基于51單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計

1、1.1數(shù)字電壓表介紹數(shù)字電壓表簡稱DVM，數(shù)字電壓表基本原理是將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再進行輸出顯示。而A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將連續(xù)變化的模擬信號量轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號，器基本結(jié)構(gòu)是由采樣保持，量化，編碼等幾部分組成。因此AD轉(zhuǎn)換是此次設(shè)計的核心元件。輸入的模擬量經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，再由驅(qū)動器驅(qū)動顯示器輸出，便得到測量的數(shù)字電壓。本次自己的設(shè)計作品從各個角度分析了AD轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)字電壓表的設(shè)計過程及各部分電路的組成及原理，并且分析了數(shù)模轉(zhuǎn)換進而使系統(tǒng)運行起來的原理及方法。通過自己的實踐提高了動手能力，也只有親歷親為才能收獲掌握到液晶學(xué)過的知識。其實也為建立節(jié)約成本的意識有些幫助。本

2、次設(shè)計同時也牽涉到了幾個問題：精度、位數(shù)、速度、還有功耗等不足之處，這些都是要慎重考慮的，這些也是在本次設(shè)計中的收獲。1.3 本次設(shè)計要求本次設(shè)計的作品要求制作數(shù)字電壓表的量程為0到10v，由于用到的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0809，設(shè)計系統(tǒng)給的供電電壓為+5v，所以能夠測量的電壓范圍為-0.25v到5.25v之間，但是一般測量的直流電壓范圍都在這之上，所以采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計的電壓測量范圍是0到25v之間，滿足設(shè)計要求的最大量程5v的要求。同時設(shè)計的精度為小數(shù)點后三位，滿足要求的兩位小數(shù)的精度，在不考慮AD芯片的量化誤差的前提下，此次設(shè)計的精度能夠滿足一般測量的要求。 2單片機和AD相關(guān)知識2

3、.1 51單片機相關(guān)知識51單片機是對目前所有兼容intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是intel的8031單片機，后來隨著技術(shù)的發(fā)展，成為目前廣泛應(yīng)用的為單片機之一。單片機是在一塊芯片內(nèi)集成了CPU、RAM、ROM、定時器計數(shù)器和多功能I/O口等計算機所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱為MCU。51系列單片機內(nèi)包含以下幾個部件：一個位CPU；一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；4KB的ROM程序存儲器；一個128B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB外部程序存儲空間的控制電路；32條可編程的I/O口線；兩個16位定時計數(shù)器；一個可編程全雙工串行口；

4、個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。51系列單片機如下圖：圖1 51單片機引腳圖2.2 AD轉(zhuǎn)換器相關(guān)知識ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。（1）主要特性： 1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 3）轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時） 4）單個+5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度 7）低功耗

5、，約15mW。 （2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。 圖2 ADC0909引腳3 數(shù) 字電壓表系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)設(shè)計框圖此次設(shè)計的是數(shù)字電壓表，要求的電壓范圍是05v，而設(shè)計擴展的量程為025v。系統(tǒng)設(shè)計主要包括四個部分：分別是電源模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、51單片機最小系統(tǒng)部分、1602液晶顯示部分。首先由單片機初始化ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和1602液晶顯示，當(dāng)外接被測電壓后，ADC0809將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到

6、單片機的I/O口，通過單片機處理后將電壓的大小顯示在1602液晶上面。如下是本次設(shè)計作品的框圖：圖3 系統(tǒng)框圖 3.2 單片機電路單片機最小系統(tǒng)如下圖所示，各個引腳都已經(jīng)標(biāo)出，而且四個I/O口都已經(jīng)用排陣引出，方便外接I/O擴展用。圖4 單片機最小系統(tǒng)3.3 ADC采樣電路由于ADC0809是帶地址鎖存的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，ADDA、ADDB、ADDC為模擬通道選擇，編碼為000111分別選中IN0IN7。ALE為地址鎖存信號，其上升沿鎖存ADDA、ADDB、ADDC的信號，譯碼后控制模擬開關(guān)，接通八路模擬輸入中相應(yīng)的一路。CLK為輸入時鐘，為AD轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換的時鐘信號，典型工作頻率為640KHz

7、。START為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，正脈沖啟動ADDAADDC選中的一路模擬信號開始轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，高電平時候打開三態(tài)輸出緩存器，是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量從D0D7輸出。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，啟動轉(zhuǎn)換后EOC變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換完成后EOC編程高電平。圖5 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換3.4顯示電路以下是1602液晶引腳的接線圖，中間沒有接線的為數(shù)據(jù)控制端口。 1602字符型通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線 VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣： 圖6 1602引腳圖3.5供電電路和參考電壓由于此次系統(tǒng)的芯片工作電壓為+5v，所以用常用的三

8、端穩(wěn)壓器LM317和LM337構(gòu)成的電源系統(tǒng)供電，其中ADC0809要提供一個準(zhǔn)確的參考電源才能正常的工作，而LM317正好能夠達到要求。圖7 系統(tǒng)供電部分3.6 數(shù)字電壓表系統(tǒng)電路原理圖如下是此次數(shù)字電壓表系統(tǒng)的總原理圖，其中的連線用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示出來，省去了連線的麻煩，而且是總圖的可讀性增強。圖8 數(shù)字電壓表總原理圖4 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總流程圖此次設(shè)計的數(shù)字電壓表系統(tǒng)比較簡單，就設(shè)置了一個量程為025v，所以沒有用到按鍵控制，也沒有其他的功能，因此程序比較簡單，在輸入模擬信號時采用電阻分壓，最終的采樣輸入電壓只有實際輸入電壓的十分之一，所以在編寫程序中要編寫一段數(shù)據(jù)調(diào)整程序，如下為系統(tǒng)總

9、流程圖：開始結(jié)束初始化AD采樣量化液晶顯示圖9 系統(tǒng)流程圖4.2 程序代碼/*電壓表*/#include<reg52.h>#include<intrins.h>/庫函數(shù)頭文件，代碼中引用了_nop_()函數(shù)/*ADC初始定義*/sbit start=P30; /轉(zhuǎn)換開始控制sbit oe=P32; /輸出允許控制sbit eoc=P31; /轉(zhuǎn)換結(jié)束信號sbit clock=P33; /轉(zhuǎn)換時鐘sbit P0_2=P02; /蜂鳴器sbit P0_5=P05;sbit P0_6=P06;sbit P0_7=P07; /*1602液晶初始定義*/sbit RS=P00;

10、/讀控制sbit RW=P03; /寫控制sbit E=P01; /使能端unsigned char da0,da1,da2,da3,da4;unsigned int temp;unsigned int d1,d2,d3; unsigned char dat; /數(shù)字電壓量unsigned char lcdd="0123456789"void lcd_w_cmd(unsigned char com); /寫命令函數(shù)void lcd_w_dat(unsigned char dat); /寫數(shù)據(jù)函數(shù)void display(unsigned char dat); /顯示函數(shù)un

11、signed char lcd_r_start(); /讀狀態(tài)函數(shù)void int1(); /LCD初始化函數(shù)void delay(unsigned char t); /可控延時函數(shù)void delay1(); /軟件實現(xiàn)延時函數(shù)，5個機器周期/*顯示函數(shù)部分*/void display(unsigned char dat)temp=5*dat; /量程擴大五倍da0=temp/51/10; /十位da1=temp/51%10; /個位d1=temp%51;d1=d1*10; da2=d1/51; /十分位d2=d1%51;d2=d2*10;da3=d2/51; /百分位d3=d2%51;d3

12、=d3*10;da4=d3/51; /千分位lcd_w_cmd(0x0c); /設(shè)置光標(biāo)不顯示、不閃爍delay(20);lcd_w_cmd(0xc0); /第二行起始顯示地址0x80delay(20);delay(2); lcd_w_dat('V'); /顯示字符串volatage is lcd_w_dat('o');lcd_w_dat('l'); lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('t');lcd_w_dat('a');lcd_w_dat('g');lcd_w_d

13、at('e');lcd_w_dat(' ');/顯示電壓的大小 lcd_w_dat(lcddda0); /十位lcd_w_dat(lcddda1); /個位lcd_w_dat('.'); /小數(shù)點 lcd_w_dat(lcddda2); /十分位lcd_w_dat(lcddda3); /百分位 lcd_w_dat(lcddda4);/千分位lcd_w_dat('V'); /單位 /*主函數(shù)*/void main()P0_2=1; /關(guān)蜂鳴器P0_5=P0_6=P0_7=0; /選擇000第一通道int1(); /LCD初始化 wh

14、ile(1) start=0; start=1; /獲得上升沿復(fù)位 start=0; /獲得下降沿啟動轉(zhuǎn)換，同時ALE開鎖存 do clock=clock; /時鐘信號 while(eoc=0); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，eoc=1結(jié)束 oe=1; /三態(tài)鎖存緩沖器打開 dat=P1;/數(shù)字電壓信號輸出 oe=0; /三態(tài)鎖存緩沖器關(guān)閉 display(dat); /*延時函數(shù)*/void delay(unsigned char t) unsigned char j,i; for(i=0;i<t;i+) for(j=0;j<20;j+); /*延時函數(shù)1*/void delay1() _n

15、op_(); _nop_(); _nop_();/*LCD初始化函數(shù)*/void int1() lcd_w_cmd(0x3c); / 設(shè)置工作方式 lcd_w_cmd(0x0c); / 設(shè)置光標(biāo) lcd_w_cmd(0x01); / 清屏 lcd_w_cmd(0x06); / 設(shè)置輸入方式 lcd_w_cmd(0x80); / 設(shè)置初始顯示位置/*LCD讀狀態(tài)函數(shù)*/返回值：返回狀態(tài)字，最高位D7=0，LCD控制器空閑；D7=1,LCD控制器忙unsigned char lcd_r_start() unsigned char s; RW=1; /RW=1，RS=0，讀LCD狀態(tài) delay1(

16、); RS=0; delay1(); E=1; /E端時序 delay1(); s=P2; /從LCD的數(shù)據(jù)口讀狀態(tài) delay1(); E=0; delay1(); RW=0; delay1(); return(s); /返回讀取的LCD狀態(tài)字/*LCD寫命令函數(shù)*/void lcd_w_cmd(unsigned char com) unsigned char i; do / 查LCD忙操作 i=lcd_r_start(); / 調(diào)用讀狀態(tài)字函數(shù) i=i&0x80; / 與操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，繼續(xù)查詢，否則退出循環(huán)RW=0;d

17、elay1();RS=0; / RW=0，RS=0，寫LCD命令字delay1();E=1; /E端時序delay1();P2=com; /將com中的命令字寫入LCD數(shù)據(jù)口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);/*LCD寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/void lcd_w_dat(unsigned char dat) unsigned char i; do / 查忙操作 i=lcd_r_start(); / 調(diào)用讀狀態(tài)字函數(shù) i=i&0x80; / 與操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，繼續(xù)查詢，否則退出循環(huán)RW=0;de

18、lay1();RS=1; / RW=1，RS=0，寫LCD數(shù)據(jù)delay1();E=1; / E端時序delay1();P2=dat; / 將dat中的顯示數(shù)據(jù)寫入LCD數(shù)據(jù)口delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);5 數(shù)字電壓表電路仿真5.1 仿真總圖為了驗證此次設(shè)計原理圖的正確性，在制作實物之前用專業(yè)軟件做了仿真，在Proteus軟件中設(shè)置AT89C51單片機的晶振頻率為12 MHz。本電路EA接高電平，沒有擴展片外ROM。如下圖是此次系統(tǒng)仿真的總原理圖部分：圖8 仿真總圖通過用protues軟件的仿真發(fā)現(xiàn)此次設(shè)計的系統(tǒng)原理圖能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的正確測量，而且

19、電壓的誤差較小，1602液晶屏能夠正確顯示出測量出來的結(jié)果。5.2 仿真結(jié)果顯示如下圖為此次仿真的測量電壓的結(jié)果的截圖：圖9 仿真結(jié)果顯示6 系統(tǒng)性能分析通過理論分析和電路仿真，現(xiàn)在對此次課程設(shè)計的數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果進行總結(jié)。通過仿真我們可以看到仿真結(jié)果和理論分析是相符合的，也即此次設(shè)計的系統(tǒng)能夠在一定的條件下達到課程設(shè)計目的，實現(xiàn)對外接電壓的測量，電路結(jié)構(gòu)簡單，但是可以看出在系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性方面做得不夠。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）數(shù)字電壓表系統(tǒng)中對于外界被測電壓的變化反應(yīng)不夠靈敏，變化比較慢，主要是因為ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速率不夠；（2）數(shù)字電壓表系統(tǒng)測量的外界電壓不夠準(zhǔn)確，

20、跟用示波器或者高精度的電壓表測量的結(jié)果有偏差，主要是因為ADC芯片的位數(shù)不夠；（3）而且ADC的參考電壓不準(zhǔn)確也會造成測量結(jié)果的不準(zhǔn)確；（4）另外很重要的影響因素是因為AD芯片的測量輸入電壓最大為5v，而設(shè)計的是25v，量程擴大了五倍，運用的是電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，如果用精密電阻可以做到很高的精度，而設(shè)計中用的是5%誤差的碳膜電阻，溫度系數(shù)高，而且不穩(wěn)定，這是很重要的一個影響因素。針對上述問題，理論上可以用一下方法進行改進：（1）在換用高精度的ADC芯片能夠改善測量精度的問題，一般用12位AD既能滿足要求；（2）制作高精度電壓參考源，通過提高ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓的精度來提高測量的電壓精度；（3

21、）運用高精度的金屬膜電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)，能夠最大限度提高精度；（4）通過查閱書籍可以找到ADC0809的誤差系數(shù)和碳膜電阻的溫度系數(shù)，然后在編程的時候進行軟件的補償和參數(shù)校正，能夠最優(yōu)化的用軟件來補償硬件的誤差問題，這個在編程思想中是很重要的。雖然時間緊迫，最終按照仿真成功的原理圖焊接實物，并調(diào)試，調(diào)試成功！而且在老師的指點下，使系統(tǒng)得到了最大優(yōu)化的提高。7 心得體會通過與同學(xué)的討論與認(rèn)真計算設(shè)計分析所完成的，課程設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計、組裝并調(diào)試一個數(shù)字電壓表測量系統(tǒng)。需要我們綜合運用單片機等課程的知識，通過查閱資料、方案論證與選定；設(shè)計和選取電路和元器件；分析指標(biāo)及討論，完成設(shè)計任務(wù)。在這次課程設(shè)計中，我學(xué)會了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計電路和調(diào)試電路。動手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的