電壓測(cè)量系統(tǒng)

1、哈爾濱華德學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙目 錄第一章 緒 論12.1 選擇題目22.2 設(shè)計(jì)要求22.3 題目分析及設(shè)計(jì)步驟22.4涉及的軟件工具2第3章 硬件設(shè)計(jì)33.1 電器原理圖33.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)33.2.1 AT89C51芯片介紹43.2.2 復(fù)位電路介紹53.2.3 晶振電路介紹53.3.1 數(shù)碼管工作原理介紹63.3.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路介紹73.4 數(shù)字采集電路83.4.1 ADC0808管腳介紹93.4.2ADC0808工作原理介紹103.5 時(shí)鐘電路103.6 整機(jī)12第4章 軟件設(shè)計(jì)134.1 程序流程圖134.2 程序代碼和代碼解析13第5章 電路的調(diào)試165.1 電路的檢測(cè)165

2、.2 電路的調(diào)試165.2.1 硬件調(diào)試165.2.2 軟件調(diào)試165.3 電路在調(diào)試中遇到的問(wèn)題16結(jié) 論17心得體會(huì)18致 謝19參考文獻(xiàn)20第一章 緒 論自動(dòng)化儀表，是由若干自動(dòng)化元件構(gòu)成的，具有較完善功能的自動(dòng)化技術(shù)工具。它一般同時(shí)具有數(shù)種功能，如測(cè)量、顯示、記錄或測(cè)量、控制、報(bào)警等。自動(dòng)化儀表本身是一個(gè)系統(tǒng)，又是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。自動(dòng)化儀表是一種“信息機(jī)器”，其主要功能是信息形式的轉(zhuǎn)換，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。信號(hào)可以按時(shí)間域或頻率域表達(dá)，信號(hào)的傳輸則可調(diào)制成連續(xù)的模擬量或斷續(xù)的數(shù)字量形式。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡(jiǎn)稱DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技

3、術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。第2章 設(shè)計(jì)題目及題目分析2.1 選擇題目利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)05 V之間的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，以兩位數(shù)碼管顯示，并通過(guò)虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。2.2 設(shè)計(jì)要求（1）電壓測(cè)量范圍0-5V；（2）能用數(shù)碼管顯示電壓值；（3）測(cè)量精度達(dá)0.1V；（4）要求系統(tǒng)具備復(fù)位功能；（5）系統(tǒng)具備自檢功能。2.3 題目分析及

4、設(shè)計(jì)步驟本設(shè)計(jì)選擇AT89C51單片機(jī)作為核心器件。A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實(shí)現(xiàn)。電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管的段碼輸入由并行端口產(chǎn)生；位碼輸入由并行端口P3高四位產(chǎn)生。硬件電路設(shè)計(jì)由7個(gè)部分組成；主控模板AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路，LED顯驅(qū)動(dòng)電路，復(fù)位電路，晶振電路以及測(cè)量電壓輸入電路。2.4涉及的軟件工具仿真軟件Proteus，編程軟件keil3，文字編輯軟件office word。第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 電器原理圖數(shù)字電壓表電路設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示：主控模版AT89C51晶振電路復(fù)位電路驅(qū)動(dòng)電路LED顯示模塊電壓信號(hào)ADC0809圖3-1 數(shù)字電

5、壓表電路設(shè)計(jì)框圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3-2 數(shù)字電壓表的Proteus軟件仿真電路設(shè)計(jì)圖待測(cè)電壓輸入信號(hào)在ADC0808芯片承受的最大工作電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī)控制電路進(jìn)行程序數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)八段譯碼/驅(qū)動(dòng)顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示輸入電壓。3.2.1 AT89C51芯片介紹AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)含bytes的課反復(fù)撰寫(xiě)的Flash制度程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,器件采用ATNEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)

6、普通用8位中央處理器CPU和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM,32GE I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工串行通訊口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。AT89系列單片機(jī)對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。與MCS-51系列單片機(jī)引腳兼容，可以直接進(jìn)行代換。AT89系列并不對(duì)80C31的簡(jiǎn)單繼承，功能進(jìn)一步增強(qiáng)。在我國(guó)這種單片機(jī)受到廣泛青睞，很多以前使用8

7、0C51、80C52的用戶都轉(zhuǎn)而使用AT89系列。對(duì)于有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的用戶而言，不需要仿真器，可以直接將程序燒入芯片，放在目標(biāo)板上加電直接運(yùn)行，觀察運(yùn)行結(jié)果，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)再進(jìn)行修改，然后重新燒寫(xiě)程序，再進(jìn)行試驗(yàn)，直至成功。數(shù)字電壓表的控制模塊采用AT89C51單片機(jī)是DIPloma-40集成電路芯片，該芯片有4個(gè)八位并行的雙向I/O口，分別為P0、P1、P2、P3、口。20引腳為接地端；40引腳為電源端；31引腳需要接高電位使單片機(jī)選用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；18、19腳接上一個(gè)12MHZ的晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，第9腳為復(fù)位引腳，單片機(jī)只有滿足這些條件才能正常工作。利用單片機(jī)AT89C51與ADC0

8、808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)05 V之間的直流電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)0FF，以兩位數(shù)碼管顯示。Proteus軟件啟動(dòng)仿真，當(dāng)前輸入電壓為25 V，轉(zhuǎn)換成數(shù)字值為7FH，用鼠標(biāo)指針調(diào)節(jié)電位器RV1，可改變輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808的電壓，并通過(guò)虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。在Proteus軟件中設(shè)置AT89C51單片機(jī)的晶振頻率為12 MHz。本電路EA接高電平，沒(méi)有擴(kuò)展片外ROM。3.2.2 復(fù)位電路介紹單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機(jī)就能夠有效地復(fù)位。復(fù)位電

9、路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。圖3-3 protues仿真復(fù)位電路圖3.2.3 晶振電路介紹因?yàn)閱纹瑱C(jī)執(zhí)行程序有自己的機(jī)器周期，這個(gè)周期就是根據(jù)晶振來(lái)的，要是沒(méi)晶振就亂套了，時(shí)序是很重要的。51的最簡(jiǎn)模式就是晶振加上電源?？梢?jiàn)晶振是和電源一樣的基本東西了。顯示沒(méi)有晶振，就沒(méi)有時(shí)鐘周期，沒(méi)有時(shí)鐘周期，就無(wú)法執(zhí)行程序代碼，單片機(jī)就無(wú)法工作。 單片機(jī)工作時(shí)，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱之

10、為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期。我們選擇晶振為12MHZ，它的一個(gè)機(jī)器周期是12×(1/12)us，也就是1us。圖3-4 protues仿真晶振電路圖3.3.1 數(shù)碼管工作原理介紹LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)， LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。

11、圖3-5是共陰和共陽(yáng)極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。圖3-5 數(shù)碼管顯示原理圖3.3.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路介紹數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控

12、制打開(kāi)，該位元就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。3.4 數(shù)字采集電路開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始工作使能芯片EOC=1EOC=0產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)輸入通道控制字讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)校驗(yàn)將值送入規(guī)定寄存器結(jié)束圖3-6 數(shù)據(jù)采集流程圖圖3-7 protues仿真數(shù)據(jù)采集電路圖3.4.1 ADC0808管腳介紹ADC0809芯片為DIP-28，其主要信號(hào)引腳的功能說(shuō)明如下：(1) IN7IN0模擬量輸入通道。 (2) A、B、C地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中ADDC、ADDB和 ADDC。ALE地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 (3) STA

13、RT轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。寫(xiě)為ST。D4D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式。可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。OE輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)門輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)據(jù)。CLK時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘 信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHZ的時(shí)鐘信號(hào)。 EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)

14、信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。(5) VCC+5V電源。Vref參考電源參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。起典型值為+5VVref(+)=5V,Vref(-)=-5V。3.4.2ADC0808工作原理介紹A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的種類很多，選擇/D的轉(zhuǎn)換器件主要從速度、精度和價(jià)格方面考慮。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式/D轉(zhuǎn)化器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性能好，價(jià)格便宜；但轉(zhuǎn)換速度較慢。因此這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場(chǎng)合。逐次逼近式/D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換

15、時(shí)間大約在幾微秒到幾十微秒之間。該系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片為adc809，該芯片為8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開(kāi)關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100S左右。3.5 時(shí)鐘電路幾乎所有的數(shù)字系統(tǒng)在處理信號(hào)都是按節(jié)拍一步一步地進(jìn)行的，系統(tǒng)各部分也是按節(jié)拍做的，要使電路的各部分統(tǒng)一節(jié)拍就需要一個(gè) “時(shí)鐘信號(hào)”，產(chǎn)生這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的電路就是時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路的核心是個(gè)比較穩(wěn)定的振蕩器(一般都用晶體振蕩器），振蕩器產(chǎn)生的是正弦波，頻率不一定是電路工作的時(shí)鐘頻率，所以要把這正弦波進(jìn)行分頻，處理，形成時(shí)鐘脈沖，然后分配到需要的地方。讓系統(tǒng)里各部分工作時(shí)使用時(shí)鐘周期就是時(shí)鐘振蕩周

16、期=1/12M=0.083us機(jī)器周期=12*時(shí)鐘周期=12/12M=1us數(shù)字電路里的一切運(yùn)算都是按時(shí)鐘頻率來(lái)工作的，如果沒(méi)有時(shí)鐘就像我們的這個(gè)世界沒(méi)有時(shí)間一樣，一切都會(huì)變成靜止，不會(huì)有任何動(dòng)作的！所以數(shù)字電路必須有時(shí)鐘。圖3-8 protues仿真時(shí)鐘電路圖整機(jī)電路參見(jiàn)附錄一。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖開(kāi)始初始化調(diào)用顯示程序A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束YN圖4-1 程序流程圖4.2 程序代碼和代碼解析#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code table1=0xc0,0

17、xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar code table2=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x10,0x20;void delay(uint z)uint i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-); void main()uchar a,b;a = P0;if (232<=a&&a<=255) a=a+0;else if(181<=a&&a<=229) a=a+1;else if (

18、130<=a&&a<=178) a=a+2;else if (74<=a&&a<=127) a=a+3;else if (26<=a&&a<=71) a=a+4;else a=a+5; b = a/5-1;P2=0x01;P1=table10;delay(10);P1=0XFF; P2=0x02;P1=table2b/10;delay(10);P1=0XFF;P2=0x04;P1=table1b%10;delay(10);P1=0xff;if(a%5=0)P2=0x08;P1=table10;delay(10)

19、;P1=0xff;elseP2=0x08;P1=table15;delay(10);P1=0xff;第5章 電路的調(diào)試5.1 電路的檢測(cè) 我們?cè)陔娐穼?shí)現(xiàn)基本功能的時(shí)候，進(jìn)行了更加細(xì)致的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)電壓表并不是那么的理想，在05之間總有跳變，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。5.2 電路的調(diào)試經(jīng)過(guò)分布調(diào)試我們發(fā)現(xiàn)使我們程序算法不是很準(zhǔn)確，八位管腳范圍是0255而我們只用到了250個(gè)數(shù)，最后我們將程序完善，經(jīng)過(guò)調(diào)試電壓表能夠準(zhǔn)確顯示數(shù)據(jù)。5.2.1 硬件調(diào)試電路方面的調(diào)試我們最大的問(wèn)題是送數(shù)據(jù)，不知道怎么將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送給51單片機(jī)在將數(shù)據(jù)送給顯示，由于前面課程中學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)碼管送顯示的培訓(xùn)所以這一步問(wèn)題不大，那么關(guān)

20、鍵問(wèn)題就是怎么將數(shù)據(jù)送給51單片機(jī)。一連經(jīng)過(guò)好幾天的思考最總發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)的規(guī)律性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)送給了51單片機(jī)，結(jié)果又發(fā)現(xiàn)連線的方式有問(wèn)題，經(jīng)過(guò)查找了解到ADC0808和AT89C51的端口數(shù)據(jù)顯示高低位的接口端是不一樣的。5.2.2 軟件調(diào)試程序的調(diào)試和硬件調(diào)試是分不開(kāi)的，前面的硬件問(wèn)題，導(dǎo)致了后面軟件程序的修改，我們將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)51單片機(jī)的數(shù)據(jù)調(diào)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并送給數(shù)碼管顯示，最終實(shí)現(xiàn)了電壓數(shù)碼顯示功能。5.3 電路在調(diào)試中遇到的問(wèn)題遇到的最大的問(wèn)題就是算法問(wèn)題，經(jīng)過(guò)深思熟慮一步一步調(diào)試最終發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之所在，那就是送顯示的過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)用程序進(jìn)行處理，最終我們處理成功顯示完好收獲頗多。結(jié) 論由于使用的是高效單片機(jī)作為核心的測(cè)量系統(tǒng)，以及靈敏度和精度較高的A/D轉(zhuǎn)換器，使本直流電壓表具有精度高、靈敏度強(qiáng)、性能可靠、電路簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，加上經(jīng)過(guò)優(yōu)化的程序，使其有很高的智能化水平。本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心部件，結(jié)合模數(shù)電路的設(shè)計(jì)原理，利用電阻分壓的原理選擇測(cè)試點(diǎn)電壓的技術(shù)，并配合一套獨(dú)特的程序完成了題目所有的功能。在設(shè)計(jì)發(fā)揮軟件靈活方便的特點(diǎn)，來(lái)滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。心得體會(huì)經(jīng)過(guò)兩周的努力和合作我們小組終于如期完成了積分式數(shù)字直流電壓表作品設(shè)計(jì)與制作，在剛開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)覺(jué)得在設(shè)計(jì)方案和編程