基于51单片机的简易数字电压表的设计.docx

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基于51单片机的简易数字电压表的设计

题目：

基于51单片机的简易数字电压表的设计

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单片机的简易数字电压表的设计

研究的目标、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的设计，使用发光二极管来显示所要测试模拟电压的数字电压值。

内容：

设计符合要求的原理图，完成硬件电路设计，设计符合要求的软件。

方法：

分阶段，分模块设计，先自己查找相关资料，熟悉设计要达到的目标，然后进行硬件电路的设计，最后实现软件设计，并且书写规范的设计论文。

分阶段完成的工作

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的设计。

3、2010年10月1日之前完成各模块软件的设计。

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，完成设计报告的撰写。

6、离校顶岗实习之前进行设计答辩。

系（部）主任意见

随着我国现代化技术建设的发展，电子检测技术日新月异,本此设计基于80C51单片机的一种8路输入电压测量电路，该电路采用ADC0809A/D转换元件,实现数字电压表的硬件电路与软件设计。

该系统的数字电压表电路简单,可以测量0～5V的电压值,并在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。

所用的元件较少,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转换量的测量,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，离散的数字形式加以现实的仪表。

传统的指针是电压表功能单一，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，不可与PC进行实时通信。

目前由各种单片机A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛的应用为电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式，并加以显示，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉的疲劳，目前数字电压表的核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。

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；程序的设计使用汇编语言编程，利用纬福软件对其编译，详细的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转换器的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转换器的工作原理

主要介绍以下三种方法：

（1）.逐次逼近法

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

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转换后生成的模拟量送入比较器，称为   Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量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，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的   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

采用双积分法的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的时间间隔，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转换的原理框

双积分法A/D转换的过程是：

先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压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的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

（3）电压频率转换法

采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定的

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

电压频率转换法的工作过程是：

当模拟电压V/I加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的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

目前的实时信号处理机要求ADC尽量靠近视频、中频甚至射频，以获取尽可能多的目标信息。

因而，ADC的性能好坏直接影响整个系统指标的高低和性能好坏，从而使得ADC的性能测试变得十分重要，表征ADC性能的参数，由于尚无统一的标准，各主要器件生产厂家在其产品参数特性表中给出的也不完全一致。

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的静态特性是指其与时间特性无关的特性，主要包括以下几类：

1）分辨率

ADC的分辨率定位为二进制末位变化1所需的最小输入电压与参考电压的比值，即ADC能够分辨的最小的模拟量的变化。

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的N次幂的比值，其中N位被数字化的数字信号的二进制位数。

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的最大值与最小值之差；动态范围是指全输入范围与ADC最小可分辨的量值之比。

4）偏置误差和增益误差

ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC的输入电压与理论上使最低位被置成“1”状态时的输入电压之差。

当偏置误差高速为零之后，输出为全1时对应的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的动态特性是指输入为交变简谐信号时的性能技术指标，它是与ADC的操作速度有关的特性。

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的信号输出所用的时间，它是高速ADC的一项重要指标。

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的保持模式输出在采样保持转换时，相对该时刻存在的输入电平之间的误差将会限制在一定的误差范围内所需的时间。

2）频率响应

它是冲击响应的傅立叶变换，其最佳表达方式是幅频与相频曲线，从系统辨识的角度看这是在频域对ADC动态线性特性的非参数模型描述。

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的最大偏差。

每个数码的偏差都是由那个数码的中心值来度量的。

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实际转换特性的码宽（1LSB）与理想代码宽度之间的最大偏差，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）是信号电平的有效值与各种噪声（包括量化噪声、热噪声、白噪声等）有效值之比的分贝数。

其中信号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值（除谐波分量和直流分量外）。

5）小信号带宽和全功率带宽

ADC的模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FFT分析得到的基波频谱下降到3dB处的带宽（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采集的数字信号经D/A转换位模拟信号再用传统的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的性能也将影响A/D指标的测试；

1．3常用ADC芯片概述

A/D转换器是用来通过一定的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转换器的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的引脚如图所示，下面对引脚功能做简要说明:

图3.1ADC0809引脚

IN0~IN7：

8个模拟量的输入端。

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