畢業(yè)設計論文_基于單片機的數字電壓表設計.doc

項目名稱： 數字電壓表設計 班 級： 電子201004班 姓 名： 黃潔 學 號： 201003041406 指導教師： 溫錦輝 日 期： 2012年6月4日 摘要： 在電路設計中我們時常會用到電壓表，過去大部分電壓表還是模擬的，雖然精度較高但模擬電壓表采用用指針式，里面是磁電或電磁式結構，所以響應較慢。為適應許多高速信號領域目前已廣泛使用數字電壓表。本設計是基at89c51單片機開發(fā)平臺和自動控制原理的基礎上實現的一種數字電壓表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用at89c51單片機作為控制核心，以adc088為數據采樣系統(tǒng)，實現被測電壓的數據采樣；使用系列比較器檢測輸入電壓的范圍，并通過繼電器陣列實現了輸入量程的自動轉換；使用共陰極數碼管顯示被測電壓。關鍵詞： 單片機、電壓檢測、模數轉換、 目 錄第一章 設計要求及目的- 4 -1.1 實訓要求- 4 -1.2 實訓目的- 4 -1.3 實訓意義- 4 -1.4 總體實訓方案- 4 -第二章 硬件設計思想和原理圖- 4 -2.1 原理及功能- 4 -2.2 系統(tǒng)總體設計框圖- 5 -2.3單片機引腳特性及性能- 5 -2.3 單片機系統(tǒng)- 7 -2.4 adc0809引腳圖及功能- 8 -2.5 adc0808的內部結構及工作流程- 10 -2.5 ad轉換電路- 11 -第三章 軟件設計與流程- 11 -3.1 程序流圖- 11 -3.2 功能介紹- 12 -第四章 軟件仿真及測試數據- 12 -4.1 仿真結果- 12 -總結- 14 -致謝- 14 -參考文獻：- 15 - 第一章 設計要求及目的1.1 實訓要求 基本要求：（1）以51單片機為設計核心，組成一個簡易的數字電壓表（2）測量電壓范圍0-5v（3）電壓用四位數碼管顯示，能夠顯示三位小數（4）盡量使用較少的元件1.2 實訓目的（1） 進一步熟悉和掌握單片機的結構和工作原理；（2） 掌握單片機的借口技術及，adc0808芯片的特性，控制方法；（3） 通過這次實訓設計，掌握以單片機為核心的電路設計的基本方法和技術；（4） 通過實際程序設計和調試，逐步掌握模塊化程序設計的方法和調試技術。1.3 實訓意義 通過完成一個包括電路設計和程序開發(fā)的完整過程，使自身了解開發(fā)單片機應用系統(tǒng)的全過程，強化鞏固所學知識，為以后的學習和工作打下基礎。1.4 總體實訓方案 測量一個05v的直流電壓，通過輸入電路把信號送給ad0808，轉換為數字信號再送至at89c51單片機，通過其p1口經數碼管顯示出測量值。第二章 硬件設計思想和原理圖2.1 原理及功能8路數字電壓表主要利用a/d轉換器，其過程為如下：先用a/d轉換器對各路電壓值進行采樣，得到相應的數字量，再按數字量與模擬量成比例關系運算得到相應的模擬電壓值，然后把模擬值通過數碼管顯示出來。設計時假設待測的輸入電壓為8路，電壓值的范圍為05v，要求能在4位led數碼上輪流顯示或單路顯示。測量的最小分辨率為0.019v。根據系統(tǒng)的功能要求，控制系統(tǒng)采用at89s51單片機，a/d轉換器。當輸入電壓為5v時，輸出的數據值為255（0ffh），因此最大分辨率為0.0196v（5/255）。adc0808具有8路模擬量輸入端口，通過3位地址輸入端能從8路中選擇一路進行轉換。如每隔一段時間依次輪流改變3位地址輸入端的地址，就能依次對8路輸入電壓進行測量。led數碼管顯示采用軟件譯碼動態(tài)顯示。通過按鍵選擇可8路循環(huán)顯示，也可以單路循環(huán)。單路顯示可通過按鍵選擇所要顯示的通道數。2.2 系統(tǒng)總體設計框圖 本系統(tǒng)采樣atmel89c51單片機作為控制核心，以adc0808為數據采樣系統(tǒng)，實現被測電壓的數據采樣；使用系列比較器檢測輸入電壓的范圍，用共陰極數碼管顯示結果。 顯示電路 輸入電壓 51單片機 極性檢測 ad轉換 電壓檢測 圖1電壓表硬件設計2.3 單片機引腳特性及性能at89c51是美國atmel公司生產的低電壓，高性能cmos8位單片機，片內含有4kb的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機存儲器。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 at89c51功能性能:與mcs-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4kb可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數據保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0-24mhz；三級程序存儲器鎖定；128*8b內部ram；32個可編程i/o口線；2個16位定時/計數器；5個中斷源；可編程串行uart通道；片內震蕩器和掉電模式6。 at89c51提供以下標準功能：4kb的flash閃速存儲器，128b內部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內震蕩器及時鐘電路，同時，at89c51可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存ram中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復位。at89c51采用pdip封裝形式，引腳配置如圖2所示。圖2 at89c51的引腳圖at89c51芯片的各引腳功能為：p0口：這組引腳共有8條，p0.0為最低位。這8個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89c51不帶外存儲器，p0口可以為通用i/o口使用，p0.0-p0.7用于傳送cpu的輸入/輸出數據，這時輸出數據可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數據可以得到緩沖，增加了數據輸入的可靠性；第二種情況是89c51帶片外存儲器，p0.0-p0.7在cpu訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送cpu對片外存儲器的讀/寫數據。p0口為開漏輸出，在作為通用i/o使用時，需要在外部用電阻上拉。p1口：這8個引腳和p0口的8個引腳類似，p1.7為最高位，p1.0為最低位，當p1口作為通用i/o口使用時，p1.0-p1.7的功能和p0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數據。p2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用i/o口使用，它的第一功能和p0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像p0口那樣傳送存儲器的讀/寫數據。p3口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，如下表1所示：p3口各位第二功能p3.0 rxt（串行口輸入）p3.1 txd（串行口輸出）p3.2/int0（外部中斷0輸入）p3.3/int1(外部中斷1輸入)p3.4t0（定時器/計數器0的外部輸入）p3.5t1（定時器/計數器1的外部輸入）p3.6/wr（片外數據存儲器寫允許） p3.7/rd（片外數據存儲器讀允許）表1 p3口各位的第二功能vcc為+5v電源線，vss接地。ale：地址鎖存允許線，配合p0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時，89c51的cpu在p0.0-p0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數據。在不訪問片外存儲器時，89c51自動在ale線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。/ea:片外存儲器訪問選擇線，可以控制89c51使用片內rom或使用片外rom,若/ea=1，則允許使用片內rom, 若/ea=0，則只使用片外rom。/psen：片外rom的選通線，在訪問片外rom時，89c51自動在/psen線上產生一個負脈沖，作為片外rom芯片的讀選通信號。rst：復位線，可以使89c51處于復位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89c51復位有自動上電復位和人工按鍵復位兩種。xtal1和xtal2：片內震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接89c51片內osc(震蕩器)的定時反饋回路。2.3 單片機系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括復位電路，晶振電路，電源電路，仿真時需搭建復位電路和晶振電路。單片機在啟動運行時都需要復位，使cpu和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。mcs-51單片機有一個復位引腳rst,采用施密特觸發(fā)輸入。當震蕩器起振后，只要該引腳上出現2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復位1。復位完成后，如果rst端繼續(xù)保持高電平，mcs-51就一直處于復位狀態(tài)，只要rst恢復低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種，圖3是51系列單片機統(tǒng)常用的上電復位和手動復位組合電路，只要vcc上升時間不超過1ms，它們都能很好的工作。 圖3 復位電路 單片機最小系統(tǒng)如下所示，其中p1口用于驅動數碼管，p0口用于接收adc0808轉換的數據。p2口用于控制adc0808。單片機中cpu每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴格按時間節(jié)拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。cpu執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應時間順序稱為單片機的時序。mcs-51單片機芯片內部有一個高增益反相放大器，用于構成震蕩器，xtal1為該放大器的輸入端，xtal2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路1。 本設計系統(tǒng)采用內部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2個電容即可，如圖4所示。圖4 時鐘電路電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數，電路中，電容器c1和c2對震蕩頻率有微調作用，通常的取值范圍是3010pf，在這個系統(tǒng)中選擇了33pf；石英晶振選擇范圍最高可選24mhz，它決定了單片機電路產生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12mhz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12mhz。 單片機最小系統(tǒng)： 圖5 單片機最小系統(tǒng)2.4 adc0809引腳圖及功能圖6 adc0808引腳圖內部結構adc0808是cmos單片型逐次逼近式a/d轉換器，它有8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型a/d轉換器。adc0808各個管教功能：15和2628（in0in7）：8路模擬量輸入端。 8、14、15和1721：8位數字量輸出端。 22（ale）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 6（start）： a/d轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動a/d轉換）。 7（eoc）： a/d轉換結束信號，輸出，當a/d轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 9（oe）：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當a/d轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。 10（clk）：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640khz。 12（vref（+）和16（vref（-）：參考電壓輸入端 11（vcc）：主電源輸入端。 13（gnd）：地。 2325（adda、addb、addc）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 表 2 adc0808模擬通道選擇2.5 adc0808的內部結構及工作流程adc0808由8路模擬通道選擇開關，地址鎖存與譯碼器，比較器，8位開關樹型a/d轉換器，逐次逼近型寄存器，定時和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內部結構如圖4所示。圖7 adc0808的內部結構其中：（1）8路模擬通道選擇開關實現從8路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進行比較。（2）地址鎖存與譯碼器用于當ale信號有效時，鎖存從adda、addb、addc 3根地址線上送來的3位地址，譯碼后產生通道選擇信號，從8路模擬通道中選擇當前模擬通道。（3）比較器，8位開關樹型a/d轉換器，逐次逼近型寄存器，定時和控制電路組成8位a/d轉換器，當start信號有效時，就開始對當前通道的模擬信號進行轉換，轉換完成后，把轉換得到的數字量送到8位三態(tài)鎖存器，同時通過引腳送出轉換結束信號。（4）三態(tài)輸出鎖存器保存當前模擬通道轉換得到的數字量，當oe信號有效時，把轉換的結果送出。adc0808的工作流程為：（1）輸入3位地址，并使ale=1,將地址存入地址鎖存器中，經地址譯碼器從8路模擬通道中選通1路模擬量送給比較器。（2）送start一高脈沖，start的上升沿使逐次寄存器復位，下降沿啟動a/d轉換，并使eoc信號為低電平。（3）當轉換結束時，轉換的結果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使eoc信號回到高電平，通知cpu已轉換結束。（4）當cpu執(zhí)行一讀數據指令時，使oe為高電平，則從輸出端d0-d7讀出數據。2.5 ad轉換電路利用adc0808作為ad數據采樣器件, adc0808是cmos單片型逐次逼近式ad轉換器它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型da轉換器、逐次逼近。adc0808的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 ad轉換，之后eoc輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到ad轉換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當oe輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。 第三章 軟件設計與流程3.1 程序流圖軟件部分采用模塊化程序設計的方法，由單片機控制主程序、a/d轉換子程序、電壓檢測及繼電器控制程序、液晶顯示組成。系統(tǒng)軟件設計是在keilc編譯環(huán)境下進行的，由于c語言程序可移植性好，所以提高了編程的效率。 圖8模擬轉換程序的流程圖3.2 功能介紹p0首先接收數據，據此控制pc6,pc7實現電壓轉換，保證正電壓輸出。pb0,pb1,pb2,pb3,pa6的輸入值通過pa1,pa2,pa3,pa4,pa5控制繼電器1，2，3，4，5實現電壓增減并輸入a/d轉換器max187進行測量。最后輸入pb4,pb6,pb7并由輸入數碼管顯示。 第四章 軟件仿真及測試數據4.1 仿真結果將寫好的程序下載到仿真軟件中的單片機中，點擊運行，觀察數碼管顯示數值與圖中輸入電壓進行比較。理解其誤差有多大。由于仿真軟件缺少相應器材，故而未能進行徹底仿真。總體電路圖如圖9所示： 圖9 總結本次項目基于單片機at89c51采用8位逐次逼近式a/d轉換器adc0809設計的電壓檢測裝置。用單片機進行數據控制、處理，送到顯示器顯示