數(shù)字電壓表設(shè)計報告(終結(jié)版).docx

數(shù)字電壓表摘要在電子器件設(shè)計中，以單片機(jī)作為控制核心的系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其以MCS-51最為普遍。而數(shù)字電壓表的基本原理是對直流電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將其結(jié)果用數(shù)字直接顯示出來。為以單片機(jī)為控制核心實現(xiàn)數(shù)字電壓表的設(shè)計，結(jié)合了模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，段碼顯示以及液晶顯示，并結(jié)合ADC0809芯片及74HC573，進(jìn)而實現(xiàn)了對5V以內(nèi)的直流電壓的準(zhǔn)確測量，并在數(shù)碼管以及液晶顯示屏上同時顯示。并進(jìn)一步擴(kuò)展，實現(xiàn)了最多可以對八路電壓同時進(jìn)行測量。而且對于超出測量范圍的電壓能夠以LED燈的閃爍實現(xiàn)報警。關(guān)鍵詞：MSC-51 ADC0809 數(shù)字電壓表 數(shù)模轉(zhuǎn)換 LCD目錄1. 系統(tǒng)設(shè)計31.1 方案設(shè)計與論證31.1.1 方案設(shè)計31.1.2 方案論證31.2 主要部件原理及參數(shù)計算31.2.1 輸入單元電路設(shè)計31.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計41.2.3 單片機(jī)主控電路設(shè)計51.2.4 電壓顯示電路設(shè)計61.3 系統(tǒng)設(shè)計71.3.1 硬件設(shè)計71.3.2 軟件設(shè)計流程72. 系統(tǒng)測試92.1 測試方法與結(jié)果92.2 測試結(jié)論92.2.1 功能實現(xiàn)92.2.2 誤差分析103. 附錄103.1 參考文獻(xiàn)103.2 附圖103.3 源程序121. 系統(tǒng)設(shè)計1.1 方案設(shè)計與論證數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，目前采用單片機(jī)設(shè)計的數(shù)字電壓表，由于精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可以與PC進(jìn)行實時通信，所以以下方案均采用單片機(jī)設(shè)計。1.1.1 方案設(shè)計方案一：基于MSP430F448單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計。MSP430F44x系列單片機(jī)片內(nèi)集成了8路12位AD、串行通信接口、看門狗定時器、比較器、硬件乘法器等外圍設(shè)備模塊，從而降低了應(yīng)用電路的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。該芯片可以工作于25V和33V兩種電壓下，其功耗非常低。方案二：使用AT89C51單片機(jī)作為核心控制芯片，并用TLC549串行芯片作模數(shù)采樣芯片。其占用的單片機(jī)的I/O口少且占用電路面積小。其缺點是編程比較復(fù)雜。法案三：使用AT89C51單片機(jī)作為核心控制芯片，并采用ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片其需要占用一個I/O口，可以循環(huán)采樣8路模擬通道。占用板子面積大但編程相對更為簡單。1.1.2 方案論證采用MSP430F44x系列單片機(jī)設(shè)計具有低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定、外圍電路簡單等優(yōu)點，但是考慮現(xiàn)有資源使用25V和33V電源供電具有一定難度。對比方案二和方案三，結(jié)合實際情況，采用TLC549串行芯片實現(xiàn)電路不具有可行性，所以本設(shè)計采用方案三。1.2 主要部件原理及參數(shù)計算如何實現(xiàn)5V模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓？如何實現(xiàn)數(shù)字電壓經(jīng)過控制顯示在數(shù)碼管上和液晶屏上？它們的參數(shù)如何設(shè)置？下面將回答這些問題。1.2.1 輸入單元電路設(shè)計輸入電路的作用是把被測的模擬電壓值送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，使用單片機(jī)學(xué)習(xí)板輸出5V直流電壓，然后經(jīng)過電位器選擇不同的電壓，最后將轉(zhuǎn)換后的模擬電壓送至ADC0809芯片。圖1-2-1 輸入電壓等效電路1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計本設(shè)計采用ADC0809芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，ADC0809是具有8通道、8位逐次逼近式A/D模數(shù)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換工作原理：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。其結(jié)構(gòu)原理圖和外部引腳圖如圖1-2-2所示。 圖1-2-2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖本設(shè)計通過輸入電路將8路輸入電壓送入ADC0809。并通過單片機(jī)P3端口控制實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機(jī)的P2口。ADC0809芯片的時鐘信號由單片機(jī)產(chǎn)生，送入芯片clock端口。芯片的基準(zhǔn)電壓和電源電壓均由單片機(jī)學(xué)習(xí)板提供。1.2.3 單片機(jī)主控電路設(shè)計AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖1-2-3所示。圖1-2-3 AT89C51引腳圖本電路通過單片機(jī)定時器給ADC0809芯片提供500KHz的時鐘信號，用P3口來控制ADC芯片的工作和輸入電壓通道的選取。將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過P0端口送入74HC573芯片鎖存，再由P1端口控制將其數(shù)值分別顯示在數(shù)碼管和液晶屏上。1.2.4 電壓顯示電路設(shè)計（1）LED顯示LED顯示器引腳如圖1-2-4所示，是一個共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管其中a，b，c，d，e，f，g為4位LED各段的公共輸出端1，2，3，4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點引出端，4位一體LED數(shù)碼顯示管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后引出到器件的外部。本電路通過使用兩天74HC573芯片分別控制LED的位選與段選。圖1-2-4 LED數(shù)碼管引腳圖（2）LCD液晶屏顯示本電路采用LCD1602液晶屏來顯示電壓值。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。其引腳圖如圖1-2-5所示。本設(shè)計通過單片機(jī)P0口直接與LCD的輸入端相連，并通過單片機(jī)P3口來控制液晶屏的顯示。圖1-2-5 LCD1602引腳圖顯示電路總體思路是以單片機(jī)為主要控制核心芯片，并結(jié)合鎖存芯片對LED進(jìn)行位選與段選，并通過P3口控制液晶屏來實現(xiàn)。具體電路如圖1-2-6所示。圖1-2-6 顯示電路1.3 系統(tǒng)設(shè)計多路數(shù)字電壓表應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管顯示電路和液晶屏顯示電路組成。1.3.1 硬件設(shè)計本設(shè)計的數(shù)字電壓表的系統(tǒng)框圖如圖1-3-1所示。LED顯示單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換輸入電路LCD顯示圖1-3-1 系統(tǒng)框圖1.3.2 軟件設(shè)計流程（1）主程序主程序包括初始化部分，A/D轉(zhuǎn)換控制部分和定時子程序。同時還設(shè)置了多路循環(huán)顯示和超壓報警子程序。程序框圖如圖1-3-2所示。開始初始化轉(zhuǎn)換完成？開始A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成？NOYES數(shù)據(jù)處理LCD、LED屏、警告循環(huán)顯示50次圖1-3-2 主程序流程圖（2）顯示子程序該部分分別實現(xiàn)了LED數(shù)碼管和LCD液晶屏的同步顯示功能，并且在液晶屏上顯示出對應(yīng)的電壓路數(shù)和一些適當(dāng)?shù)臉?biāo)志。2. 系統(tǒng)測試2.1 測試方法與結(jié)果（1）測試方法 實物電路的測試，首先根據(jù)仿真電路圖焊接實物電路，連接好后，將C語言程序下載到單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行測試，將側(cè)的的數(shù)值記錄下來，然后再用已有的數(shù)字電壓表對可變電阻的電壓進(jìn)行測量，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，看結(jié)果是否一致，如果不一致，計算測量誤差。（2）測試結(jié)果表2-1-1實物電路的測試結(jié)果R0 R1R2R3R4R5R6R7第一次真實值（v）3.173.021.783.341.833.632.882.13測得值3.203.031.803.341.843.652.892.14第二次真實值3.274.981.680.924.152.153.151.33測得值3.284.981.680.924.172.173.171.342.2 測試結(jié)論通過使用萬用表多次測量，并與實際值進(jìn)行對比。2.2.1 功能實現(xiàn)以上測試結(jié)果表明，本設(shè)計完成了基本要求，并且完成了發(fā)揮部分的全部要求。具體利于下：（1）0-5V直流電壓的獲取。（2）采用AD轉(zhuǎn)換器ADC0809實現(xiàn)單通道直流電壓檢測。（3）用學(xué)習(xí)板數(shù)碼管以及外擴(kuò)液晶1602顯示所測電壓值（4）實現(xiàn)多通道直流電壓檢測，在數(shù)碼管以及外擴(kuò)液晶1602上輪流顯示各路電壓值。（5）設(shè)定電壓報警值（上下限），當(dāng)超過這一數(shù)值時，會出現(xiàn)二極管閃爍。（6）在基礎(chǔ)和擴(kuò)展要求實現(xiàn)的情況下，我們還將電壓路數(shù)同時顯示在液晶屏上，更具有實用性。2.2.2 誤差分析通過分析以上測試數(shù)據(jù)，得出一下結(jié)論：（1）測量值與實際值有一定的誤差，其主要原因是因為A/D轉(zhuǎn)換芯片自身的轉(zhuǎn)換誤差和實際電路延時問題造成的。（2）兩次測量值有一定的偏差，其主要原因是因為使用單片機(jī)學(xué)習(xí)班提供5V供電，由于單片機(jī)輸出電壓不穩(wěn)定，造成以上結(jié)果。3. 附錄3.1 參考文獻(xiàn)1胡漢才主編.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,20102郭天祥主編.51單片機(jī)C語言教程.北京：電子工業(yè)出版社，20093蔣青主編.通信原理.北京:人民郵電出版社，20114 蔣廷彪,劉電霆,高富強(qiáng),方華.單片機(jī)原理及應(yīng)用.出版社:重慶大學(xué)出版社.出版時間:2005年1月第2次印刷5 8051實驗指導(dǎo)書電子電氣綜合實訓(xùn)系統(tǒng).出版社:北京精儀達(dá)盛科技有限公司6 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計(第二版)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20047 吳金戌,沈慶陽,郭庭吉.8051單片機(jī)實踐與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,20028 張國勛.縮短ICL7135A/D采樣程序時間的一種方法J.電子技術(shù)應(yīng)用.1993.第一期9MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用蔡美琴 高等教育出版10過程控制與儀表陳樂 中國計量學(xué)院出版社，2007-33.2 附圖附圖1 系統(tǒng)仿真圖附圖2 作品實物3.3 源程序void main() TimeInitial(); init(); while(1) for(lu=0;lu8;lu+) P3=lcd_weilu; ST=0; OE=0; ST=1; ST=0; while(EOC=0);OE=1;getdata=P2;OE=0;deal();lcd(); for(i=0;i100;i+)Display();warning(); #include#include#define uchar unsigned charunsigned char code dispbitcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c;unsigned char code lcd_tab=0123456789.V;unsigned char code lcd1_tab=The voltage is :;unsigned char code lcd2_tab=num;unsigned char code lcd3_tab=12345678;unsigned char code lcd_wei=0x0f,0x1f,0x2f,0x3f,0x4f,0x5f,0x6f,0x7f;unsigned char dispbuf4;unsigned int i,j,temp,temp1,lu;unsigned char getdata,num;sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit CLK=P33;sbit adca=P34;sbit adcb=P35;sbit adcc=P36;sbit lcdrs=P14;sbit lcden=P15;sbit Dig_ce=P11;sbit led_ce=P12;void TimeInitial(); void Delay(unsigned int i);void Display();void lcd();void key();void warning();void deal();void write_com(uchar com) lcdrs=0; P0=com; Delay(1); lcden=1; Delay(1); lcden=0;void write_data(uchar date) P0=0; lcdrs=1; P0=date; Delay(1); lcden=1; Delay(1); lcden=0;void init() P0=0; lcden=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01);void main() TimeInitial(); /提供時鐘信號 /P3 口初始化 init(); while(1) for(lu=0;lu8;lu+) P3=lcd_weilu; ST=0; /初始化OE=0; /初始化ST=1; /復(fù)位 開始轉(zhuǎn)換 下降沿開始轉(zhuǎn)換ST=0; /轉(zhuǎn)換期間保持低電平while(EOC=0)