毕业设计基于AT89C51单片机的数字电压表设计.doc
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1、邕 江 大 学毕业设计(论文)设计题目基于AT89C51单片机的数字电压表设计专题部分 姓名 李焕禄 学号 20080103007 院 工学院 专业与学制 应用电子技术 班别 2008级 指导教师 朱浩亮 日期2010年10月11日目 录摘 要1绪 论2一、硬件电路设计3(一)数字电压表工作原理3(二)主控模块4(三)模拟转化模块6(四)显示模块9(五)电源模块13二、软件设计14三、调试和分析15(一)系统软硬件调试15(二)数据结果分析16结束语16致 谢17参考文献18附录 整体设计电路图20附录 程序源代码21摘 要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扩展成的各种
2、数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种电压测量电路,该电路采用ADC0809高精度A/D转换电路,测量范围直流0-5V,使用LCD液晶模块显示,可以与PC机进行串行通信。正文着重给出了软硬件的各部分电路,介绍了模数转换器原理,AT89C51特点,及LCD1602的功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键词:电压测量,ADC0809,AT89C51,LCD1602AbstractDigital voltmeter is a lot of digital instrument the core and founda
3、tion. With digital voltmeter as the core of various expanded into digital instrument that covered nearly electronic electrician measurement, industrial measurement and automation system, etc. This paper introduces A based on AT89C51 A voltage measurement circuit, this circuit adopts ADC0809 high-pre
4、cision A/D circuit, measurement range 0 - 5V dc, use LCD module that can be with the PC for serial communication. The text mainly gives each part of a circuit hardware and software, this paper introduces the principle of adc, AT89C51 features and LCD1602 function and application. The circuit design
5、novel, powerful, flexible expandability.Keywords: voltage measurement, ADC0809, AT89C51, LCD1602绪 论电压、电流和功率是表征电信号能量大小的三个基本参数,其中又以电压最为常用。通过电压测量,利用基本公式可以导出其他的参数;此外,电路中电流的状态,如饱和、截止、谐振等均可用电压形式来描述;许多电参数,如频率特性、增益、调制度、失真度等也可视为电压的派生量;许多电子测量仪器,如信号发生器、阻抗电桥、失真度仪等都用电压量作为指示。因此,电压测量是其他许多电参数量,也包括非电参数量测量的基础,是相当重要、相
6、当普及的一种参数测量。传统的电压测量,采用指针式模拟电压表。由于电子技术、计算机技术和大规模集成电路的应用,数字式电压测量仪逐渐代替了模拟式电压测量仪,并且向高精度、多功能和智能化发展。数字电压表(Digital Voltmeter)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。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,采用单片机控制的数字电压表,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。当今,数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期,一方面它开拓了电子测量领域的先河,另一方面它本身正朝
7、着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外,数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进,日臻完善。 本设计采用8位CMOS ADC0809来进行A/D转换,属于逐次逼近性直流数字电压表。该数字电压表采用LCD显示,除具有一般数字电压表读数直观准确、测量速度快、输入阻抗大、测量范围宽之外,还具有读数保持的功能。电路特点是成本低,简单,体积小,安全性好,可扩展性强(只需加上各种转换器就可构成万用表)。一、硬件电路设计数字电压表的实现分为四大部分。第一部分是主控模块,第二部分是模拟转化模块,第三部分是显示模块,第四部分是电源供电模块。主控模块采用AT89C51单片机为控制核心,
8、模拟转化模块由芯片ADC0809完成模拟到数字量的转化,显示模块使用液晶显示LCD1602。系统整体设计框图如图1-1所示:图1-1 系统整体设计框图(一)数字电压表工作原理本设计采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电压表1-2。该电路通过ADC0809芯片采样输入口IN0输入的05 V的模拟量电压,经过模/数转换后,产生相应的数字量经过其输出通道D0D7传送给AT8CS51芯片的P2口。A/D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再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C51来完成,其负责把接收到的数字量经
9、过数据处理,产生正确的ASCII码,并通过其P0口传送给LCD1602显示出来;同时由P3.5、P3.6、P3.7控制液晶显示的指令及数据的读入写出和控制信号。另外,AT89C51还通过信号位控制着ADC0809的工作。(二)主控模块该模块采用ATMEL推出的AT89C51实现。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦出(FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)低电压,高性能CMOS8位微处理器3-4。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储
10、器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案5。其管脚图如图1-2所示。图1-2 AT89C51管脚图1、功能特性主要特性:与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 管脚功能VCC:供电电压。GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第
11、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/地址的第八位。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的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,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。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的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
12、拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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口输出地址的高八位。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的内容。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个带内部上拉电阻的双向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)这是由于上拉的缘故。RST:复位输入。当振荡
13、器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是: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的输出可在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:外部程序存储器的选通信号。在由外部
14、程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/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:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。2、单片机最小系统单片机要正常工作必须构成最小系统,也就说形成最小系统才能发挥内部各个器件的功能。最简单的最小系统有
15、两部分组成,一部分是单片机;另一部分是外围电路,外围电路主要器件是晶振。 最小系统时钟震荡采用内部震荡,如图2-3(a)所示;单片机最小系统如图2-3(b)所示。 (a)内部时钟振荡 (b)最小系统图1-3 AT89C51最小系统(三)模拟转化模块A/D转换器是模拟量输入通道中的一个环节,单片机通过A/D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A/D转换器,以满足不同应用场合的需要。如果按照工作原理划分,ADC主要有4种类型,即双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器和计数比较式A/D转换器。目前最常用的是双积分和
16、逐次逼近式。双积分式A/D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A/D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。本设计中采用具有逐次逼近式A/D转换器的ADC0809芯片。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器。它可以和微型计算机直接接口。ADC0809转换器的系列芯片是ADC0808,可以相互替换。ADC0809的结构图如图2-4所示。
17、 (a) 引脚结构 (b) 内部结构图1-4 ADC0809的结构图ADC0809的内部结构包括8路模拟选通开关、通道地址锁存器与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存器。多路开关接8路模拟量输入,可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换,输出具有TTL三态锁存器,可直接连到单片机数据总线上。多路模拟开关可选通8路模拟通道,允许8路模拟量分时输入,并共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存与译码,如表1-1所示。表1-1 ADC0809通道选择表 C(ADDC)B(ADDB)A(ADDA)选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN31
18、00IN4101IN5110IN6111IN71、ADC0809各引脚功能如下:1)IN7IN0模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有:信号单极性,电压范围05V,若信号过小,还需进行放大。另外,模拟量输入在A/D转换的过程中,其值应保持不变,因此,对变化速度快的模拟输入量,在输入前应增加采样保持电路。2)A、B、C地址线。A为低位地址,C为高位地址,用于对8路模拟通道进行选择。3)ALE地址锁存允许信号。由低至高电平正跳变将通道地址锁存至地址锁存器中。 4)START启动转换信号。START上跳沿时所有内部寄存器清0;START下跳沿时,开始进行A/D转换。在A/D转换期间,
19、START应保持低电平。5)D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式,可以和单片机的数据线直接相连。6)OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机上输出转换得到的数据。OE=0,输出数据线呈高电阻态;OE=1,输出转换得到的数据。7)CLOCK时钟信号。ADC0809内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,要求频率范围10kHz1.2MHz。通常使用频率为500 kHz的时钟信号。8)EOC转换结束状态信号。EOC0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志,又可以作为中断请求信号使用。9)VCC+5V电源。10)REF(+)、REF(-)参考电压。参考电压用
20、来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。其典型值为REF(+)=+5V,REF(-)=0V。2、ADC0809的工作原理:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。(注意:ALE信号常与START信号连在一起,这样连接可以在信号的前沿写入地址信号,在其后沿
21、启动A/D转换)。3、ADC0809应用说明: 1)ADC0809内部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。 2)初始化时,使ST和OE信号全为低电平。 3)送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。 4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5)是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。 6)当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。(四)显示模块显示接口用来显示系统的状态,命令或采集的电压数据。本系统显示部分采用LCD液晶模块。液晶显示具有工作电压低、低功耗、显示信息量大和借口方便等优点,已被广泛应用于计算机和数字仪表等领域,成为测量结
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