基于單片機的數(shù)字電壓表設計1

1、廣東技術師范學院天河學院plc課程設計報告基于單片機的數(shù)字電壓表設計系 別 電氣工程系 班 級 本自動化 學 號 學生姓名 指導老師 組 員 2012年6月摘要：本文介紹的是數(shù)字電壓表的發(fā)展背景和利用單片機，a/d轉(zhuǎn)換芯片結合的方法設計一個直流數(shù)字電壓表。它的具體功能是：最高量程為500v，分三個檔位量程，即5v，50v，500v，可以通過調(diào)檔開關來實現(xiàn)各個檔位，然后通過四位數(shù)碼管將被測數(shù)據(jù)加以顯示。目錄一、 數(shù)字電壓表簡介-1二、 數(shù)字電壓表設計兩種方案簡介-11. 由數(shù)字電路及芯片構建-22. 由單片機系統(tǒng)及a/d轉(zhuǎn)換芯片構建-2三、 本設計單片機的選擇-31. 本設計使用的單片機的簡介-

2、3四、 各種顯示器件的介紹和選擇-31. 常用顯示器件簡介-32. 數(shù)碼管的參數(shù)資料-4五、模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片的選擇-6 1. 常用的a/d芯片簡介-6 2. 模數(shù)（a/d）芯片ad0808的資料-6六總體設計-8七硬件電路系統(tǒng)模塊的設計-10八、系統(tǒng)軟件的設計-14 1. 程序設計-14九總結-18參考文獻-18一數(shù)字電壓表簡介：如今，數(shù)字電壓表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因為傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機的數(shù)字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時也非常的方便，抗干擾能力強，可擴展性強等優(yōu)點已被廣泛的應用于電子及電工

3、的測量，工業(yè)自動化儀表，自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域。顯示出強大的生命力。目前實現(xiàn)電壓數(shù)字化測量的方法仍然模-數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換的方法。而數(shù)字電壓表種類繁多，型號新異，目前國際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種：1 按用途來分：有直流數(shù)字電壓表，交、直流數(shù)字電壓表，交直流萬用表等。2 按顯示位數(shù)來分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3 按測量速度來分：有低準確度，中準確度，高準確度等。4 按測量速度來分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，數(shù)字電壓表一般是按照原理不同進行分類的，目前大致分為以下幾類：比較式，電壓時間變換式，積分式等。在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最

4、基本的三個被測量。其中，電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受用戶青睞，數(shù)字式電壓表就是基于這種需求而發(fā)展起來的，是一種必不可少的電子測量儀表。二數(shù)字電壓設計兩種方案簡介：設計數(shù)字電壓表有多種的設計方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以

5、必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字電壓表的設計方案。1由數(shù)字電路及芯片構建。 這種設計方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、a/d轉(zhuǎn)換器和基準電壓源；數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，a/d轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序?qū)/d轉(zhuǎn)換器中個組模擬開關接通或斷開，保證a/d轉(zhuǎn)換正常進行。a/d轉(zhuǎn)換結果通過計數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動顯示器顯示出相應的數(shù)值。此方案設計其優(yōu)點是，設

6、計成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設計不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎上進行擴展。2由單片機系統(tǒng)及a/d轉(zhuǎn)換芯片構建。這種方案是利用單片機系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結合構建數(shù)字電壓表。由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結合，可以組裝出許多的應用電路來。此方案的原理是模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統(tǒng)將

7、計算好了的被測電壓值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點，還能改進上一種設計方案設計不靈活，難與在原基礎上進行功能擴展等不足。三本設計單片機的選擇1. 本設計使用的單片機的簡介本設計中選用是51系列的at89c52，它是低電壓、低功耗、高性能的cmos8位單片機，片內(nèi)含8kb的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256b的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個i/o口線，3個16位定時/計數(shù)器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，并與mcs-51系列單片機兼容。在設計中，單片機起著連接硬件電路與程序運行及存儲數(shù)據(jù)的任務，一方面，它將a/d轉(zhuǎn)換器、顯示器和語音芯片等通過i/o口地址線和數(shù)據(jù)

8、線連接起來；另一方面，它將用戶下載的程序通過控制總線控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，從而實現(xiàn)冊電壓的功能。四各種顯示器件的介紹和選擇1常用顯示器件簡介本次設計中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管，led點陣，1602液晶，12864液晶等。led點陣顯示器件是由好多個發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長，耐濕，冷，熱等特點，led點陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英文字符，中文字符等。但用led點陣顯示的軟件程序設計比較麻煩。1602液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16*2即32個字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字這些字符有：阿拉伯數(shù)

9、字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。使用時直接編寫軟件程序按一定的時序驅(qū)動即可。它的特點是顯示字跡清楚，價格相對便宜。，它是由幾個發(fā)光二極管組成的8字段顯示器件，其特點是價格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅(qū)動每光，發(fā)光響應時間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長。 在本設計中，我們只需要顯示電壓的數(shù)字值，綜合上面各種顯示器件的特點：點陣顯示器件驅(qū)動顯示軟件程序編寫麻煩，占用的引腳相對也較多，不是理想的顯示器件。另外，選擇液晶顯示的話，液晶相對價格比數(shù)碼管貴的多，故本設計選用數(shù)碼管。2數(shù)碼管的參數(shù)資料我們選擇了a54

10、61ah數(shù)碼管做為本設計的顯示模塊的顯示器件。以下是a5461ah數(shù)碼管的各方面參數(shù)：a5461ah 四位共陰數(shù)碼管引腳圖詳解圖1 a5461ah 四位共陰數(shù)碼管內(nèi)部邏輯圖圖2 a5461ah 四位共陰數(shù)碼管實物引腳圖圖3 a5461ah 四位共陰數(shù)碼管封裝圖顯示字形gfedcba段碼001111113fh1000011006h210110116bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fha111011177hb11111007chc011100139hd10111105ehe11

11、1100179hf111000171hfbdpdecga五模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片的選擇在本設計中，模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換模塊是一個重要的模塊，它關系到最后數(shù)電壓表電壓值的精確度。所以，a/d芯片的選擇是設計過程中一個很重要的環(huán)節(jié)。1常用的a/d芯片簡介常用的a/d芯片有ad0832， ad0809等幾種。下面簡單介紹一下這兩種芯片。ad0832也是8位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，可支持致命傷個單端輸入通道和一個差分輸入通道。它易于和微處理器接口或獨立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選通各輸入通道。ad0808是8位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，它是由一個8路的模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個a/d

12、轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用a/d 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。些a/d轉(zhuǎn)換器是的特點是8位精度，屬于并行口，如果輸入的模擬量變化大快，必須在輸入之前增加采樣電路。綜合上述幾種a/d轉(zhuǎn)換芯片的特點，而且adc0808芯片我們學過，故在本設計中，我們選用adc0808芯片。2模數(shù)（a/d）芯片ad0808的資料綜合本設計的各方面考慮，我們選了ad0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。下面就介紹此芯片的各方面資料。ac0808芯片的封裝引腳圖和引腳說明如下： 內(nèi)部結構adc0808是cmos單片型逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，它有8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、

13、8位開關樹型a/d轉(zhuǎn)換器。引腳功能（外部特性）adc0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。各引腳功能如下：15和2628（in0in7）：8路模擬量輸入端。8、14、15和1721：8位數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換）。7（eoc）： a/d轉(zhuǎn)換結束信號，輸出，當a/d轉(zhuǎn)換結束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。9（oe）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當a/d轉(zhuǎn)換結束時，此端輸入一個高

14、電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)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地 址選中通道addcaddbadda000011110011001101010101in0in1in2in3in4in5in6in7 通道選擇極限參數(shù)電源電壓（vcc）：6.5v控制端輸入電壓：-0.3v15v其它輸入和輸出端電壓：-0.3vvcc+0.3v貯存溫度：-65+150功耗（t=+25）：

15、875mw引線焊接溫度：氣相焊接（60s）：215；紅外焊接(15s)：220抗靜電強度：400v輸出端注意out7為最低位-out0為最高位，out7-out0分別接單片機的p0.0到p0.7端。六總體設計1技術要求：1） 最高量程為：500v。2） 分為三檔量程：5v，50v，500v。可以通過調(diào)檔開關實現(xiàn)各檔位。最高精度為0.019v。2設計方案：根據(jù)上述，我們選擇單片機與a/d轉(zhuǎn)換芯片結合的方法實現(xiàn)本設計。使用的基本元器件是：at89c51單片機，ad0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)碼管顯示器，開關，按鍵，電容，電阻，晶振，標準電源等等。設計的系統(tǒng)流程圖如下： 系統(tǒng)初始化數(shù)碼管初始化oe=1？

16、ad轉(zhuǎn)換eoc=1？nyy轉(zhuǎn)換結果單片機接受數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示stopn start電壓量程選擇選擇500v顯示小于50v？選擇50v顯示小于5v？選擇5vstopnyy 七硬件電路系統(tǒng)模塊的設計根據(jù)上述選擇的各元器件，各電路模塊的電路圖如下描述。1單片機系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路，復位電路，電源。其原理圖如下： 此模塊中，單片機的晶振是12mhz，c1和c2的電容是10uf，c3可選1-10uf。r1電阻為1k。2輸入電路由于輸入電路的電壓比基準電壓（5v）高很多，因此在輸入電路必須加電壓分壓器。分壓電路可由開關來選擇不同的分壓率，從而切換檔位。則完整輸入電路如下： 通過計算，可知設計分壓用

17、的電阻r2，r3和r4分別為：90k，9k，1k控制檔位的開關是雙開關的，目地是能夠使單片機cpu自動識別檔位，即可用相應的檔位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的算法計算出正確的電壓值。被測電壓輸入端、整理過的模擬電壓輸入端，開關與單片機的連接如圖所示。3a/d轉(zhuǎn)換芯片與單片機的連接此設計中選擇的是a/d轉(zhuǎn)換芯片的通道0，數(shù)據(jù)輸出口連接單片機的p1口，芯片start與ale相連且連接單片機的p3.0口，數(shù)據(jù)允許輸出段oel連到單片機的p3.1腳，eoc連到其p3.2腳脈沖端連到作為寄存器74ls74芯片的q腳再由其clk連接到單片機的p3.3口。模塊連接如下圖所示。4數(shù)碼管與單片機連接此數(shù)碼管的字形口與單片機的p1

18、口相連，字位口與單片機的p2.0p2.3腳相連具體如下圖所示。5.量程選擇顯示 電壓量程由發(fā)光二極管顯示6.總電路圖八系統(tǒng)軟件的設計1程序設計#include <at89x52.h> unsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; unsigned char dispbuf8=10,10,10,10,10,0,0,0; unsigned char dispco

19、unt; unsigned char getdata; unsigned int temp; long int i,j; unsigned int r1; sbit st=p30; sbit oe=p31; sbit eoc=p32; sbit clk=p33; sbit d=p24;sbit e=p25;sbit f=p26; void dellay(unsigned int h) while(h-); /0.01msvoid main(void) st=0; oe=0; et0=1; et1=1; ea=1; tmod=0x12; th0=216; tl0=216; th1=(65536-

20、5000)/256; tl1=(65536-5000)%256; tr1=1; tr0=1; st=1; st=0; while(1) if(eoc=1) oe=1; getdata=p0; oe=0; i=getdata*196; dispbuf0=i/10000; i=i%10000; dispbuf1=i/1000; i=i%1000; dispbuf2=i/100; i=i%100; dispbuf3=i/10; st=1; st=0; void t0(void) interrupt 1 using 0 /定時器0 中斷服務 clk=clk; void t1(void) interrupt 3 using 0 /定時器1 中斷服務 th1=(65536-6000)/256; tl1=(65536-6000)%256; p2=0xff; p1=0; dellay(80); p1=dispcodedispbufdispcount; p2=dispbitcodedispcount; if(d=1&&e=1&&f=1) while(1) p2=dispbitcodedispcount; p1=0x3f; dispcount+; if(dispcount=4) d