基于單片機控制的數(shù)字電壓表.doc

基于單片機控制的數(shù)字電壓表摘 要：在現(xiàn)代檢測技術中，常需要高精度數(shù)字電壓表進行現(xiàn)場檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)送入微計算機系統(tǒng)，完場計算、存儲、控制和顯示等功能。本文中數(shù)字電壓表的控制系統(tǒng)采用AT89c51單片機，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809為主要硬件，實現(xiàn)數(shù)字電壓表的硬件電路與軟件設計。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單，所用元器件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實現(xiàn)自動化。還可方便地進行8路A/D轉(zhuǎn)換量的測量，遠程測量結(jié)果傳送等功能。數(shù)字電壓表可以測量05V的8路輸入電壓值，并在四路LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。關鍵字：單片機；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；模擬信號1. 引言數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)化成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這是有區(qū)別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字萬用表的內(nèi)部核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響了數(shù)字萬用表的精確度，本文的A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809對模擬信號進行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89c51再轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行運算和處理，最后驅(qū)動輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號。2. 總體設計方案2.1 設計思路本設計采用ADC0809對模擬信號進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)控制核心89C51再轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行運算和處理，最后由驅(qū)動輸入裝置74245顯示數(shù)字電壓信號。ADC0809通過IN0IN7采集模擬電壓信號送給單片機，單片機將采集來的信號通過一定的處理然后通過并口擴展的共陽極LED數(shù)碼管顯示采集的電壓值。2.1.1 方案確立經(jīng)過各個方面的考慮，總共得出兩個比較可行的方案，如下。（1）方案一：用電位器控制輸入電壓，經(jīng)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入AT89C51處理，最后經(jīng)74LS164驅(qū)動顯示數(shù)字電壓信號，本電路一個特點就是另外接一報警電路，顯示電路屬串行顯示，優(yōu)點是電路原理比較簡單，但所用元器件較為冗多(6個74LS164，LM386、ADC0809、AT89C51各一個，極性電容、發(fā)光二極管等若干)。大致電路設計原理圖見附錄一。（2）方案二：主要用4個芯片AT89C51,ADC0809,74245,14024來控制整個電路，優(yōu)點是所用元器件個數(shù)較少，原理圖簡單明了，但也存在一定的缺點，就是實際制作電路板時所需跳線較多，電路設計原理圖見附錄二。本設計經(jīng)多方位考慮，采用方案二，所用電子元器件見表1。 表1 電子元器件清單材料類型材料型號數(shù)量ICAT89C511ADC0809174LS2451140241電阻51074.7K68.2K3三極管85504共陽數(shù)碼管XD110504非極性電容30F210F1晶振12MHz12.2 總體設計框圖本設計采用方案二，根據(jù)ADC0809、AT89C51的特點以及他們的接口順序，繪出總體設計方框圖如下圖1所示。3. 設計原理分析3.1 數(shù)字電壓表硬件電路設計硬件電路設計主要包括:89C51單片機系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路。測量最大電壓位5V，顯示最大值為5.00V。圖2為數(shù)字電壓表硬件電路原理圖。3.1.1 89C51單片機系統(tǒng)和顯示電路由于單片機體積小、重量輕、價格便宜，所以本系統(tǒng)采用89C51內(nèi)部有4KB的EEPROM，128字節(jié)的RAM，所以一般都要根據(jù)系統(tǒng)所需存儲容量的大小來擴展ROM,所以一般都要根據(jù)系統(tǒng)所需存儲容量大小來擴展ROM和RAM。本電路/EA接高電平，沒擴展片外ROM和RAM。89C51的P1、P3.0P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管控制。P3.5端口用作單路顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。8路模擬輸入A/D轉(zhuǎn)換89C51單片機通訊模塊LED顯示 圖1 總體設計方框圖圖2 數(shù)字電壓表硬件電路原理圖3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0809完成。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（2325腳）可決定對哪一路模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制。6腳為測試控制，當輸入一個2s寬高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7管腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，當A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)束時，7管腳輸出高電平。9管腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端，當OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為0809的時鐘輸入端，利用單片機30引腳的六分頻晶振頻率再通過14024二分頻得到1MHz時鐘。3.1.3 ADC0809的結(jié)構(gòu)和工作原理ADC0809是一種8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，帶8個模擬量輸入通道，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，啟動信號為脈沖啟動方式，每個通道的轉(zhuǎn)換大約為100s，可以和單片機直接接口。ADC0809的引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，ADC0809是由一個八路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個八位A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道IN0IN7,允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(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OE端為高電平時才可以從三態(tài)輸出鎖存器取出轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。IN0IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，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ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表2所示。數(shù)字量輸出及控制線：11條。ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。3.1.4ADC0809應用說明 （1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。表2 通道選擇表地址編碼被選中的通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7如果中斷允許控制位為1，則表示第二次中斷，再判斷T0運行的時間；如果運行的時間13.5ms或1ms，則認為是誤碼，退出；如果在1ms和13.5ms之間，再判斷是否小于2ms，2ms可判為收到的數(shù)據(jù)為“0”，轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)“0”處理；如果2ms，再判斷是否11.25ms，11.25ms的可判為接收到的數(shù)據(jù)為“1”，轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)“1”處理；如果11.25ms，則收到的為簡碼。數(shù)據(jù)“0”和“1”用C位儲存，數(shù)據(jù)“0”時C=0，數(shù)據(jù)“1”時C=1。用移位指令將數(shù)據(jù)進行移位保存。連續(xù)接收32位數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)有效性判斷，可再判斷用戶碼是否和自己需要的相同。如果數(shù)據(jù)有效，則將低8位用戶碼、高8位用戶碼、按鍵碼進行BCD碼分離并存于顯示緩沖中作顯示用，數(shù)據(jù)無效則退出外中斷0。中斷退出時重設T0初值為0，T0中斷中將引導標志位置0，為下次接收紅外線信號做準備。3.1.5 ADC0809的接口方法圖4是ADC0809和ATC89c51單片機的連線圖，此圖是最簡單的連接方法，本設計就基本采用此種接法。由圖4可以看出，ADC0809的D0D7直接與單片機的總線P0相連。時鐘CLK由單片機的ALE取得，對于晶振為12MHz的單片機ALE輸出為2MHz的方波，而本設計又在此基礎上加以變化，又另接14024二分頻器，使其輸出1MHz的方波，前面提到ADC0809的時鐘頻率一般為500KHz，最大能超過1280KHz，故1MHz的信號可以使ADC0809正常工作。3.2 數(shù)字電壓表系統(tǒng)的軟件設計3.2.1 初始化程序系統(tǒng)上電后，初始化程序?qū)?0H77H內(nèi)存單元清0，P2口置0。系統(tǒng)默認為循環(huán)顯示8個通道的電壓值，當進行一次測量后，將顯示每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值，每次通道顯示時間為1s。70H77H內(nèi)存單元存放采樣值，78H7BH內(nèi)存放顯示數(shù)據(jù)，依次為個位、十位、百位、通道標志位。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對0809八路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并將對應的數(shù)值存入70H77H內(nèi)存單元。 圖3 ADC0809引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖3.2.3 顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量數(shù)據(jù)在顯示時需轉(zhuǎn)換成BCD碼放在78H7BH內(nèi)存單元中，其中7BH存放通道標志位。R3作為8路循環(huán)控制，R0用作顯示數(shù)據(jù)指針。3.2.4 程序流程圖主程序流程圖和A/D轉(zhuǎn)換測量程序流程圖分別如圖5（a）、（b）所示。圖4 ADC0809和89C51的連線圖開始開始啟動測試初始化A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？P3.7=1？調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序取數(shù)據(jù)（P2.5=1）調(diào)用顯示子程序（a ）主程序0809地址加1地址數(shù)小于8？返回 （b ） A/D轉(zhuǎn)換測試程序 圖5 數(shù)字電壓表程序流程圖4 結(jié)束語根據(jù)以上設計進行測試，該數(shù)字電表可以測量05V電壓值，89C51為8位處理器，當ADC0809輸入電壓值為5.00V時，輸出數(shù)據(jù)為255（FFH），因此最大分辨率為0.0196V（5/255），滿足設計要求最大分辨率0.02V。如需獲得更大的分辨率，可采用12位、13位的A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電壓顯示可能有偏差?？梢酝ㄟ^校正0809的基準電壓來解決，或者用軟件編程來校正測量值。本系統(tǒng)用89C51構(gòu)成數(shù)字電壓表控制系統(tǒng)，具有精度高、速度快、性能穩(wěn)定和電路簡單且工作可靠等特點，具有很好的實用價值。參考文獻 1李朝青.單片機原理及接口技術M.第三版.北京：北京航空航天大學出版社，2005.259262 2余永權，汪明慧，黃英.單片機在控制系統(tǒng)中的應用M.電子工業(yè)出版社，2003.10 3丁元杰.單片微機原理及應用M.北京:機械工業(yè)出版社，1994 4邱關源.電路M.第五版.北京：高等教育出版社，2006 5康華光.電子技術基礎M.第五版.北京：高等教育出版社，20066謝自美.電子線路設計實驗測試M.第三版.武漢：華中科技大學出版社，2006.08附錄一 圖6 數(shù)字電壓表硬件電路原理圖附錄二 圖7 方案一電路設計原理圖附錄三數(shù)字電壓表匯編源程序清單：ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HRETIORG 000BHRETIORG 0013HRETIORG 001BHRETIORG 0023HRETICLEAREMEMIO:CLR A MOV P2,A MOV R0,#70H MOV R2,#0CHLOOPMEM:MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOPMEM MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A MOV P3,ARETSTART:LCALL CLEAREMEMIOMAIN:LCALL DISPLAY LCALL TEST AJMP MAIN NOP NOP NOP LJMP STARTDISPLAY:MOV R3,#08H MOV R0,#70H MOV 7BH,#00HDISLOOP1:MOV A,R0 MOV B,#100 DIV AB 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