毕业论文数字电压表设计.doc
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1、保密类别 编 号 武汉大学毕 业 论 文 数字电压表设计系 别 专 业 年 级 学 号 姓 名 指导教师 武汉大学年 月 日 摘要本文是基于单片机的数字电压表设计,将模拟电压量直接转换成数字量,用数码管来显示。首先,介绍了数字电压表的特点。其次,介绍了数字电压表的设计方案和各元器件的选择,并对各元器件做了简单的介绍;然后对设计方案做了整体介绍,其基本原理是,模拟电压量经过A/D转换芯片转换成数字量,送入单片机进行处理。最后输出的数据在经过线路驱动器送入数码管显示电压大小。最后介绍了程序流程,并用KEIL和PROTUES联机调试进行仿真。调试完成之后进行硬件焊接,测试并进行行改进。本设计控制系采
2、用AT89C52单片机,A/D转换采用ADC0809,系统除能保确实现要求的功能以外,还能方便进行8路其他A/D转换量得测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理、显示控制等组成。关键词:单片机 AT89C52 A/D转换 ADC0809 数码显示 目 录第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义11.2 数字电压表的研究现状2第2章 总体方案设计2.1 设计方案比较32.1.1 基于不同微处理器的两种方案32.1.2 基于不同A/D转换器的两种方案32.2 设计思路4第3章 系统硬件设计3.1 核心元器件介绍53.1.1 单片机AT89C52介绍53.1.2
3、模数转换ADC0809芯片93.1.3 LED显示器简介113.2 硬件电路设计123.2.1 总体设计123.2.2 单片机最小系统设计123.2.3 A/D转换模块14第4章 系统软件设计4.1 程序设计总方案154.2 系统子程序设计154.2.1 初始化程序154.2.2 A/D转换子程序154.2.3 显示子程序16第5章 调试仿真5.1 Proteus仿真软件介绍175.1.1 软件简介175.1.2 软件的功能模块175.2 仿真电路设计与程序编译185.2.1 Proteus电路设计185.2.2 keil 编译程序19结论21参考文献22附录23后记26 第1章 绪论1.1课
4、题研究的背景和意义 数字电压表出现在50年代初,60年代末发起来的电压测量仪表,简称DVM,它采用的是数字化测量技术,把连续的模拟量,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实验研究的领域,提出了将各种被观察量活被控制量转换成数码的要求,即为了实现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。数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造,它刚开始是4位,50多年来,数字电压表有了不断的进步和提高。数字电压表是
5、从电位差计的自动化过程中研制成功的。开始是4位数码显示,然后是5位、6位显示,而现在发展到7位、8位数码显示;从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型;从最早的采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化;从一台仪器只能测1-2种参数到能测几十种参数的多用型;显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小,重量不断变轻,价格也逐步下降,可靠性越来越高,量程范围也逐步扩大。DVM的高速发展,使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表,数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一,而高准度的DC-DVC的出现,又使DVM进入了精密
6、标准测量领域。随着现代化技术的不断发展,数字电压表的功能和种类将越来越强,越来越多,其使用范围也会越来越广泛。采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势,它们将不仅能提高测量准确度,而且能提高电测量技术的自动化程序,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。从而提高计量检定人员的工作效率。这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解,自己动手设计数字电压表与仿真,它可以广泛的应用于电压测量外,通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量,测量是一种认识过程,就是用实验的方
7、法将被测量和被选用的相同参量进行比较,从而确定它的大小。DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。所示我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。1.2数字电压表的研究现状中国数字电压表产业发展研究报告阐述了世界数字电压表产业的发展历程,分析了中国数字电压表产业发展现状与差距,开创性地提出了“新型数字电压表产业”及替代品产业概念,在此基础上,从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数字电压表产业”及替代产品的内涵。根据“新型数字电压表产业”及替代品的评价体系和量化指标体系,从全新的角度对中国数字电压表产业发展进行
8、了推演和精准预测,在此基础上,对中国的行政区划和四大都市圈的数字电压表产业发展进行了全面的研究。新型数字仪表的发展主要方向:(1)广泛采用新技术,不断开发新产品,向模块化发展(2)显示清晰直观,读数准确传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数,在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则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,测量结果是唯一的。(3)扩展能力强,测量速度快,抗干扰能力强数字电压表,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。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术,进一步提高了抗干扰能力,共模
9、抑制比可达180dB。(4)分辨率高,测量范围宽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。多量程DVM一般可测量01000V直流电压,配上高压探头还可测上万伏的高压。(5)输入阻抗高,集成度高,微功耗数字电压表具有很高的输入阻抗,通常为10M10000M,最高可达1T。并且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。 第2章 总体方案设计 2.1 设计方案比较2.1.1 基于不同微处理器的两种方案(1)由数字电路及芯片构建:这种设计方案是由
10、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转换器是它的核心器件,它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的,由逻辑控制电路产生控制信号,按规定的时序将A/D转换器中各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的数值。此方案设计其优点是,设计成本低,能够满足一般的电压测量。但设计不灵活,都是采用纯硬件电路,很难将其在原有的基础上进行扩展。(2)由单片机系统及 A/D 转换芯片构建:这种方案是利用单片机
11、系统与模数转换芯片,显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟,利用单片机系统的软硬件结合,可以组装出来。此方案的原理是模数(A/D)转换芯片的基准电压端,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的模拟电压信号转换成相应的数字信号,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的时序来采集这些数字信号,通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点,还能改进上一种设计方案设计不灵活,难于在原基础上进行功能扩展等不足。本设
12、计选用此种方案。2.1.2 基于不同A/D转换器的两种方案 方案1:采用双积分A/D转换器MC14433,它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端,采用动态扫描显示,便于实现自动控制,且具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,但芯片只能完成A/D转换功能,要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等,使得整部分硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案2:逐次逼近式A/D转换器。它的转换速度更快,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。这
13、样电路设计简单,电路板布线不复杂,便于焊接、调试。虽然MC14433的精度高,功耗低,但是此芯片的成本高,要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等,使得整部分硬件电路板布线复杂,根据本次设计的要求和目的,采用第二种方案。 2.2 设计思路本设计选择AT89C52单片机作为核心控制器件。A/D转换采用ADC0809实现。电压显示采用4位一体的LED数码管,LED数码管的段码输入由并行端口P2产生;位码输入由并行端口P3低四位产生。硬件电路设计由7个部分组成:主控模块AT89C52单片机系统,A/D转换电路,LED显示系统,LED驱动电路,复位电路,晶振电路以及测量电压输入电路。总体设计方框图如图2.
14、1所示。LED显示模块主控模块AT89C52驱动电路复位电路晶振电路ADC0809电压信号 图2.1 总体设计方框图 第3章 系统硬件设计3.1 核心元器件介绍3.1.1 单片机AT89C52介绍 图3.1 PDIP封装的AT89C52引脚图a.描述: AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。b.主
15、要特性:1、兼容MCS51指令系统2、8kB可反复擦写(大于1000次)Flash ROM;3、32个双向I/O口;4、256x8bit内部RAM;5、3个16位可编程定时/计数器中断;6、时钟频率0-24MHz;7、2个串行中断,可编程UART串行通道;8、2个外部中断源,共8个中断源;9、2个读写中断口线,3级加密位;10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。c.引脚描述: AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整
16、时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(3239脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制
17、端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/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P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash编程时,P0口接收指令字节,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是一个带内部
18、上拉电阻的8位双向I/O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低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。表3.1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性引脚号功能特性P1.0T2,时钟输出P1.1T2EX(定时/计数器2)P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I
19、/O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。对端口P2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低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。 Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑
20、门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。 P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能 P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PR
21、OG)。PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输
22、入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器 在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFE)。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外,还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2的控制和状态位位于T2CONT2MOD,寄存器对(RCAO2H、RCAP2L)是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。数据存储器AT89C52有256个字节的内部RAM,80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器(SFR)地址是重叠的,也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的,但物理
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