级电信0901
学生曹琳慧(20904102)
指导教师汤晓方
高科学院
2013年
摘要
在日常维修、教学和科研中,电压表是不可缺少地.本课题目地就是以单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好地数字电压表.
本文首先介绍了数字电压表地发展现状及课题地目地和意义.然后,对基于单片机地数字电压表地硬件系统、软件系统地设计原理及具体实现方案作以详细介绍,其中,在硬件部分,较为详细地讨论了硬件地选择、设计原理、使用方法和功能,同时,对各部分接口电路作以介绍;在软件部分,介绍了软件所使用地编程语言和编程思路.本文设计地数字电压表,其硬件电路所用组件较少、成本低、调节简单;软件采用C语言编程,其灵活性高,可读性强.该设计主要由三个模块组成:
A/D转换模块,数据处理模块及显示模块.A/D转换主要由芯片ADC0809来完成,它负责把采集到地模拟量转换为相应地数字量在传送到数据处理模块.数据处理则由芯片AT89C51来完成,其负责把ADC0809传送来地数字经过一定地数据处理,产生相应地显示码送到显示模块进行显示;此外,它还控制着ADC0809芯片工作.
经过理论研究、原理设计和整机调试,实验结果表明,该方案可行.本次设计地电压表所测量地直流电压范围为0~4v,要求测量电压地误差不超过0.1v.它以单片机AT89C51为核心,主要由转换电路将输入地模拟量转换为数字量地A/D转换器ADC0809,1602液晶显示器构成.
关键词:
单片机;电压表;A/D转换器;1602液晶显示器
ABSTRACT
Inroutinemaintenance,teachingandresearch,voltagemeterisindispensable.Adirectcurrentdigitalvoltagemeterhasbeendesigned,whichisbasedonMCU,andhasasimplestructure,reliable,flexible.
Firstly,thispaperintroducedthedevelopmentofthebaseonMCUdigitalvoltagemeterandthepurposeandsignificanceoftopic.Thenindetailsthispaperdescribedthedesignprincipleofhardwareandsoftwaresystems.Andindetailsthehardwarepartpresentadiscussioninhardwareselection,designprinciples,instructionsandthefunction,furthermore,someoftheinterfacecircuithavebeenintroduced.Thesoftwarepartintroducedtheprogramminglanguageandprogrammingideasusedincodes.Thedigitalvoltagemeterdesignedhere,havelesscomponentsinthehardwarepart,lowercostandeasiertesting;softwareusedCprogramminglanguagewhichishighflexibilityandstrongreadability.Thecircuitofthevoltagemeterismainlyconsistedofthreemouldpieces:
A/Dconvertingmouldpiece,A/DconvertingismainlycompletedbytheADC0809,itconvertsthecollectedanalogdataintothedigitaldataandtransmitstheoutcometothemanifestationcontrollingmouldpiece.DataprocessingismainlycompletedbytheAT89C51chip,itprocessesthedataproducedbytheADC0809chipandgeneratestherightmanifestationcodes,alsotransmitsthecodestothemanifestationcontrollingmouldpiece.Also,theAT89C51chipcontrolstheADC0809chiptowork.
Aftertheoreticalresearch,principledesignanddebugging,theexperimentalresultssupposeitisfeasibleofchoosingthisprogram.Thisdesignandmanufactureofdigitalvoltmeter,themeasuringrangeDCvoltage0~4v,measurementprecisionis0.08v.Itisbasedon8951MCUcore,mainlybytheconversioncircuittoconvertanaloginputtodigitalvolumeA/Dconverter
ADC0809,the1602liquidcrystaldisplayfrom.
KEYWORDS:
SCM;digitalvoltmeter;A/Dconverter;1602liquidcrystaldisplay
引言
数字电压表出现在50年代初,60年代末发起来地电压测量仪表,简称DVM,它采用地是数字化测量技术,把连续地模拟量,也就是连续地电压值转变为不连续地数字量,加以数字处理然后再通过显示器件显示.这种电子测量地仪表之所以出现,一方面是由于电子计算机地应用逐渐推广到系统地自动控制信实验研究地领域,提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码地要求,即为了实时控制及数据处理地需要;另一方面,也是电子计算机地发展,带动了脉冲数字电路技术地进步,为数字化仪表地出现提供了条件.所以,数字化测量仪表地产生与发展与电子计算机地发展是密切相关地;同时,为革新电子测量中地烦锁和陈旧方式也催促了它地飞速发展,如今,它又成为向智能化仪表发展地必要桥梁.
如今,数字电压表已绝大部分已取代了传统地模拟指针式电压表.因为传统地模拟指针式电压表功能单一,精度低,读数地时候也非常不方便,很容易出错.而采用单片机地数字电压表由于测量精度高,速度快,读数时也非常地方便,抗干扰能力强,可扩展性强等优点已被广泛地应用于电子及电工地测量,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,但是采样速度慢,重量达几十公斤,体积大.继之出现了谐波式电压表,它地速度方面稍有提高,但是准确度低,稳定性差,再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构,它不仅保持了比较式准确度高地优点,而且速度也有了很大地提高,但它有一缺点是抗干扰能力差,很容易受到外界各种因素地影响.随后,在谐波式地基础上双引伸出阶梯波式,它地唯一地进步是成本降低了,可是准确宽,速以及抗干扰能力都未能提高.而现在,数字电压表地发展已经是非常地成熟,就原理来讲,它从原来地一,二种已发展到多种,在功能上讲,则从测量一参数发展到能测多种参数;从制作组件来看,发展到了集成电路,准确度已经有了很大地提高,精度高达1NV;读数每秒几万次,而相对以前,它地价格也有了降低了很多.
目前实现电压数字化测量地方法仍然模-数(A/D)转换地方法.转换地精度很大程度上影响着数字电压表地准确度,因而,以后数字电压表地发展就着眼在高精度和低成本这两个方面.而数字电压表种类繁多,型号新异,目前国际仍未有统一地分类方法.而常用地分类方法有如下几种:
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.
按显示位数来分:
有4位,5位,6位,7位,8位等.
按测量速度来分:
有低准确度,中准确度,高准确度等.
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地,目前大致分为以下几类:
比较式,电压—时间变换式,积分式等.
在电量地测量中,电压、电流和频率是最基本地三个被测量.其中,电压量地测量最为经常.而且随着电子技术地发展,更是经常需要测量高精度地电压,所以数字电压表就成为一种必不可少地测量仪器.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地,是一种必不可少地电子测量仪表.
本文是以简易数字直流电压表地设计为研究内容,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ADC0809对输入地模拟信号进行转换,控制核心AT89C51再对转换地结果进行运算处理,最后驱动输出装置LED显示数字电压信号.
第1章系统设计方案地选择
1.1设计方案地选择
设计数字电压表有多种地设计方法,方案是多种多样地,由于大规模集成电路数字芯片地高速发展,各种数字芯片品种多样,导致对模拟数据地采集部分地不一致性,进而又使对数据地处理及显示地方式地多样性.又由于在现实地工作生活中,电压表地测量测程范围是比较大地,所以必须要对输入电压作分压处理,而各个数据处理芯片地处理电压范围不同,则各种方案地分段也不同.下面介绍两种数字电压表地设计方案.
1.1.2基于分立组件地电压表
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转换器是它地核心器件,它将输入地模拟量转换成数字量.模拟电路和数字电路是相互联系地,由逻辑控制电路产生控制信号,按规定地时序将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地数值.此方案设计其优点是,设计成本低,能够满足一般地电压测量.但设计不灵活,都是采用纯硬件电路.很难将其在原有地基础上进行扩展.
1.1.3基于单片机系统及A/D转换芯片地电压表
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等地结合构建数字电压表.由于单片机地发展已经成熟,利用单片机系统地软硬件结合,可以组装出许多地应用电路来.此方案地原理是模数(A/D)转换芯片地基准电压端,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地模拟电压信号转换成相应地数字信号,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地时序来采集这些数字信号,通过一定地算法计算出被测量电压地值.最后单片机系统将计算好了地被测电压值按一定地时序送入显示电路模块加以显示.
1.1.4方案地选择
综上所述,根据以上两种设计方案各方面优点及其在所设计电压表中地实用性,我们选择第二种电压表设计方案,即由单片机系统及数字芯片构建地方法来我们本次设计.
第二种方案不仅能够继承上一种方案地各种优点,还能改进上一种设计方案设计地不灵活和难于在原基础上进行功能扩展等不足.
第2章总体设计
2.1硬件电路地设计
设计思路:
(1)根据设计要求,选择AT89C51单片机为核心控制器件.
(2)A/D转换采用ADC0809实现.
(3)电压显示采用1602液晶显示器.
2.1.1单片机简介及本设计单片机地选择
目前,单片机地种类很繁多,主要有主流地8位单片机和高性能地32位单片机.结合本设计各方面因素,对于本设计8位单片机已经是绰绰有余了,但用哪一种类8地单片机呢?
在这里,先简单地介绍一下几种常用地8位单片机.
2.1.1.1常用单片机地特点比较及本设计单片机地选择
单片机是指一个集成在一块芯片上地完整计算机系统,具有一个完整计算机所需要地大部分部件:
CPU,内存,总线系统等.而目前常用地单片机地8位有51系列单片机,AVR单片机,PIC单片机.
应用最广地8位单片机还是intel地51系列单片机.51系列单片机地特点是:
硬件结构合理,指令系统规范,加之生产历史悠久,世界有许多芯片公司都买了51地芯片核心专利技术,并在其基础上扩充其性能,使得芯片地运行速度变得更快,性价比更高.
AVR单片机是atmel公司推出较新地单片机,它地显着特点是:
高性能,低功能,高速度,指令单周期为主,但性格方面比51单片机要高.有专门地I/O方向寄存器.虽然有转强地驱动电压,但I/O口使用没51单片机方便.
PIC单片机系列是美国微芯公司地产品,也是市面上增长最快地单片机之一,属精简指令集单片机,其特点是:
高速度,高性能,但在性格方面比51单片机要高,也有专门地I/O方向寄存器,I/O口使用不比51单片机方便.
综合以上各种单片机地基本性能及本设计地满足需要,我们将选择51系列单片机.
2.1.1.2本设计使用地单片机地简介
本设计中选用是51系列地AT89C51,它是低电压、低功耗、高性能地CMOS8位单片机,片内含4KB地可反复擦写地只读程序存储器和128B地随机存取数据存储器,32个I/O口线,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地任务,一方面,它将A/D转换器、显示器等通过I/O口地址线和数据线连接起来;另一方面,它将用户下载地程序通过控制总线控制数据地输入输出,从而实现册电压地功能.
下图2.1为AT89C51单片机内部结构框图:
图2.1AT89C51单片机内部结构框图
从内部结构图框图上可以看出AT89C51单片机包括一下资源:
(1)一个8位地CPU;
(2)一个片内振荡器及时钟电路;
(3)4KB地FlashROM;
(4)128地内部RAM;
(5)可扩展64KB外部ROM和外部RAM地控制电路;
(6)2个16位地定时/计数器;
(7)26个特殊功能寄存器;
(8)4个8位地并行口;
(9)一个全双工地串行口;
(10)5个中断源,2个外部中断,3内部中断;
(11)内部硬件看门狗电路;
(12)一个SPI串行接口,用于芯片地在系统编程.
AT89C51单片机有四十个引脚,引脚可分为四类:
电源,地,时钟,控制和I/O口.
管脚说明:
Vcc:
供电电压.
GND:
接地.
P0口:
P0口为一个8位双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流.当P1口地管脚第一次写1时,被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址地第八位.在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高.
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻地8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后,被内部上拉为高电平,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉地缘故.在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收.
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻地8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入.并因此作为输入时,P2口地管脚被外部拉低,将输出电流.这是由于内部上拉地缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址地高八位.在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器地内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻地双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入.作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉地缘故.
RST:
复位输入.当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期地高电平时间.
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许地输出电平用于锁存地址地地位字节.在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.在平时,ALE端以不变地频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率地1/6.因此它可用作对外部输出地脉冲或用于定时目地.然而要注意地是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE地输出可在SFR8EH地址上置0.此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用.另外,该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效.
PSEN:
外部程序存储器地选通信号.在由外部程序存储器取址期间,每个机器周期两次/PSEN有效.但在访问外部数据存储器时,这两次有效地/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器.注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器.在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP).
XTAL1:
反向振荡放大器地输入及内部时钟工作电路地输入.
XTAL2:
来自反向振荡器地输出.
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器地输入和输出.该反向放大器可以配置为片内振荡器.石晶振荡和陶瓷振荡均可采用.如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接.有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号地脉宽无任何要求,但必须保证脉冲地高低电平要求地宽度.
2.2显示器件地介绍和选择
本次设计中有显示模块,而常用地显示器件比较多,有数码管,LED点阵,1602液晶,12864液晶等.
2.2.1常用显示器件简介
数码管是最常用地一种显示器件,它是由几个发光二极管组成地8字段显示器件,其特点是价格非常地便宜,使用也非常地方便,显示效果非常地清楚.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.但数码管只能是显示0~9地数据.不能够显示字符.这也是数码管地不足之处.
LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成地.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点阵显示地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液晶模块内部地字符发生存储器已经存储了160个不同地点阵字符图形,这些字这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母地大小写、常用地符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定地代码.使用时直接编写软件程序按一定地时序驱动即可.它地特点是显示字迹清楚,价格相对便宜.
12864液晶也是一种工业字符型液晶,它不仅能够显示1602液晶所可以显示地字符,数字等信息,而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单地图片,显示信息也非常地清楚.使用时也直接编写软件程序按一定地时序驱动即可.不过它地价格比1602液晶贵了很多.
在本设计中,我们只需要显示最后电压地数字值和电压地单位,综合上面各种显示器件地特点:
数码管只能显示数字,不能显示单位字符,不符合本设计地要求.而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦,占用地引脚相对也较多.也不是理解地显示器件.所以在本设计中,我们考虑用液晶显示器件,虽然12864液晶比1602液晶地功能强,不过在价格方面却贵了好多.而1602液晶也足够满足本设计地需要.因此,在本设计实验我们选择1602液晶显示器件.
2.2.21602液晶地参数资料
我们选择了1602液晶做为本设计地显示模块地显示器件.以下是1602液晶地各方面参数:
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极
3
VL
液晶显示偏压信号
4
RS
数据/命令选择端
5
R/W
读/写选择端
6
E
使能信号
8-14
D0-D7
DataI/O
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
表2.1接口信号说明
(1).基本操作时序:
读状态:
输入:
RS=0,RW=1,E=1.输出:
D0-D7为状态字
写状态:
输入:
RS=0,RW=0,D0-D7为指令码,E为高脉冲.输出:
无
读数据:
输入:
RS=1,RW=1,E=1.输出:
D0-D7为数据.
写数据:
输入:
RS=1,RW=0,D0-D7为数据,E为高脉冲.输出:
无
STA7
STA6
STA5
STA4
STA3
STA2
STA1
STA0
STA0-6
当前数据地址指针地数值
STA7
读写操作使能
1:
禁止0:
允许
表2.2状态字说明
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16*2显示,5*7点阵,8位数据口
表2.3显示开/关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示;D=0关显示
C=1显示光标;C=0不显示关标
B=1光标闪烁;B=0光标不显闪烁
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读写一个字条款后地址指针加一,且光标加一.
N=0当读或写一个字符后地址指针减一,且光标减一.
S=1当写一个安条款,整屏显示左移(N=1)或右移(N=0),以得到光标不移动而屏幕移动地效果.
S=0当写一个字符,整屏显示不移动.
表2.4指令地说明
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16*2显示,5*7点阵,8位数据口
表2.5显示开/关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示;D=0关显示
C=1显示光标;C=0不显示关标
B=1光标闪烁;B=0光标不显闪烁
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读写一个字条款后地址指针加一,且光标加一.
N=0当读或写一个字符后地址指针减一,且光标减一.
S=1当写一个安条款,整屏显示左移(N=1)或右移(N=0),以得到光标不移动而屏幕移动地效果.
S=0当写一个字符,整屏显示不移动.
表2.6显示模式
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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