畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) (2).doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題目題目：基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 院、院、 系：系： 光電工程學(xué)院光電工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)：學(xué)科專業(yè)： 光電信息工程光電信息工程 學(xué)學(xué) 生：生： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 2008 年 6 月 i 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 摘摘 要要 在日常維修、教學(xué)和科研中，電壓表是不可缺少的。本課題目的就是以單 片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表。 本文首先介紹了數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀及課題的目的和意義。然后，對基 于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及具體實(shí)現(xiàn)方案作以 詳細(xì)介紹，其中，在硬件部分，較為詳細(xì)的討論了硬件的選擇、設(shè)計(jì)原理、使 用方法和功能，同時(shí)，對各部分接口電路作以介紹；在軟件部分，介紹了軟件 所使用的編程語言和編程思路。最后，對電路調(diào)試、印刷 pcb 板的制作及系統(tǒng) 的抗干擾設(shè)計(jì)作了進(jìn)一步分析和總結(jié)。 本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表，其硬件電路所用元件較少、成本低、調(diào)節(jié)簡單； 軟件采用 c 語言編程，其靈活性高，可讀性強(qiáng)。經(jīng)過理論研究、原理設(shè)計(jì)和整 機(jī)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可行。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機(jī)； 電壓表； a/d 轉(zhuǎn)換器；串行總線 ii designdesign ofof digitaldigital voltagevoltage metermeter basedbased onon mcumcu abstractabstract in routine maintenance, teaching and research, voltage meter is indispensable. a direct current digital voltage meter has been designed, which is based on mcu, and has a simple structure, reliable, flexible. firstly，this paper introduced the development of the base on mcu digital voltage meter and the purpose and significance of topic. then in details this paper described the design principle of hardware and software systems. and in details the hardware part present a discussion in hardware selection, design principles, instructions and the function, further more, some of the interface circuit have been introduced. the software part introduced the programming language and programming ideas used in codes. finally, the circuit debugging, the printed plate of pcb production and the anti-jamming system were designed to further analysis and synthesis. the digital voltage meter designed here, have less components in the hardware part, lower cost and easier testing; software used c programming language which is high flexibility and strong readability. after theoretical research, principle design and debugging, the experimental results suppose it is feasible of choosing this program. keywords:keywords: micromicro controllercontroller unitunit；voltagevoltage metermeter；a/da/d convertersconverters； seriesseries busbus i 目錄目錄 1.1.2 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程（1） 1.1.3 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢（1） 2.2.1 硬件電路圖及工作過程簡介（4） 2.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)簡介（6） 3.2.1 a/d 轉(zhuǎn)換芯片的選擇（7） 3.2.2 adc0809 轉(zhuǎn)換原理介紹（7） 3.2.3 adc0809 芯片介紹（8） 3.2.4 adc0809 與單片機(jī)的接口方法（9） 3.3.1 單片機(jī)介紹（10） 3.3.2 采用 at89c51 的原因（10） 中文摘要中文摘要（） 英文摘要英文摘要（） 1 1 緒論緒論（1 1） 1.1 課題概述（1） 1.2 課題的意義和目的（3） 1.3 本文所作的主要工作（3） 2 2 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì)（4 4） 2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)（4） 2.2 系統(tǒng)概述（4） 2.3 小結(jié)（6） 3 3 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì)（7 7） 3.1 器件的選擇（7） 3.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路（7） 3.3 單片機(jī)介紹（10） ii 3.3.3 at89c51 芯片主要性能參數(shù)（10） 3.3.4 功能介紹（10） 3.3.5 芯片管腳介紹及分配（11） 3.4.1 zlg7289 芯片介紹（13） 3.4.2 zlg7289 的主要特征（13） 3.4.3 zlg7289 引腳功能說明（14） 3.4.4 zlg7289 與單片機(jī)及數(shù)碼管的連接（15） 3.4.5 時(shí)序圖中的各項(xiàng)延遲時(shí)間（16） 3.4.6 控制指令（16） 3.5.1 spi 總線簡介（17） 3.5.2 spi 總線的基本結(jié)構(gòu)（17） 3.5.3 數(shù)據(jù)的傳輸（18） 4.1.1 c51 簡介（20） 4.1.2 程序流程圖（21） 4.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)（23） 4.1.4 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)（23） 3.4 顯示驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)（13） 3.5 spi 接口技術(shù)（17） 3.6 電壓顯示電路（19） 3.7 小結(jié)（19） 4 4 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計(jì)（2020） 4.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)（20） 4.2 c51 程序（23） 4.3 小結(jié)（23） 5 5 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的抗干擾設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的抗干擾設(shè)計(jì)（2323） 5.1 硬件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)（23） iii 5.1.1 供電系統(tǒng)抗干擾措施（23） 5.1.2 接地（23） 5.1.3 傳輸通道的抗干擾措施（24） 6.3.1 調(diào)試步驟（28） 6.3.2 可能出現(xiàn)的問題解答（28） 7.1 主要結(jié)論（30） 7.2 進(jìn)一步工作及展望（31） 附錄附錄 （3434） 附錄 a（34） 附錄 b（39） 5.2 軟件系統(tǒng)的可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)（24） 5.3 小結(jié)（24） 6 電路制作及調(diào)試電路制作及調(diào)試（2626） 6.1 pcb 板的制作（26） 6.2 系統(tǒng)外觀（27） 6.3 電路調(diào)試（28） 6.4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析（29） 6.4 小結(jié)（29） 7 7 結(jié)論結(jié)論（3030） 致謝致謝（3232） 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)（3333） iv 1 1 緒論緒論 1.11.1 課題概述課題概述 1.1.1.1.2 2 數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程 數(shù)字電壓表簡稱 dvm，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)設(shè)計(jì)的電壓表。從性能來 看：數(shù)字電壓表的發(fā)展從一九五二年美國 nls 公司由四位電子管數(shù)字電壓表精 度千分之一到現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn) 8 位數(shù)字電壓表。參數(shù)可測量直流電壓、交流電壓、 電流、阻抗等。測量自動(dòng)化程度不斷提高，可以和計(jì)算機(jī)配合顯示、計(jì)算結(jié)果、 然后打印出來。目前世界上美國 fluke 公司，在直流和低頻交流電量的校準(zhǔn) 領(lǐng)域居國際先進(jìn)水平。例如該公司生產(chǎn)的“4700a”多功能校準(zhǔn)器和“8505” 危機(jī)數(shù)字多用電壓表，可用 8 位顯示，直流精度可達(dá)到5/10-6，讀書分辨力 為 0.1v。帶有 a/d 變換模式、數(shù)據(jù)輸出接口形式 ieee-488。具有比率測量軟 件校準(zhǔn)和有交流電阻、電流選件。還具有高精度電壓校準(zhǔn)器“5400a” 、 “5200a” 、 “5450a”等數(shù)字儀表，都是作為一級(jí)計(jì)量站和國家級(jí)計(jì)量站使用的標(biāo)準(zhǔn)儀表。 還有英國的“7055”數(shù)字電壓表采用脈沖調(diào)制技術(shù)。日本橫河公司的“2501” 型采用三次采樣等等在不斷的蓬勃發(fā)展1。 從發(fā)展過程來看：數(shù)字電壓表自 1952 年問世以來，已有 50 年多年的發(fā)展 史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是 20 世紀(jì) 50 年代問世的電子管數(shù)字電 壓表，第二代產(chǎn)品屬于 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三帶產(chǎn)品 為 20 世紀(jì) 70 年代研制的中、小規(guī)模集成電路的數(shù)字電壓表。今年來，國內(nèi)外 相繼推出有大規(guī)模集成電路（lsi）或超大規(guī)模集成電路（vlsi）構(gòu)成的數(shù)字 電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產(chǎn)品。它們不僅開創(chuàng)了電 子測量的先河，更以高準(zhǔn)確度、高可靠性、高分辨力、高性價(jià)比等優(yōu)良特性而 受到人民的青睞2。 1.1.31.1.3 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 數(shù)字電壓表作為電壓表的一個(gè)分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構(gòu)成數(shù) 字電壓表的核心器件已從早期的中小規(guī)模電路跨入到大規(guī)模 asic(專用集成電 路)階段。數(shù)字電壓表涉及的范圍也從傳統(tǒng)的測量擴(kuò)展至自動(dòng)控制、傳感、通信 等領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景。 傳統(tǒng)電壓表的設(shè)計(jì)思路主要分為：用電流計(jì)和電阻構(gòu)成的電壓表；用中小 規(guī)模集成電路構(gòu)成的電壓表；用大規(guī)模 asic(專用集成電路)構(gòu)成的電壓表。這 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 幾中電壓表設(shè)計(jì)方式各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，分別適用于幾種特定的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)， 也為很多新穎的電壓表的設(shè)計(jì)所借鑒和依據(jù)2。 近入 21 世紀(jì)，隨著信息技術(shù)一日千里的發(fā)展，電壓表也必經(jīng)歷從單一測量 向數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等多功能過度的這一歷程，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展必 將出現(xiàn)智能化技術(shù)。因此，把電壓表和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的智能化電壓表就將 成為 21 世紀(jì)的新課題。目前，數(shù)字化儀器與微處理器取得令人矚目的進(jìn)展，就 其技術(shù)背景而言，一個(gè)內(nèi)藏微處理器的儀表意味著計(jì)算機(jī)技術(shù)向儀器儀表的移 植，它所具有的軟件功能使儀器 呈現(xiàn)出有某種延伸，強(qiáng)化的作用。這相對于過 去傳統(tǒng)的、純硬件的儀器來說是一種新的突破，其發(fā)展?jié)摿κ志薮螅@已為 70 年代以來儀表發(fā)展的歷史所證實(shí)。概括起來，具有微處理器的儀表具有以下 特點(diǎn)：測量過程的軟件控制對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理功能是儀 表最突出的特點(diǎn)；在儀器的測量過程中綜合了軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能，使 一機(jī)多用或儀器的多功能化易于實(shí)現(xiàn)，成為這類儀器的又一特點(diǎn)；以其軟件 為主體的智能儀器不僅在使用方便、功能多樣化等方面呈現(xiàn)很大的靈活性3。 下面從 5 個(gè)方面闡述新型數(shù)字儀表的發(fā)展趨向。 (1).廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新器件的不斷出現(xiàn)。首先是 a/d 轉(zhuǎn)換器：20 世紀(jì) 90 年代世界各國相繼研發(fā)了新的 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如，四 斜率 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)（美國） 、余數(shù)再循環(huán)技術(shù)（美國） 、自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)（英國） 、 固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)（英國） 、約瑟夫森效應(yīng)基準(zhǔn)源（2 個(gè)納米穩(wěn)定度） 、智 能化專用芯片（80c51 系列，荷蘭）等，這些新技術(shù)使數(shù)字電壓表向高準(zhǔn)確度、 高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展。另外，集成電路的發(fā)展使電壓表只在外 圍配置少量元器件，即可構(gòu)成完整的智能儀表，可以完成儲(chǔ)存、計(jì)算、比較、 控制等多項(xiàng)功能4。 (2).廣泛采用新工藝 新一代數(shù)字儀表正朝著標(biāo)準(zhǔn)模塊化的方向發(fā)展。預(yù)計(jì)在不久的將來，更多 的數(shù)字儀表將由標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的模塊所構(gòu)成，給電路設(shè)計(jì)、安裝調(diào) 試和維修帶來極大方便。 (3).多從顯示儀表 為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術(shù)難題；“數(shù)字/模擬條圖” 雙顯示儀表已成為國際流行款式，它兼有數(shù)字儀表準(zhǔn)確度高、模擬式儀表便于 觀察被測量的變化過程及變化趨勢這兩大優(yōu)點(diǎn)。 (4).提高安全性 儀器儀表在設(shè)計(jì)和使用中的安全性，對生產(chǎn)廠家和廣大用戶都至關(guān)重要。 一方面廠家必須為儀表設(shè)計(jì)安全保護(hù)電路，并使之符合國家標(biāo)準(zhǔn)；另一方面用 戶必須安全操作，時(shí)刻注意儀表上的各種安全警告指示。 (5).操作簡單化 集成電路的發(fā)展使電壓表只在外圍配置少量元件，即可構(gòu)成完整的智能儀 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 表，可以完成儲(chǔ)存、計(jì)算、比較、控制等多項(xiàng)功能。這使的按鍵變少，操作簡 單。但是數(shù)字電壓表并不能完全取代指針式的電壓表，在反映電壓的連續(xù)變化 和變化趨勢方面不如指針表的直觀。為克服這種缺憾，20 世紀(jì) 90 年代初，一 種“數(shù)字/光柱”的雙重顯示儀表已經(jīng)出現(xiàn)，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中5。 綜上所述，十幾年來智能儀器雖然有了很大的發(fā)展，但總的看來，人們還 是較習(xí)慣于從硬件的角度做工作，這是由于設(shè)計(jì)者的（硬件）技術(shù)背景，lsi 器件不斷迅速更新的沖擊以及在現(xiàn)階段儀器硬件更新的數(shù)量還很大等因素所造 成的。這種趨勢雖然仍會(huì)繼續(xù)下去，但從智能儀表的內(nèi)涵，從軟件的角度上看， 軟件的作用還遠(yuǎn)未發(fā)揮出來，這里有許多的領(lǐng)域等待著去開發(fā)。智能儀表最終 必然會(huì)與人工智能聯(lián)系起來開創(chuàng)出全新的儀器。從這個(gè)觀點(diǎn)看，目前的智能儀 器尚處于“幼年時(shí)期” 。所以，就儀表的發(fā)展看來電壓表會(huì)朝著具有微控制處理 單元的智能儀表方向發(fā)展。 1.1.2 2 課題的意義和目的課題的意義和目的 數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以 擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫 度計(jì)，濕度計(jì)，酸度計(jì)，重量，厚度儀等） ，幾乎覆蓋了電子電工測量，工業(yè)測 量，自動(dòng)化儀表等各個(gè)領(lǐng)域。除此之外，數(shù)字電壓還有著傳統(tǒng)指針電壓表無可 比擬的優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確，顯示范圍寬、分辨力高，轉(zhuǎn)入阻抗高，功耗小、 抗干擾強(qiáng)等3。因此 對數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。但是傳統(tǒng) 的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)通常以大規(guī)模 asic(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量 中規(guī)模集成電路及顯示器件構(gòu)成，可是這種設(shè)計(jì)方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定， 難以更新擴(kuò)展，不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求6。而應(yīng)用微處理器（單片 機(jī)）為核心單元的數(shù)字電壓表，其靈活性高、系統(tǒng)功能擴(kuò)展簡單，性能穩(wěn)定可 靠。在這些背景下，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性 好的數(shù)字電壓表是很有意義的。 1.31.3 本文所作的主要工作本文所作的主要工作 1對系統(tǒng)總體框架進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于單片機(jī) 的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)，以模塊設(shè)計(jì)法為依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)。 2設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，發(fā)揮單片機(jī)的處理功能強(qiáng)大，運(yùn)算速 度快的特點(diǎn)，對被測電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和顯示。 3制作印刷電路板，使硬件電路的設(shè)計(jì)更加清晰，同時(shí)使系統(tǒng)的抗干擾能 力進(jìn)一不加強(qiáng)。 4針對系統(tǒng)的總體框架和硬件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，更合理 的去完成系統(tǒng)測電壓的目的。 5對系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，使得基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 的滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。 2 2 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的總體設(shè)計(jì) 2.12.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo) 在日常維修、教學(xué)和科研中，電壓表是不可缺少的，傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表設(shè) 計(jì)通常以大規(guī)模 asic(專用集成電路)為核心器件，并輔以少量中規(guī)模集成電路 及顯示器件構(gòu)成，但是這種設(shè)計(jì)方法靈活性差，系統(tǒng)功能固定，難以更新擴(kuò)展， 不能滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)要求。而應(yīng)用微處理器（單片機(jī)）為核心單元， 其靈活性高、系統(tǒng)功能擴(kuò)展簡單，性能穩(wěn)定可靠。本課題目的就是以單片機(jī)為 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性好的直流數(shù)字電壓表。要求數(shù)字 電壓表精度為0.05v，測量范圍為 05v。 2.22.2 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 本課題所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表主要包括兩部分：硬件電路及軟件程序。而硬 件電路采用 atmel 公司的 at89c51 作為主處理器，系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、a/d 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理輸出、驅(qū)動(dòng)顯示等幾個(gè)功能模塊組成。各部分電路的設(shè)計(jì)及原 理將會(huì)在硬件電路設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹；程序的設(shè)計(jì)使用 c 語言編程，利用 keil 軟件對其編譯和仿真，詳細(xì)的設(shè)計(jì)算法將會(huì)在程序設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。 系統(tǒng)框圖（圖 2.1）如下： 圖 2.1 硬件原理框圖 被測直流電壓由 a/d 轉(zhuǎn)換單元采集后被量化，再由單片機(jī)對 a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié) 果進(jìn)行標(biāo)度變換，得到被測電壓的數(shù)值，通過單片機(jī)對數(shù)次轉(zhuǎn)換結(jié)果求平均值、 并通過 soi 串行數(shù)據(jù)接口把所求平均值輸出給顯示驅(qū)動(dòng)單元，由該單元完成譯 碼，并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。 2.2.12.2.1 硬件電路圖及工作過程簡介硬件電路圖及工作過程簡介 電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)模擬的電壓量經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)化后變?yōu)椴贿B續(xù)的離散的 數(shù)字量并加以顯示7。在設(shè)計(jì)過程中采用分模塊設(shè)計(jì)，按照圖 2.1 把電路分 a/d 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理輸出、驅(qū)動(dòng)、顯示四個(gè)單元，分別設(shè)計(jì)。 被測電壓 a/d 轉(zhuǎn)換 單元 數(shù)據(jù)處 理單元 顯示驅(qū) 動(dòng)單元 顯示 單元 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 a/d 轉(zhuǎn)換器選用的是八位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 adc0809。其次，計(jì)算機(jī)中的數(shù)字都 是十六進(jìn)制數(shù)，而我們習(xí)慣于十進(jìn)制數(shù)的讀寫，因此，在軟件設(shè)計(jì)中則要把十 六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。在顯示的時(shí)候也是如此。本裝置的輸出用四位 led 顯示，因此在軟件設(shè)計(jì)中還要解決數(shù)字輸出與 led 的接口問題。硬件則需要將 輸出線接到八段數(shù)碼管上8。 數(shù)值顯示采用八段數(shù)碼管，由單片機(jī)以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)，在此方式下能 保證足夠的亮度和較長的使用壽命。 由電路原理圖 2.2 可以看出 adc0809 通過 in0 采集電壓信號(hào)并送給單片機(jī)， 單片機(jī)將采集來的信號(hào)進(jìn)行一定的處理然后通過串口擴(kuò)展的共陰極 led 數(shù)碼管 顯示采集的電壓值。 數(shù)碼管顯示是采用動(dòng)態(tài)顯示的原理，要顯示的數(shù)碼通過單片機(jī)的串口發(fā)送 然后通過 zlg7289 轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)分別加到四個(gè)數(shù)碼管的 sadp，而四個(gè)數(shù)碼 管的公共端分別接 zlg7289 的 dig0-dig3 接口，因此要使哪個(gè)數(shù)碼管顯示就把 相應(yīng) 的公共端口置零即可。比如：數(shù)字“1”的字型碼通過串口發(fā)送出來并經(jīng)過 zlg7289 譯碼加到了四個(gè)數(shù)碼管上，如果其中一個(gè)引腳為“0”那么對應(yīng)的數(shù)碼 管顯示數(shù)字“1” 。在此電路中電壓值的三個(gè)數(shù)字分別通過串口依次的送出，對 應(yīng)的公共端也依次被置“0” ，由于兩次置“0”的時(shí)間間隔很短，由于人的視覺 暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但 只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。 因此給人的感覺就是三個(gè)數(shù)碼管同時(shí)的顯示出電壓值四個(gè)數(shù)字5。 數(shù)字電壓表電路圖如圖數(shù)字電壓表電路圖如圖 2.22.2 所示：所示： 圖 2.2 電路原理圖 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 adc0809 的 ref（-）接地，ref（+）接電源+5v，因此采集電壓的范圍是 05v，a/d 轉(zhuǎn)換輸出的結(jié)果 d0d7 為 8 位二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換輸出的結(jié)果在 0255 之間分別對應(yīng)著 0+5v 之間的 256 個(gè)電壓值，因此單片機(jī)必須把 a/d 轉(zhuǎn)換輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以顯示的電壓值，具體的方法是： （2.1） 由上公式可知：當(dāng) adc0809 輸出為（11111111）b時(shí)，輸入電壓值 vin=5.00v；當(dāng) adc0809 輸出為（00000000）b時(shí)，輸入電壓值 vin=0.00v；當(dāng) adc0809 輸出為（10000000）b時(shí)，輸入電壓值 vin=2.50v，但是單片機(jī)在進(jìn)行 數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)結(jié)果只讀取整數(shù)部分，因此當(dāng)輸出為（10000000）b時(shí)計(jì)算得來的電 壓值 vin=2.00v。由此可以看出這樣運(yùn)算的輸出結(jié)果很不準(zhǔn)確，在 0+5v 之間 只有 0，1，2，3，4，5 六個(gè)電壓值，所以必須把單片機(jī)運(yùn)算結(jié)果中的小數(shù)部分 保留下來8。具體方法是：如果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，在運(yùn)算的時(shí)候分子乘以 100，保留三位就乘以 1000。小數(shù)點(diǎn)后保留兩位的公式如下： （2.2） 由新公式可知當(dāng) adc0809 輸出位（10000000）b 時(shí)，單片機(jī)運(yùn)算結(jié)果為 2500。然后單片機(jī)將 250 除以 10 得到商為 250，余數(shù)為 0，再將 250 除以 10 得 到商為 25，余數(shù)為 0，再將 25 除以 10 得到商為 2，余數(shù)為 5。這樣就可以得到 電壓值的四個(gè)數(shù)字，最后分別將 2、5、0、0 四個(gè)數(shù)通過串口送出，顯示在四個(gè) 數(shù)碼管上，并且把第一個(gè)數(shù)碼管的 dp 腳（即小數(shù)點(diǎn)）直接接地使其一直發(fā)亮， 那么數(shù)碼管上就可以顯示輸入的電壓值“2.500” 5。 2.2.22.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)簡介軟件程序設(shè)計(jì)簡介 開機(jī)后首先初始化，使數(shù)碼管顯示為“0.000”然后調(diào)用 a/d 轉(zhuǎn)換子程序啟 動(dòng) ad 轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)等待查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，如果有信號(hào)則通過并行口讀取轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，就這樣連著讀取五次數(shù)據(jù)后求平均值，再按上面的方法通過串 行口把數(shù)據(jù)傳輸出，經(jīng)譯碼在數(shù)碼管顯示。具體方法和程序見程序設(shè)計(jì)部分和 附錄。 2.32.3 小結(jié)小結(jié) 在電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中都采用了分模塊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法清晰的電路 的功能，為設(shè)計(jì)和以后的調(diào)試和維修帶來了極大的方便。特別是在軟件設(shè)計(jì)中， 51 1000 10005 255 doutdout vin 5 255 dout vin 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 這中方法曾強(qiáng)了程序的可移植性，為以后的功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。 3 3 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì) 3.13.1 器件的選擇器件的選擇 模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用 adc0809 單片機(jī)用 at89c51 顯示驅(qū)動(dòng)用 zlg7289 數(shù)碼管用四位共陰級(jí) led（sm420364） 退耦電容 100nf 無極性電容和 100f 的電解電容 位電容用 10f 的電解電容 零歐電阻 限流電阻 共陰極八段數(shù)碼管 sm420364 3.23.2 a/da/d 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 3.2.13.2.1 a/da/d 轉(zhuǎn)換芯片的選擇轉(zhuǎn)換芯片的選擇 a/d 轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過 a/d 轉(zhuǎn)換器把輸 入模擬量變成數(shù)字量再處理。 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的 a/d 轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有 3 種類 型，即雙積分式 a/d 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器和并行式 a/d 轉(zhuǎn)換器。目 前最常用的是雙積分和逐次逼近式。 雙積分式 a/d 轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)， 比如 icl71xx 系列等，它們通常帶有自動(dòng)較零、七段碼輸出等功能。與雙積分 相比，逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如 adc0808、adc0809 等，它們通常具有 8 路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路 等，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示9。 本設(shè)計(jì)中，要求精度小于 0.5%，則選用分辨率為 8 位的芯片，如 adc0809，adc0801，adc0808 就能滿足設(shè)計(jì)要求。本電路采用 adc0809。 3 基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計(jì) 8 cpgo adif=1 數(shù)字量輸出 us 被測電壓 ui 3.2.23.2.2 adc0809adc0809 轉(zhuǎn)換原理介紹轉(zhuǎn)換原理介紹 adc 是一種基本的外圍擴(kuò)展器件，其種類很多，工作原理也不僅相同，比 較有代表性的是：單積分型，雙積分型，脈寬調(diào)制型和逐次比較型（逐次逼近 型） 。從產(chǎn)品性價(jià)比、轉(zhuǎn)換速度和精度等方面綜合分析，逐次比較型 adc 是相對 應(yīng)用比較廣的類型之一。所以有著廣泛的應(yīng)用10。 逐次逼近型 adc 實(shí)際采用的方法上從高到底開始逐位設(shè)定，比較模擬量輸 出，再來確定原設(shè)定位的正確與否。逐次比較型 adc 原理結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。 其主要由采集保持電路、電壓比較器、逐次比較寄存器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 adc 和鎖 存器等部分組成。 + _ 圖 2.3 逐次比較型 adc 結(jié)構(gòu) 其工作原理如下： 首先，被測模擬電壓 ui通過逐次比較寄存器，將傳遞進(jìn)的脈沖 cp 信號(hào)轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字量再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器生成對應(yīng)的模擬量us。當(dāng)獲得模擬 量 us的數(shù)值達(dá)到并接近被測電壓所對應(yīng)ui后，就可以檢測出電壓比較器完成最后的反轉(zhuǎn)。 此時(shí)，逐次比較積存器的計(jì)數(shù)值就是被測電壓ui所對應(yīng)的數(shù)字量，從而完成模擬量的轉(zhuǎn)換。 以上的分析表明，逐次比較的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，歸根到底是數(shù)/模轉(zhuǎn)換，采用逐次與 模擬量進(jìn)行比較后得到最終的數(shù)字標(biāo)定值11。 3.2.33.2.3 adc0809adc0809 芯片介紹芯片介紹 adc0809 是一種 8 位逐次逼近型 a/d 轉(zhuǎn)換器。帶 8 個(gè)模擬量輸入通道，芯 片內(nèi)有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方 式，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為 100s，可以和單片機(jī)直接接口9。 adc0809 的引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示。 逐次比較 寄存器 寄 存 器 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 圖圖 2.32.3 圖 2.4 由圖 1（b）可知，adc0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)，一個(gè)地址鎖存與譯碼器、 一個(gè) 8 位 a/d 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通 道 in0in7，允許 8 路模擬分量輸入，共用 a/d 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出 鎖存器用于鎖存 a/d 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) oe 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出 鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 in0in7：8 條模擬量輸入通道。adc0809 對輸入模擬量的要求是信號(hào)單極 性，電壓范圍是 05v，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大：輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過 程中應(yīng)保持不變，如若模擬信號(hào)變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4 條，ale 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ale 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 a，b，c 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行 鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。a，b，c 為地址輸 入線，用于選通 in0in7 上的一路模擬量輸入。通道選擇如表 2.1 所示。 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條。 start 為上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零； 下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換：在轉(zhuǎn)換 期間，start 應(yīng)保持底電平。eoc 為轉(zhuǎn)換 結(jié)束信號(hào)。當(dāng) eoc 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn) 換結(jié)束：否則，表明正在進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換。 oe 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出 鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸 出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0 為數(shù)字量 輸出線。 clk 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。由于 adc0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘 信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為 500khz，最大不能超過 1280khz11。 vref（+） ，vref（-）為參考電壓輸入，決定了輸入模擬量的范圍。一般情 況 vref（-）接地，vref（+）接+5v 電源。 3.2.43.2.4 adc0809adc0809 與單片機(jī)的接口方法與單片機(jī)的接口方法 電路原理圖 2.2 可以看出 adc0809 的數(shù)據(jù) d0d7 直接與單片機(jī)的總線 p0 相連。模擬輸入通道地址 a、b、c 直接接地，因此 adc0809 只對通道 in0 輸入 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其他通道直接接地（接地的目的主要是為了減少輸入噪 聲，一般情況對于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片中沒用到的模擬輸入端都這樣處理） 。時(shí)鐘 clk 由單片機(jī)的 ale 取得，對于晶振為 12mhz 的單片機(jī) ale 輸出為 2mhz 的方波，但 前面提到 adc0809 的時(shí)鐘頻率一般為 500khz，最大能超過 1280khz，但在實(shí)際 應(yīng)用中 2mhz 的信號(hào)也可以使 adc0809 正常工作。start、ale 和 oe 分別由單片 機(jī)的 wr、rd 和 p2.7 經(jīng)或非門接入、這樣主要是滿足 adc0809 的信號(hào)電平與時(shí) 序的要求。按此圖中的片選接法。adc0809 通道in0 的地址為 7fffh。 由于 eoc 未接入單片機(jī)，故只能采用延時(shí)等待的方法來讀取 a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié) 果（即當(dāng)單片機(jī)啟動(dòng) adc0809 后延時(shí)一段時(shí)間再主動(dòng)去讀 adc0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)果） 。 但是如果單片機(jī)在進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換時(shí)還要執(zhí)行其他的程序可以將 eoc 接在單片機(jī) 的中斷上，這樣當(dāng) a/d 轉(zhuǎn)換完后 eoc 可以對單片機(jī)產(chǎn)生中斷使其讀取 a/d 轉(zhuǎn)換 的結(jié)果，這樣做單片機(jī)的使用效率更高。 3.33.3 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 3.3.13.3.1 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，又稱微型控制或嵌入式控制器，是將計(jì)算機(jī) 的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。單片機(jī)有著體積小，功耗 低，功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置、智能 化儀器儀表、過程控制和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 3.3.23.3.2 采用采用 at89c51at89c51 的原因的原因 在眾多的 51 系列單片機(jī)中，要算 atmel 公司的 at89c51 更實(shí)用，它是由 北京集成電路設(shè)計(jì)中心在 msc-51 單片機(jī)的基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)，由美國生產(chǎn)的至今 為止世界上最新型的高性能八位單片機(jī)。它不但和 8051 指令、管腳完全兼容， 而且其片內(nèi)的 4k 程序存儲(chǔ)器是 flash 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電 的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 atmel at89cx 做的編程器均帶有這些功能。 顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短12。 3.3.33.3.3 at89c51at89c51 芯片主要性能參數(shù)芯片主要性能參數(shù) 與 mcs51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)的可重擦寫 flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz24hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 1288 字節(jié)內(nèi)部 ram 32 個(gè)可編程 i/o 口