单片机原理及接口技术课程设计数....doc

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1、辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 数字电压表设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气103 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.06.24-2013.07.12课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目数字电压表设计课程设计（论文）任务电压测量范围：0500 V；测量精度：05；量程自动切换；采用LED显示；可用现场提供的220 V交流电源。 设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 电压检测电路设计3. 显示电路及

2、电源电路设计4. .程序流程图设计及程序编写技术参数：1电压测量范围：0500 V；测量精度：052工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，电压检测电路以及显示电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第4天 CPU最小系统设计第5天 电压检测电路设计第6天显示电路及电源电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语

3、及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要数字电压表（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。本课题是利用单片机设计一个数字电压表，能够测量0500V之间的直流电压值，四位数码管显示，使用的元器件数目较少。外界电压模拟量输入到A/D转换部分的输入端，通过ADC0809转换变为数字信号，输送给单片机。然后由单片机给数码管数字信号，控制其发光，从而显示数字。关键词：数字电压表；单片机；AT89C

4、51；ADC0809目 录第1章 绪论11.1 数字电压表概况11.1 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 数字电压表总体设计方案22.2 CPU的选择22.3 数据存储器扩展32.4 复位电路设计42.5 时钟电路设计42.6 CPU最小系统图5第3章 数字电压表输入输出接口电路设计63.1 数字电压表量程的选择63.2 数字电压表检测接口电路设计63.2.1 A/D转换器选择63.2.2 模拟量检测接口电路图73.3 数字电压表输出接口电路设计83.4 电源电路设计8第4章 数字电流表软件设计104.1 流程图设计104.1.1 主程序流程图设计104.1.2 A/D流程图设

5、计10第2章 系统设计与分析122.1 系统原理图122.2 系统原理综述13第5章 课程设计总结14参考文献15第1章 绪论1.1 数字电压表概况 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

6、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。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,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是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,本文A/D转换器采用ADC0809对输人模拟信号进行转换, 控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理,最后驱动输出装置显示数字电压信号。数字电压表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基

7、本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了1.1 本文研究内容本课题是利用单片机设计一个数字电压表，其设计要求如下：1. 电压测量范围：0500 V；2. 测量精度：05；量程自动切换；3. 采用LED显示；4. 可用现场提供的220 V交流电源。第2章 CPU最小系统设计2.1 数字电压表总体设计方案数字电压表的系统工作原理：首先，被测电压信号进入AD转换器，单片机中控制信号线发出控制信号，启动AD转换器进行转换，其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最后发出显示控制与驱动信号，驱动外部的数码管显示相应的数据。图2.1所示为数字电压表系统硬件设计框图。 时钟电

8、路复位电路A/D转换电路测量电压输入显示系统AT89C51 图2.1 数字电压表系统硬件设计框图2.2 CPU的选择在本次课题设计中我们选择了AT89S51芯片。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性

9、价比的解决方案。AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图2.2所示。图2.2 AT89C51引脚配置2.3 数据存储器扩展当74LS373用作地址锁存器时

10、，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q1Q8 状态与输入端D18状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D1D8 数据锁入Q1Q8。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在AT89C51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如图2.3所示。图2.3 51单片机与74LS373连接方法其中输入端D1D8接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。2.4 复位电路设计复位是单片机的初始化操作。其功能主要是将程序计数器(PC)初始化为0000H，使单片机从00

11、00H单元开始执行程序，并将特殊功能寄存器赋一些特定值。复位是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态一种操作。复位是上电的第一个操作，然后程序从0000H开始执行。在运行中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”。要使其进入正常状态，唯一办法是将单片机复位，以重新启动。RST引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与VSS引脚之间接一个下拉电阻，与VCC引脚之间接一个电解电容，即可保证上电自动复

12、位。复位电路如图2.4所示。本文选用手动复位电路。 自动复位 手动复位图2.4 自动和手动复位电路图2.5 时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图2.5所示。图2.5 时钟电

13、路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。2.6 CPU最小系统图根据上述4节图，形成完整的CPU最小系统图如图2.6所示。图2.6 CPU最小系统图第3章 数字电压表输入输出接口电路设计3.1 数字电压表量程的选择量程电路如图3.1所示，对待侧模拟电压值按不同的范围，分为Ui，0.1Ui，0.01Ui，0.001Ui，

14、0。0001Ui五档，处理的信号送入单片机进行处理并显示。量程的选择电路原理是采用电阻分压的原理制成的。图3.1量程设计3.2 数字电压表检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器选择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。A/D转换的常用方法有：计数式A/D转换，逐次逼近型A/D转换，双积分式A/D转换， V/F变换型A/D转换。在这些转换方式中，记数式A/D转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集及精度要求比较高的场合，如5G14433（31/2位），AD7555（41/2位或51/2位

15、）等，但速度更慢。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。如果按照转换原理划分，主要有3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。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。根据设计参数以及要求，选择A/D转换器芯片，并介绍其性能特性，转换精度。逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，这里选用的是逐次逼近型的A/D转换芯片ADC0809。芯片ADC0809如图3.2所示。图3.2 A/D转换芯片ADC0809AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、

16、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。3.2.2 模拟量检测接口电路图CPU和AD转换器电路连接图，即完整的模拟量检测硬件电路如图3.3所示。图3.3 完整的模拟量检测硬件电路3.3 数字电压表输出接口电路设计由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作7。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路

17、长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口德驱动能力，使得LED能按照正常的亮度显示出数字，如图3.4所示。图3.4 LED与单片机接口间的设计第4章 数字电流表软件设计4.1 流程图设计4.1.1 主程序流程图设计根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图4.1所示

18、。开始初始化调用A/D转换子程序调用数据处理子程序调用显示子程序 图4.1数字式直流电压表主程序框图4.1.2 A/D流程图设计A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图4.2所示。启动转换A/D转换结束？输出转换结果数值转换显示 否 是图4.2 A/D流程图设计第2章 系统设计与分析2.1 系统原理图图5.1数字电压表的硬件原理电路图2.2 系统原理综述此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC08009的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换

19、后，产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0809的工作。其中，单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波，接到ADC0809的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D转换，P2.5检测A/D转换是否完成，转换完成后，P2.7置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来。第5章 课程设计总结数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础,电压

20、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,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是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。基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.44 谢维成、杨加国 主编 单片机原理与应用及C51程序设计实例 电子工业出版社，2006.3 5 宋凤娟，孙军，李国忠 主编 基于89C51单片机的数字电压表设计J 工业控制计算机，2007.46 苗红霞 主编 单片机实现数字电压表的软硬件设计J 河海大学常州分校学报，2002.037 李广弟 主编 单片机基础 北京航空航天大学出版社，2007.5 8 李建忠 主编 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社，2004