簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)設(shè)計(jì)

常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文PAGE目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研…………31.設(shè)計(jì)任務(wù)………………………32.調(diào)研……………33.作品相關(guān)………………………34.總結(jié)……………9第二部分設(shè)計(jì)說明……………………111.設(shè)計(jì)目標(biāo)……………………112.設(shè)計(jì)思路……………………11第三部分設(shè)計(jì)成果……………………151.作品實(shí)物……………………152.電路圖………………………163.程序……………………16第四部分結(jié)束語(yǔ)………………………20第五部分致謝……………21第六部分參考文獻(xiàn)……………………22

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)能正確測(cè)量模擬電壓0-5v，誤差<1%，利用ADC0809采樣輸入的模擬量，轉(zhuǎn)換后的電壓值顯示在4位數(shù)碼管上。2.調(diào)研在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，常用的高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成計(jì)算、存儲(chǔ)、控制等功能。數(shù)字電壓表相對(duì)于指針表而言讀書直觀準(zhǔn)確，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示。這有別于傳統(tǒng)的以指針與刻度表進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。本文中數(shù)字電壓表的的控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809為主要硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡(jiǎn)單，采用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還可以方便進(jìn)行8路A/D轉(zhuǎn)換的測(cè)量，遠(yuǎn)程測(cè)量結(jié)果傳送等功能。數(shù)字電壓表可以測(cè)量0~5V的8路輸入電壓值，并在四位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路顯示。設(shè)計(jì)結(jié)果能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。3.作品相關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，模擬量可以是電壓、電流等信號(hào)，也可以是聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時(shí)間連續(xù)變化的非電的物理量。非電量的模擬量可通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ绻怆妭鞲衅?、壓力傳感器、溫度傳感器）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3.1A/D轉(zhuǎn)換器工作原理A/D是把模擬量（通常是模擬電壓）信號(hào)轉(zhuǎn)換為n位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)的電路。這種轉(zhuǎn)換通常分4步進(jìn)行：采樣→保持→量化→編碼。前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在A/D轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。（1）采樣。所謂采樣是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量?；蛘哒f，采樣是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)串脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量，時(shí)間上通常采用等時(shí)間間隔采樣。采樣過程的示意圖如圖1-1所示。圖1-1采樣過程的示意圖采樣器相當(dāng)于一個(gè)受控的理想開關(guān)，s(t)=1時(shí)，開關(guān)閉合，fs(t)=f(t)；s(t)=0時(shí)，開關(guān)斷開，fs(t)=0。如用數(shù)字邏輯式表示，即為fs(t)=f(t)·s(t)，s(t)=1或s(t)=0，也可用波形圖表示，如圖1-2（a）、圖1-2（b）、圖1-2（c）所示。從波形圖可見，在s(t)=1期間，輸出跟蹤輸入變化，相當(dāng)于輸出把輸入的“樣品”采集下來，所以也可把采樣電路稱為跟蹤電路。圖1-2采樣器的波形圖（2）保持。所謂保持，就是將采樣得到的模擬量值保持下來，s(t)=0期間使輸出不等于0，而等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值，如圖1-1（d）所示。保持發(fā)生在s(t)=0期間。最基本的采樣—保持電路如圖1-3所示。它由MOS管采樣開關(guān)T、保持電容Cb和由運(yùn)算放大器做成的跟隨器三部分組成。s(t)=1時(shí)，T導(dǎo)通，vi向Cb充電，vc和vo跟蹤vi變化，即對(duì)vi采樣。s(t)=0時(shí)，T截止，vo將保持前一瞬間采樣的數(shù)值不變。只要Cb的漏電電阻、跟隨器的輸入電阻和MOS管T的截止電阻都足夠大，大到可忽略Cb的放電電流的程度，vo就能保持到下次采樣脈沖到來之前基本不變。實(shí)際中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，就是這種保持下來的采樣電壓，也就是每次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓。圖1-3最基本的采樣—保持電路（3）量化和編碼。所謂量化，就是用基本的量化電平q的個(gè)數(shù)來表示采樣—保持電路得到的模擬電壓值。這一過程實(shí)質(zhì)上是把時(shí)間上離散而數(shù)字上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)確度變?yōu)闀r(shí)間上、數(shù)字上都離散的、量級(jí)化的等效數(shù)字值。量級(jí)化的方法通常有兩種：只舍不入法和有舍有入法（四舍五入法）。這兩種量化法的示意圖分別如圖1-4（a）和圖1-4（b）所示。圖1-4（c）給出了一個(gè)用只舍不入法量化的實(shí)例。從圖中可以看出，量化過程也就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數(shù)的過程。對(duì)于連續(xù)變化的模擬量，只有當(dāng)數(shù)值正好等于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，如圖1-4（c）中T1，T2，T4，T6，T8，T11，T12時(shí)刻所示。不然，量化的結(jié)果都只能是輸入模擬量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差，稱為量化誤差，它直接影響了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無(wú)法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是取小的量化電平。另外，在量化電平一定的情況下，一般采用四舍五入法帶來的量化誤差只是只舍不入法引起的量化誤差的一半。編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值（它一定是量化電平的整數(shù)倍）用二進(jìn)制數(shù)碼、BCD碼或其他碼來表示。比如，用二進(jìn)制對(duì)圖1-4（c）的量化結(jié)果進(jìn)行編碼，則可得到圖中所示的編碼輸出。至此，即完成了A/D轉(zhuǎn)換的全過程，將各采樣點(diǎn)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成了與之一一對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。圖1-4量化和編碼（a）只舍不入法；（b）有舍有入法；（c）實(shí)例（采用只舍不入法量化）（4）逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換是一個(gè)具有反饋回路的閉路系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換器可劃分成3大部分：比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、比較標(biāo)準(zhǔn)（D/A轉(zhuǎn)換器）。圖1-5所示就是逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路。其主要原理為：將一個(gè)待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)VIN與一個(gè)“推測(cè)”信號(hào)V1相比較，根據(jù)推測(cè)信號(hào)是大于還是小于輸入信號(hào)來決定減小還是增大該推測(cè)信號(hào)，以便向模擬輸入信號(hào)逼近。推測(cè)信號(hào)由D/A變換器的輸出獲得，當(dāng)推測(cè)信號(hào)與模擬輸入信號(hào)“相等”時(shí)，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字即為對(duì)應(yīng)的模擬輸入的數(shù)字。圖1-5逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路3.2ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器（1）ADC0809的結(jié)構(gòu)。ADC0809是National半導(dǎo)體公司生產(chǎn)CMOS材料的A/D轉(zhuǎn)換器。它是具有8個(gè)通道的模擬量輸入線，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到8位二進(jìn)制數(shù)字量。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：①8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?？刂贫?。③轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（時(shí)鐘為640kHz時(shí)），130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）。④單個(gè)+5V電源供電。⑤模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。⑥工作溫度范圍為-40℃～+85℃。⑦低功耗，約15mW。圖1-6ADC0809引腳其引腳如圖1-6所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1-7所示。引腳功能如下：圖1-6ADC0809引腳①IN0～I(xiàn)N7：8路模擬輸入，通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC選通一路。②D7～D0：A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。

③ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道選擇地址信號(hào)，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3-1。

④VR(+)、VR(-)：正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)D/A電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時(shí)，VR(+)、VR(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓。⑤ALE：地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，A、B、C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和START信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

⑥START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清0，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換。

⑦EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換過程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到START端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。⑧OE：輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，ADC0808/0809的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。表1-1地址信號(hào)與選中通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系地址選中通道ADDCADDBADDA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7圖1-7內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1-7內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖工作時(shí)序與使用說明。ADC0808/0809的工作時(shí)序如圖1-8所示。當(dāng)通道選擇地址有效時(shí)，ALE信號(hào)一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)緊隨ALE之后（或與ALE同時(shí)）出現(xiàn)。START的上升沿將逐次逼近寄存器SAR復(fù)位，在該上升沿之后的2μs加8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（不定），EOC信號(hào)將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進(jìn)行中，直到轉(zhuǎn)換完成后EOC再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖降腅OC信號(hào)后，便立即送出OE信號(hào)，打開三態(tài)門，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖1-8ADC0808/0809的工作時(shí)序4.總結(jié)數(shù)字電壓表之所以倍受青睞是有如下幾個(gè)特點(diǎn)(1)顯示清晰直觀(2)準(zhǔn)確度高(3)分辨率高(4)擴(kuò)展能力強(qiáng)(5)測(cè)量速率快(6)輸入阻抗高(7)抗干擾能力強(qiáng)(8)集成度高，微功耗。

第二部分設(shè)計(jì)說明1.設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)能正確測(cè)量模擬電壓0-5v，誤差<1%，利用ADC0809采樣輸入的模擬量，轉(zhuǎn)換后的電壓值顯示在4位數(shù)碼管上。2.設(shè)計(jì)思路2.1系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)多路數(shù)字電壓表的系統(tǒng)軟件程序由主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序組成。2.2主程序主程序包含初始化部分、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和調(diào)用顯示程序，如圖2—1所示。初始化部分包含存放通道數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化和顯示緩沖區(qū)初始化。另外，對(duì)于單路顯示和循環(huán)顯示，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位00H控制。初始化時(shí)00H位設(shè)置為0，默認(rèn)為循環(huán)顯示，當(dāng)它為1時(shí)改變?yōu)閱温凤@示。00H位通過單路/循環(huán)按鍵控制。開始開始初始化調(diào)用AD轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序圖2-1主程序2.3A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對(duì)ADC0809的8路輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值存入8個(gè)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，如圖2—2所示。A/D轉(zhuǎn)換子程序每隔一定時(shí)間調(diào)用一次，即隔一段時(shí)間對(duì)輸入電壓采樣一次。否否開始啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換取數(shù)據(jù)（OE=0）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束eoc=1?0809通道地址加1否地址數(shù)小于8開始圖2-2AD轉(zhuǎn)換子程序2.4顯示子程序如圖2-3:LED數(shù)碼管采用軟件譯碼動(dòng)態(tài)掃描方式。在顯示子程序中包含多路循環(huán)顯示和單路顯示程序。多路循環(huán)顯示把8個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)值依次取出送到4位數(shù)碼管上顯示，每一路顯示1秒。單路顯示程序只對(duì)當(dāng)前選中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。每路數(shù)據(jù)顯示需經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成十進(jìn)制BCD碼，放于4個(gè)數(shù)碼管的顯示緩沖區(qū)中。單路顯示或多路循環(huán)顯示通過標(biāo)志位00H控制。在顯示控制程序中加入了對(duì)單路或多路循環(huán)按鍵和通道選擇按鍵的判斷。否否開始初始數(shù)碼管顯示都為0判斷是否有鍵按下讀出鍵值，并判斷為幾如果鍵值為1，將1寫入緩存區(qū)如果鍵值為8，將8寫入緩存區(qū)調(diào)用顯示程序顯示緩存區(qū)的值顯示完畢繼續(xù)判斷是否有鍵按下圖2-3顯示子程序2.5ADC0809的工作過程

（1）首先確定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，決定選擇哪一路模擬信號(hào)；

（2）使ALE端接受一正脈沖信號(hào)，使該路模擬信號(hào)經(jīng)選擇開關(guān)到達(dá)比較器的輸入端；

（3）使START接受一正脈沖信號(hào)，START的上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；

（4）EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。

（5）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)，數(shù)據(jù)已保存到8位三態(tài)輸出鎖存器中。此時(shí)CPU就可以通過使OE信號(hào)為高電平，打開ADC0809三態(tài)輸出，由ADC0809輸出的數(shù)字量傳送到CPU。2.6ADC0809應(yīng)用說明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）是否轉(zhuǎn)換完畢，根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。（5）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。

第三部分設(shè)計(jì)成果1.作品實(shí)物2.電路圖圖3-1制作簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表電路圖3.程序：/* 名稱：ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換與顯示 說明：ADC0809采樣通道3輸入的模擬量，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。*/#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//各數(shù)字的數(shù)碼管段碼（共陰）ucharcodeDSY_CODE[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};sbitCLK=P1^3; //時(shí)鐘信號(hào)sbitST=P1^2; //啟動(dòng)信號(hào)sbitEOC=P1^1; //轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)sbitOE=P1^0; //輸出使能//延時(shí)voidDelayMS(uintms){ uchari; while(ms--)for(i=0;i<120;i++);}//顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果voidDisplay_Result(uchard){ P2=0xf7; //第4個(gè)數(shù)碼管顯示個(gè)位數(shù) P0=DSY_CODE[d%10]; DelayMS(5); P2=0xfb; //第3個(gè)數(shù)碼管顯示十位數(shù) P0=DSY_CODE[d%100/10]; DelayMS(5); P2=0xfd; //第2個(gè)數(shù)碼管顯示百位數(shù) P0=DSY_CODE[d/100]; DelayMS(5);}//主程序voidmain(){ TMOD=0x02; //T1工作模式2 TH0=0x14; TL0=0x00; IE=0x82; TR0=1; P1=0x3f; //選擇ADC0809的通道3（0111）（P1.4~P1.6） while(1) { ST=0;ST=1;ST=0; //啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 while(EOC==0); //等待轉(zhuǎn)換完成 OE=1; Display_Result(P3); OE=0; }}//T0定時(shí)器中斷給ADC0808提供時(shí)鐘信號(hào)voidTimer0_INT()interrupt1{ CLK=~CLK;}（3）線性變換后的程序：#include"reg51.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodedsycode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};sbitCLK=P1^3;sbitST=P1^2;sbitEOC=P1^1;sbitOE=P1^0;voiddelay(uintms){uchari;while(ms--)for(i=0;i<120;i++); }voiddiplay(unsignedintd) { P2=0xf7; P0=dsycode[(d/100)%10]; delay(5); P2=0xfb; P0=dsycode[(d/100)/10%10]; delay(5); P2=0xfd; P0=dsycode[d/100/100]|0x80;/*顯示小數(shù)點(diǎn)*/ delay(5);}voidmain(){ unsig