原创基于单片机的数字电压表设计毕业论文设计40论文41.docx
- 文档编号:25022272
- 上传时间:2023-06-03
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:206.50KB
原创基于单片机的数字电压表设计毕业论文设计40论文41.docx
《原创基于单片机的数字电压表设计毕业论文设计40论文41.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《原创基于单片机的数字电压表设计毕业论文设计40论文41.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
原创基于单片机的数字电压表设计毕业论文设计40论文41
毕业设计论文
基于单片机的数字电压表设计
摘要本文介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。
该设计主要由三个模块组成:
AD转换模块,数据处理模块及显示模块。
AD转换主要由芯片ADC0809来完成,它负责把采集到的模拟量转换为相应的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传送来的数字量经过一定的数据处理,产生相应的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。
该系统的数字电压表电路简单,所用的元件较少,成本低,且测量精度和可靠性较高。
此数字电压表可以测量0-5V的1路模拟直流输入电压值,并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。
关键词单片机;数字电压表;AD转换;AT89C51;ADC0809
DesignofDigitalVoltmeterBasedonSingle-chipMicrocontroller
AbstractThispaperwhichintroducesakindofsimpledigitalvoltmeterisbasedonsingle-chipmicrocontrollerdesign.Thecircuitofthevoltagemeterismainlyconsistedofthreemouldpieces:
ADconvertingmouldpiece,ADconvertingismainlycompletedbytheADC0809,itconvertsthecollectedanalogdataintothedigitaldataandtransmitstheoutcometothemanifestationcontrollingmouldpiece.DataprocessingismainlycompletedbytheAT89C51chip,itprocessesthedataproducedbytheADC0809chipandgeneratestherightmanifestationcodes,alsotransmitsthecodestothemanifestationcontrollingmouldpiece.Also,theAT89C51chipcontrolstheADC0809chiptowork.
Thevoltmeterfeaturesinsimpleelectricalcircuit,loweruseofelements,lowcost,moreover,itsmeasuringprecisionandreliability.Thevoltmeteriscapableofmeasuringvoltageinputsfrom1routerangingfrom0to5volt,anddisplayingthemeasurementsthoughadigitalcodetubeof7piecesofLED.
KeywordsSingle-chipmicrocontroller;Digitalvoltmeter;ADconverter;AT89C51;
ADC0809
引言
电压表是固定安装在电力、电信、电子设备面板上使用的仪表,用来测量交、直流电路中的电压。
传统的指针式电压表功能单一、精准度低,不能满足数字化时代的需求,并且传统的电压表在测量电压时需要手动切换量程,不仅不方便,而且要求不超过该量程。
目前,由各种单片AD转换器构成的数字电压表,已经被广泛用于电子及电工测量领域,并且由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量技术提高到崭新水平。
数字电压表作为电压表的一个分支,在近五十年间得到巨大发展,构成数字电压表的核心器件已从早期的中小规模电路跨入到大规模ASIC(专用集成电路)阶段。
数字电压表涉及的范围也从传统的测量扩展至自动控制、传感、通信等领域,展示了广阔的应用前景。
近入21世纪,随着信息技术一日千里的发展,电压表也必须经历从单一测量向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程,特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。
因此,把电压表和计算机技术结合的智能化电压表就将成为21世纪的新课题。
目前,数字化仪器与微处理器取得令人瞩目的进展,就其技术背景而言,一个内藏微处理器的仪表意味着计算机技术向仪器仪表的移植,它所具有的软件功能使仪器呈现出某种延伸,强化功能的作用。
这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破,其发展潜力十分巨大,这已为70年代以来仪表发展的历史所证实。
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,AD转换采用ADC0809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。
第一章绪论
1.1课题概述
1.1.1课题意义与目的
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。
以数字电压表为核心,可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如:
温度计,湿度计,酸度计,重量,厚度仪等),几乎覆盖了电子电工测量,工业测量,自动化仪表等各个领域。
除此之外,数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点:
读数直观、准确,显示范围宽、分辨力高,转入阻抗高,功耗小、抗干扰强等[3]。
因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。
但是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件,并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成,可是这种设计方法灵活性差,系统功能固定,难以更新扩展,不能满足日益发展的电子工业要求[6]。
而应用微处理器(单片机)为核心单元的数字电压表,其灵活性高、系统功能扩展简单,性能稳定可靠。
在这些背景下,设计一种以单片机为基础、结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。
1.1.2数字电压表的发展历程
数字电压表简称DVM,它是采用数字化测量技术设计的电压表。
从性能来看:
数字电压表的发展从一九五二年美国NLS公司由四位电子管数字电压表精度千分之一到现在已经出现8位数字电压表。
参数可测量直流电压、交流电压、电流、阻抗等。
测量自动化程度不断提高,可以和计算机配合显示、计算结果、然后打印出来。
目前世界上美国FLUKE公司,在直流和低频交流电量的校准领域居国际先进水平。
例如该公司生产的“4700A”多功能校准器和“8505”危机数字多用电压表,可用8位显示,直流精度可达到±510-6,读书分辨力为0.1μV。
带有AD变换模式、数据输出接口形式IEEE-488。
具有比率测量软件校准和有交流电阻、电流选件。
还具有高精度电压校准器“5400A”、“5200A”、“5450A”等数字仪表,都是作为一级计量站和国家级计量站使用的标准仪表。
还有英国的“7055”数字电压表采用脉冲调制技术。
日本横河公司的“2501”型采用三次采样等等在不断的蓬勃发展[1]。
从发展过程来看:
数字电压表自1952年问世以来,已有50年多年的发展史,大致经历了五代产品。
第一代产品是20世纪50年代问世的电子管数字电压表,第二代产品属于20世纪60年代出现的晶体管数字电压表,第三带产品为20世纪70年代研制的中、小规模集成电路的数字电压表。
今年来,国内外相继推出有大规模集成电路(LSI)或超大规模集成电路(VLSI)构成的数字电压表、智能数字电压表,分别属于第四代、第五代产品。
它们不仅开创了电子测量的先河,更以高准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性而受到人民的青睐[2]。
1.2单片机
1.2.1单片机简介
单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),
只读程序存储器(ROM),输入输出电路(IO口),可能还包括定时计数器,串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及AD转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小的然而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛。
1.2.2单片机的应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
(1)在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度等物理量的测量。
(2)在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
(3)在家用电器中的应用
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
(4)在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.2.3单片机应用系统的开发过程
单片机的应用系统随着其用途不同,其硬件和软件均不相同,也即单片机的最初的选型都很重要,原则上是选择高性价比的单片机,硬件软件化是提供系统性价比的有效方法,尽量减少硬件成本,多用软件来实现相同的功能,这样也可大大提高系统的可靠性。
虽然单片机的硬件选型不尽相同,软件编写也千差万别,但系统的研制步骤和方法是基本一致的,一般都分为总体设计、硬件电路的构思设计、软件的编制和仿真调试几个阶段。
1.3数字电压表
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(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
1.3.1数字电压表的特点
(1)显示清晰直观,读数准确
数字电压表采用先进的数显技术,使测量结果一目了然,只要仪表不发生跳读现象,测量结果就是唯一的。
(2准确度高
准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。
(3)分辨率高
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称为仪表的分辨力,它反映仪表灵敏度的高低。
分辨力随显示位数的增加而提高。
分辨率是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。
(4)测量范围宽
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的高压。
(5)扩展能力强
在数字电压表的基础上,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,以满足不同的需要。
(6)测量速度快
数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数,叫测量速率,单位是"次S"。
它主要取决于AD转换器的转换速率,其倒数是测量周期。
(7)输入阻抗高
数字电压表具有很高的输入阻抗,通常为10MΩ~10000MΩ,最高可达1TΩ。
(8)集成度高,微功耗
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。
(9)抗干扰能力强
第二章基于单片机的数字电压表的总体设计
2.1系统概述
本课题所设计的数字电压表主要包括两部分:
硬件电路及软件程序。
而硬件电路采用ATMEL公司的AT89C51作为主处理器,系统主要由信号采集、AD转换、数据处理输出、驱动显示等几个功能模块组成。
各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍;程序的设计使用C语言编程,利用Keil软件对其编译和仿真,详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。
系统框图(图2-1)如下:
图2-1电压表系统框图
被测直流电压由AD转换单元采集后被量化,再由单片机对AD转换的结果进行标度变换,得到被测电压的数值,通过单片机对数次转换结果求平均值、并通过SOI串行数据接口把所求平均值输出给显示驱动单元,由该单元完成译码,并驱动数码管显示。
2.1.1数字式电压表工作过程简介
电压表的数字化是将连续模拟的电压量经AD转化后变为不连续的离散的数字量并加以显示[7]。
在设计过程中采用分模块设计,把电路分AD转换、数据处理输出、驱动、显示四个单元,分别设计。
AD转换器选用的是八位模数转换器ADC0809。
其次,计算机中的数字都是十六进制数,而我们习惯于十进制数的读写,因此,在软件设计中则要把十六进制数转换成十进制数。
在显示的时候也是如此。
本装置的输出用四位LED显示,因此在软件设计中还要解决数字输出与LED的接口问题。
硬件则需要将输出线接到八段数码管上[8]。
数值显示采用八段数码管,由单片机以动态扫描方式驱动,在此方式下能保证足够的亮度和较长的使用寿命。
ADC0809的REF(-)接地,REF(+)接电源+5V,因此采集电压的范围是0~5V,AD转换输出的结果D0~D7为8位二进制数。
转换输出的结果在0~255之间分别对应着0~+5V之间的256个电压值,因此单片机必须把AD转换输出的结果转换成可以显示的电压值,具体的方法是:
由上公式可知:
当ADC0809输出为(11111111)B时,输入电压值VIN=5.00V;当ADC0809输出为(00000000)B时,输入电压值VIN=0.00V;当ADC0809输出为(10000000)B时,输入电压值VIN=2.50V,但是单片机在进行数学运算时结果只读取整数部分,因此当输出为(10000000)B时计算得来的电压值VIN=2.00V。
由此可以看出这样运算的输出结果很不准确,在0~+5V之间只有0,1,2,3,4,5六个电压值,所以必须把单片机运算结果中的小数部分保留下来[8]。
具体方法是:
如果保留小数点后两位,在运算的时候分子乘以100,保留三位就乘以1000。
小数点后保留两位的公式如下:
(2.2)
2.1.2软件程序设计简介
开机后首先初始化,使数码管显示为“0.000”然后调用AD转换子程序启动AD转换器,单片机等待查询转换结束信号,如果有信号则通过并行口读取转换数据并存储,就这样连着读取五次数据后求平均值,再按上面的方法通过串行口把数据传输出,经译码在数码管显示。
具体方法和程序见程序设计部分和附录。
第三章硬件电路设计
3.1AD转换电路
3.1.1AD转换芯片的选择
AD转换器是模拟量输入通道中的一个环节,单片机通过AD转换器把输入模拟量变成数字量再处理。
随着大规模集成电路的发展,目前不同厂家已经生产出了多种型号的AD转换器,以满足不同应用场合的需要。
如果按照转换原理划分,主要有3种类型,即双积分式AD转换器、逐次逼近式AD转换器和并行式AD转换器。
目前最常用的是双积分和逐次逼近式。
双积分式AD转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点,比如ICL71XX系列等,它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。
与双积分相比,逐次逼近式AD转换的转换速度更快,而且精度更高,比如ADC0808、ADC0809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,将数字量送单片机进行分析和显示[9]。
本设计中,要求精度小于0.5%,则选用分辨率为8位的芯片,如ADC0809,ADC0801,ADC0808就能满足设计要求。
本电路采用ADC0809。
3.1.2ADC0809内部逻辑结构
图3-1ADC0809内部逻辑结构
3.1.3ADC0809的工作原理
ADC是一种基本的外围扩展器件,其种类很多,工作原理也不仅相同,比较有代表性的是:
单积分型,双积分型,脉宽调制型和逐次比较型(逐次逼近型)。
从产品性价比、转换速度和精度等方面综合分析,逐次比较型ADC是相对应用比较广的类型之一。
所以有着广泛的应用[10]
逐次逼近型ADC实际采用的方法上从高到底开始逐位设定,比较模拟量输出,再来确定原设定位的正确与否。
逐次比较型ADC原理结构如图3-2所示。
其主要由采集保持电路、电压比较器、逐次比较寄存器、数模转换器ADC和锁存器等部分组成。
图3-2逐次比较型ADC原理结构
其工作原理如下:
首先,被测模拟电压ui通过逐次比较寄存器,将传递进的脉冲CP信号转换成数字信号,该数字量再经过数模转换器生成对应的模拟量Us。
当获得模拟量Us的数值达到并接近被测电压所对应ui后,就可以检测出电压比较器完成最后的反转。
此时,逐次比较积存器的计数值就是被测电压ui所对应的数字量,从而完成模拟量的转换。
以上的分析表明,逐次比较的模数转换方法,归根到底是数模转换,采用逐次与模拟量进行比较后得到最终的数字标定值[11]。
3.1.4ADC0809芯片介绍
ADC0809是一种8位逐次逼近型AD转换器。
带8个模拟量输入通道,芯片内有通道地址译码锁存器,有输出三态数据锁存器,启动信号为脉冲启动方式,每个通道的转换时间大约为100μs,可以和单片机直接接口[9]。
IN0—IN7:
8条模拟量输入通道。
ADC0809对输入模拟量的要求是信号单极性,电压范围是0—5V,若信号太小,必须进行放大:
输入的模拟量在转换过程中应保持不变,如若模拟信号变化太快,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化器进行转换。
A,B,C为地址输入线,用于选通INO—IN7上的一路模拟量输入。
通道选择如表3-1
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
表3-1
数字量输出及控制线:
11条。
START为上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行AD转换:
在转换期间,START应保持底电平。
EOC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AD转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据。
OE=0,输出数据线呈高阻状态。
D7—D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
由于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,最大不能超过1280KHz[11]。
VREF(+),VREF(-)为参考电压输入,决定了输入模拟量的范围。
一般情况VREF(-)接地,VREF(+)接+5V电源。
3.2单片机简介
3.2.1单片机介绍
单片微型计算机简称单片机,又称微型控制或嵌入式控制器,是将计算机的基本部件微型化,使之集成在一块芯片上的微机。
单片机有着体积小,功耗低,功能强,性能价格比高、易于推广应用等显著优点,在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用。
3.2.2采用AT89C51的原因
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51更实用,它是由北京集成电路设计中心在MSC-51单片机的基础上精心设计,由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。
它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。
显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短[12]。
3.2.3AT89C51芯片主要性能参数
与MCS—51产品指令系统完全兼容
4K字节的可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作:
0Hz–24Hz
三级加密程序存储器
128×8字节内部RAM
32个可编程IO口线
2个16位定时记数器
6个中断源
可编程串行UART通道
底功耗空闲和掉电模式
图3-3AT89C51
3.2.4AT89C51功能介绍
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写存储器,能重复写入擦除1000次,数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。
只要程序长度小于4K,四个IO口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒,仅为875187C51的擦除时间的百分之一,与875187C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽2.7V-6V,全静态工作,工作频率宽,在0MHz-24MHz内,比875187C51等51系列的6MHz-12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制[13]。
另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时计数器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
3.2.5AT89C51引脚介绍及分配
引脚描述:
P0口:
P0口是一组8位漏极开路双向IO口,也既地址数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器话程序存储器时,这组口线分时转换地址(底8位)和数据总线服用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接受指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可操作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,P1接收底8位地址。
P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对断口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执
- 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。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 原创 基于 单片机 数字 电压表 设计 毕业论文 40 论文 41