电压表实习报告.docx
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电压表实习报告.docx
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电压表实习报告
单片微型计算机与接口技术实习报告
课题名称:
数字电压表设计
专业:
通信工程
姓名:
赵辉
班级学号:
0139
班级:
通信09-1
指导教师:
李鹏威
摘要
数字电压表(DigitalVoltmeter)是出现在50年代初,60年代末发起来的电压测量仪表,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,也就是连续的电压值转变为不连续的数字量,加以数字处理然后再通过显示器件显示。
这种电子测量的仪表之所以出现,一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域,提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求,即为了实时控制及数据处理的需要;另一方面,也是电子计算机的发展,带动了脉冲数字电路技术的进步,为数字化仪表的出现提供了条件。
所以,数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的;同时,为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展,如今,它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。
传统的指针式电压表功能单一、精度低,不能满足数字化时代的需求,采用单片机的数字电压表,由精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便,还可与PC进行实时通信。
目前,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,示出强大的生命力。
与此同时,由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
这次设计的重点是介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。
一、实习题目……………………………………………………4
二、实习目的……………………………………………………4
三、实习要求……………………………………………………4
四、实习环境……………………………………………………4
五、实习内容……………………………………………………4
六、设计原理……………………………………………………4
1、用电位计提供模拟电压………………………………………4
2、串行显示74HC595完成LED显示…………………………4
七、89S52单片机……………………………………………5
1、单片机的基本功能……………………………………………5
2、单片机的基本结构……………………………………………6
八、A/D转换TLC2543芯片………………………………7
1、TLC2543芯片的封装引脚图和引脚说明…………………7
2、控制字…………………………………………………………9
3、TLC2543串行A/D转换器……………………………………10
九、设计过程…………………………………………………11
1、系统总图…………………………………………………………11
2、A/D转换部分…………………………………………………12
3、电源部分……………………………………………………13
4、主程序设计……………………………………………………13
一十、实习心得…………………………………………………16
一十一、参考资料………………………………………………17
一、实习题目:
数字电压表设计
二、实习目的
1、掌握单片机接口技术的功能和基本的应用。
2、正确应用中断程序的中断触发程序,掌握LED灯显示的原理和控制方法。
3、正确应用中断程序的中断触发程序,掌握LED灯显示的原理和控制方法。
4、进一步学习汇编语言和C语言。
5、加强学习基本知识,并且将所学的只是应用到现实设计中去。
三、实习要求
1、掌握单片机设计原理,SPI总线原理,TLC2543的基本应用。
2、利用A/D转换器设计一数字电压表,量程为0—+,通过4位数码管显示。
四、实习环境
1、上机利用编写,利用WAVE或kiel进行调试。
2、编译通过后下载到试验箱进行验证。
五、实习内容
1、用电位计提供模拟电压
2、用串行A/DTLC2543采集电压
3、利用串行显示74HC595完成LED显示当前电压值
六、设计原理
1、用电位计提供模拟电压
电位计或称电压计,也称为可变电阻器,通常被制造成不管使用多久均能维持原有的特性,若当位置传感器使用,电位计可以是直线或旋转式位置传感器。
电位计输出一个电压值,其正比于沿着可变电阻器之滑动器的位置。
因为温度变化、磨耗及滑动器与可变电阻器之间的污垢均会造成电阻变化,影响电位计的精度,因此,电位计有太低的准确度。
由于材料的发展,特别是在导电性塑料,使得电位计在使用很长时间后仍可以维持原有特性,同时也改进它们的性能。
2、串行显示74HC595完成LED显示
每位LED显示器段选线和74HC595的并行输出端相连,每一位可以独立显示在多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,节省系统资源,将所有的N位段选码并联在一起,由一片74HC595控制。
由于所有LED的段选码皆由一个74HC595并行输出口控制,因此,在每一瞬间,N位LED会显示相同的字符。
想要每位显示不同的字符,就必须采用扫描的方法,即在每一瞬间只使用一位显示字符。
在此瞬间,74HC595并行输出口输出相应字符段选码,而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平,以保证该位显示相应字符。
如此轮流,使每位分时显示该位应显示字符。
由于74HC595具有锁存功能,而且串行输入段选码需要一定时间,因此,不需要延时,即可形成视觉暂留效果。
段选码由五片74HC595控制,段选数据由74HC595的SER引脚串行输入,由于输出使能时钟RCLK并接在一起,因此,五片74HC595并行输出端同时输出。
而五个LED位选信号也并接在一起,因此,一次可以同时点亮五位LED。
此过程类似于静态显示。
每片74HC595并行输出端并接8位LED,用于扫描输出,此过程类似于动态扫描过程。
此方法运用5片74HC595,n条位选信号,即可实现3n位LED显示。
此种方法实现多位LED显示程序框图为图1所示,MCU为89S52。
图1
七、89S52单片机
1、单片机的基本功能
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2、单片机的基本结构
单片机是由8个大的部分组成的,这8个部分分别是中央处理器(CPU).数据存储器(RAM).程序存储器(ROM/EPROM).输入、输出接口(I/O),又分为P0口P1口P2口和P3口,可编程串行口,定时、计数器,中断系统及特殊功能寄存器。
(1)AT89S52单片机的结构
上图是AT89S52单片机引脚配置图,40个引脚中,正电源和接地两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
引脚说明如下:
①Pin20:
接地线
②Pin40:
正电源接脚。
正常工作或对片内EPROM烧写程序时,AT89S52可以接~范围内的直流正电源,一般取代+5V作为电源使用
③Pin19:
时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端
④Pin18:
时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端
⑤输入/输出(I/O)引脚:
Pin39~Pin32为~输入/输出脚,Pin1~Pin8为~输入/输出脚,Pin21~Pin28为~输入/输出脚,Pin10~Pin17为~输入/输出脚。
⑥Pin9:
RST复用信号复用脚。
(当单片机通电后,时钟电路开始工作,在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0~P3输出口全部为高电平,堆栈指针写入07H,其他专用寄存器被清“0”,RST由高电平变为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
⑦Pin30:
ALE/PROGALE,当访问外部程序存储器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低字节,而访问内部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以识别单片机是否在工作,也可以当作一个时钟周期向外输出;还有一个特点,当访问外部程序存储器时,ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM在编程期间,PROG将用于输入编程脉冲。
⑧Pin29:
PESN,当访问外部程序存储器时,此引脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P3口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
⑨Pin31:
EA/VPP,程序存储器的内外部选通线。
八、A/D转换TLC2543芯片
1、TLC2543芯片的封装引脚图和引脚说明如下:
引脚说明:
引脚号
名称
I/O
说明
1-9,11,12
AIN0-AIN10
I
模拟输入端。
15
~CS
I
片选端。
17
Datainput
I
串行数据输入端。
16
Dataout
O
用于A/D转换结果输也的3态串行输出端
19
EOC
O
转换结束端
10
GND
接地端
18
I/Oclk
I
输入/输出时钟端
14
REF+
I
正基准电压端
13
REF-
I
负基准电压端
20
VCC
正电压端
各引脚的使用详细介绍。
(1)AIN0-AIN10这11个模拟信号输入由内部多路选器选择。
对的I/Oclk,驱动源阻抗必须小于或等于50欧并且能够将模拟电压由60PF的电容来限制其斜率。
(2)在CS端的一个由高低低变化将复位内部计数器并控制使能dataout,datainput和I/Oclk。
一个由低至高的变化将在一个设置时间内禁止datainput和I/Oclk.
(3)串行数据输入端datainput是一个4位的串行地址选择下一个即将被转换的所需的模拟输入或测试电压。
串行数据以MSB为前导并在I/Oclk的前4个上升沿被移入。
在4个地址位被读入地址寄存器后,I/Oclk将剩下的几位依次输入。
(4)Dataout在CS为高时处于高阻抗状态,而当CS为低时处于激活状态。
CS一旦有效,按照前一次转换结果的MSB/LSB值将dataout从高阻抗状态转变成相应的逻辑电平,I/Oclk的下一个下降沿将根据下一个MSB/LSB将dataout驱动成相应的逻辑电平,剩下的各位依次移出。
(5)EOC在最后的I/Oclk下降沿之后,从高电平变为低电平并保持低直到转换完成及数据准备传输。
(6)GND端是内部电路的地回路端,除加有说明外,所有电压测量都相对于GND
(7)I/Oclk端串行输入并完成以下四个功能:
第一,在I/Oclk的前8个上升沿,它将8个输入数据信键入输入数据寄存器。
在第4个上升沿之后为多路器的地址。
第二,在I/Oclk的第4个下降沿,在选定的多路器的输入端上的模拟输入电压开始和电容器充电并继续到I/Oclk的最后一个下降沿。
第三,它将前一次转换的数据的其余11位移出dataout端。
在I/Oclk的下降沿时数据变化。
第四,在I/Oclk的最后一个下降沿它将转换的控制信号传送到内部的状态控制位。
(8)REF+端通常接VCC,最大输入电压范围取决于加于本端与加于REF-端的电压差。
(9)REF-端通常接地。
2、控制字
TLC2543的工作过程如下:
首先在8、12或16时钟周期里向片内控制寄存器写入8位的控制字,控制字中的2位决定时钟长度,在最后一个时钟周期的下降沿启动AD转换过程,经过一段转换时间,在随后的8、12或16个时钟周期里,从DATAOUT脚读出数据。
控制字的定义见下表:
控制字的前四位(D7-D4)代表11个模拟通道的地址;当其为1100-1110时,选择片内检测电压;当其为1111时,为软件选择的断电模式,此时,AD转换器的工作电流只有25uA.
控制字的第3位和第4位(D3一D2)决定输出数据的长度,01表示输出数据长度为8位;11表示输出数据长度为16位;X1表示输出数据长度为12位,X可以为1或0。
控制字的第2位(D1)决定输出数据的格式,0表示高位在前,1表示低位在前。
控制字的第1位(D0)决定转换结果输出的格式。
当其为0时,为无极性输出(无符号二进制数),即模拟电压为Vnef+,时,转换的结果为0FFFH;模拟电压为Vnef-时,转换的结果为0000H。
当其为1时,为有极性输出(有符号二进制数),即模拟电压高于(Vnef+-Vnef-)/2时符号位为0;模拟电压低于(Vnef+-Vnef-)/2时符号位为1;模拟电压为Vnef+时,转换的结果为03FFH;模拟电压为Vnef-时,转换的结果为0800H。
模拟电压为(Vnef+-Vnef-)/2时,转换的结果为0000H。
3、TLC2543串行A/D转换器
模块采用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O资源,且价格适中。
其特点有:
(1)12位分辨率A/D转换器;
(2)在工作温度范围内10μs转换时间;(3)11个模拟输入通道;(4)3路内置自测试方式;(5)采样率为66kbps;(6)线性误差+1LSB(max)(7)有转换结束(EOC)输出;(8)具有单、双极性输出;(9)可编程的MSB或LSB前导;(10)可编程的输出数据长度。
九、设计过程
1、系统总图
2、A/D转换部分
电压是模拟量,而数码管显示需要的是数字量,故需要采用A/D转换模拟信号为数字信号供数码管显示出来,可供选择的芯片有ADC0809,ADC574和TLC2543等等。
由于要求测量精度在5%,因此须选用12位精度的A/D转换器,且可直接驱动LED显示器工作,0809为8位精度,故不能采用,而综合性价比,TLC2543就成为了本次设计的首选。
由于TLC2543测量范围为0-+,故需要为其设计降压稳压电路。
被测量模拟量变为数字量之后,并不能通过数码管直接显示出来,而需要单片机加以处理形成段码才能显示出来。
而且,A/D电路的时钟与输入输出都需要单片机与其对接予以控制。
故选择含有内部闪存的89C51完成此工作。
该芯片无论从性能还是价格上都是非常合适的。
数字信号转换为段码并显示出来需要有程序和其它接口电路配合。
在程序上,A/D采集程序采用多次取值并求和求平均的方法得出双字节数据,然后通过双字节转换BCD码子程序得出BCD码。
硬件显示上选用动态扫描法,即数码管位选端连入单片机的某一组I/O口,片选端连入另一组I/O口,配合显示子程序实现显示。
此外,主程序和其它程序用中断方式进行组合。
显示所需的数码管,选用7段共阳极数码管,由于精度要求为5%,故本设计显示部分由四个数码管组成。
由于单片机各个I/O口的驱动能力有限,故应设计驱动电路。
本设计中的驱动电路主要与显示部分有关。
数码管的片选端需要连接上拉电阻和三机管以增强驱动能力,位选端也选择连接上拉电阻以增强驱动能力。
TLC2543与89S52连接图:
3、电源部分
本设计各芯片,数码管及单片机外围电路需要5V的直流电源,故需要一个稳定的5V直流稳压源。
根据模拟电子技术基础的知识,本设计选择含有7805三端集成稳压器的电源电路。
电路中选择二极管整流桥整流,电容进行滤波,并选用220V-9V变压器进行变压。
综上,本次设计选用89C52单片机作为核心,TLC2543作为A/D转换芯片,数码管作为显示器,7805稳压器为主的直流稳压电路做为电源,配合采集,转换,显示程序共同实现可测量0-10V直流电压的数字式电压表。
系统总设计框图:
4、主程序设计
主程序设计包括以下方面:
引脚介入定义。
按照硬件电路对单片机位定义。
编写延时模块程序。
编写驱动A/D转换模块程序。
源程序:
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0030H
ENAEQU
ENBEQU
ENCEQU
CLKEQU
INEQU
OUTEQU
START:
CLRENA
CLRENB
CLRENC
CLRCLK
NOP
NOP
MOVA,#34H
CLRC
MOVR0,#8
LOOP:
RLCA
MOVIN,C
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
NOP
NOP
DJNZR0,LOOP
MOVR0,#8
MOVA,#0
CLRC
LOOP1:
MOVC,OUT
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
NOP
NOP
RRCA
DJNZR0,LOOP1
MOVB,#33H
DIVAB
DAA
MOVR0,A
MOVA,B
MOVB,#5
DIVAB
DAA
MOVR1,A
MOVA,#10
MULAB
MOVB,#5
DIVAB
DAA
MOVR2,A
MOVA,#10
MULAB
MOVB,#5
DIVAB
DAA
MOVR3,A
MOVA,#10
MULAB
MOVB,#5
DIVAB
DAA
MOVR4,A
CLRENA
SETBENB
SETBENC
MOVDPTR,#TABLE
MOVA,#0
XY:
MOVA,R4
MOVCA,@A+DPTR
ACALLHC_595
MOVCA,@A+DPTR
ACALLHC_595
MOVA,R2
MOVCA,@A+DPTR
ACALLHC_595
MOVA,R1
MOVCA,@A+DPTR
ACALLHC_595
MOVA,#0x7F
ACALLHC_595
MOVA,R0
MOVCA,@A+DPTR
ACALLHC_595
MOVA,#0xFF
ACALLHC_595
MOVA,#0xFF
ACALLHC_595
MOVA,#0xFF
ACALLHC_595
MOVA,#0xFF
ACALLHC_595
SETB
SETB
SETB
LJMPSTART
HC_595:
MOVR7,#8
CLRC
CLRCLK
NOP
NOP
WW:
RLCA
MOVIN,C
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
NOP
NOP
DJNZR7,WW
RET
TABLE:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,82H,0C6H,0A1H,84H,8EH
SJMP$
END
十、实习心得
在为期一周的实习过程中,我学到了许多书本上学不到的知识,同上周的实习相比,我对这门课程的理解更加深刻。
周一老师布置完题目后,由于对需要掌握的知识还不是十分理解,于是我通过看教材和查资料等方式将各个芯片的用法和功能分析清楚,然后后和组员共同确定了设计方案,一步步地分模块地完成部分设计,最终成功地完成了整个系统的硬件和软件设计。
经过这次的实际动手操作,让我明白不仅要充分的掌握课本上的知识,而且要活学活用、学以致用,不能过分强调基本理论的掌握,而应该侧重于基本知识和实际的相结合。
我觉得,从单片机这门课程的特点来看,微机系统如何与外部设备连接、如何与它们交换信息,这才是我们学习单片机的关键所在,而具有一定的系统分析能力和设计能力才是本次实习的目的。
结束了两个周的单片机实习,真是让我们受益匪浅,而这次实习是软硬件结合,考察我们队电路的理解和编程能力,但是在编程的过程中我们遇到了很大的麻烦,对学过的好多东西都不熟悉,也就谈不上应用了。
对所学的东西也不能得心应手的应用的实践中去,因此我们的思维也就收到了限制。
本次实习使我把学到的理论知识和实际的硬件相结合,对单片机这门课程又有了新的理解和认识,这对于我今后的学习会有事半功倍的效果。
非常感谢学校给我们安排这次锻炼的机会,在此也感谢老师对我的指导和同学的帮助。
十一、参考资料
[1]李群芳.肖看.单品微型计算机与接口技术.电子工业出版社,第四版
[2]刘湘涛.江世明.单片机原理与应用.北京:
电子工业出版社,2006.
[3]李光才.单片机课程设计实例指导[M].北京航空航天大学出版社2004.
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