數字電壓表設計與制作報告

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文檔簡介

1、　　江陰職業(yè)技術學院　　項目設計報告　　項目：數字電壓表設計與制作　　摘要　　本文介紹了一種基于單片機的簡易數字電壓表的設計。該設計主要由

2、三個模塊組成：A/D轉換模塊，數據處理模塊及顯示模塊。A/D轉換主要由芯片ADC0832來完成，它負責把采集到的模擬量轉換為相應的數字量在傳送到數據處理模塊。數據處理則由芯片AT89C51來完成，其負責把ADC0832傳送來的數字量經過一定的數據處理，產生相應的顯示碼送到顯示模塊進行顯示；此外,它還控制著ADC0832芯片工作。　　該系統的數字電壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，且測量精度和

3、可靠性較高。此數字電壓表可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過一個四位一體的7段數碼管顯示出來。　　關鍵詞單片機；數字電壓表；A/D轉換；AT89C51；ADC0832.　　Abstract　　This paper which introduces a kind

4、 of simple digital voltmeter is based on single-chip microcontroller design. The circuit of the voltage meter is mainly consisted of three mould pieces: A/D converting mould piece, A/D converting is mainly completed by t

5、he ADC0832, it converts the collected analog data into the digital data and transmits the outcome to the manifestation controlling mould piece. Data processing is mainly completed by the AT89C51 chip, it processes the da

6、ta produced by the ADC0832　　The voltmeter features in simple electrical circuit, lower use of elements, low cost, moreover, its measuring precision and reliability. The voltmeter is capable of measur

7、ing voltage inputs from 1 route ranging from 0 to 5 volt, and displaying the measurements though a digital code tube of 7 pieces of LED.　　Keywords Single-chip microcontroller; Digital voltmeter; A/D

8、 converter; AT89C51; ADC0832　　目錄　　摘要I　　AbstractI　　目錄II<p

9、>　　第一章緒論1　　1.1 課題的應用場合1　　1.2 系統的功能和性能指標1　　第二章總體方案2　　2.1 方案設計與選擇2　　2.2 系統的總體結構3</p&

10、gt;　　第三章硬件電路設計5　　3.1 硬件電路框圖5　　3.2 主要器件選擇與應用5　　3.3 單片機小系統設計5　　3.4 鍵盤與顯示電路設計6　　第四章軟件設計9

11、　　4.1 軟件組成框圖9　　4.2 軟件流程圖設計9　　4.3 主要程序設計10　　第五章系統調試13　　5.1 調試的方法與工具13　　5.2 Proteus仿真調試及效果13</p&g

12、t;　　5.3 軟硬件聯合調試14　　5.4 系統運行14　　5.5 調試心得15　　第六章展望與拓展17　　致謝17　　參考資料17

13、　　附錄18　　附錄Ⅰ 系統電原理圖18　　附錄Ⅱ 系統仿真效果圖19　　附錄Ⅲ 樣機實物圖19　　附錄Ⅳ 軟件流程圖20

14、;　　附錄Ⅴ源程序清單21　　第一章緒論 　　1.1 課題的應用場合　　在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經常需要測量高精度的電壓，所以數字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數字電壓表簡稱DVM，

15、它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉換成不連續(xù)、離散的數字形式并加以顯示的儀表。由于數字式儀器具有讀數準確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應用。　　傳統的指針式刻度電壓表功能單一，進度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數字化時代的需要。采用單片機的數字電壓表，將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉換成不連續(xù)的離散的數字形式并加以顯示，從而精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還

16、可與PC實時通信。數字電壓表是諸多數字化儀表的核心與基礎[2]。以數字電壓表為核心，可以擴展成各種通用數字儀表、專用數字儀表及各種非電量的數字化儀表。目前，由各種單片機和A/D轉換器構成的數字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。　　本文是以簡易數字直流電壓表的設計為研究內容，本系統主要包括三大模塊：轉換模塊、數據處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉換采用ADC0832對輸入的模擬信號進行轉換，控制

17、核心AT89C51再對轉換的結果進行運算處理，最后驅動輸出裝置LED顯示數字電壓信號。　　1.2 系統的功能和性能指標　　數字電壓表由A/D轉換、數據處理及顯示控制等組成，測量0～5.0V范圍內的輸入電壓值，由四位一體的7段數碼管顯示，最大分辨率0.1V，誤差±0.05V。以AT89C51和ADC0832為核心內件。ADC0832實現模數轉換。

18、單片機AT89C51是整個系統的核心，實現輸入端的分路選擇（量程轉換），模數轉換后數據的處理及在數碼管上數據的顯示，提供ADC0832芯片的工作頻率等功能。　　第二章總體方案　　2.1 方案設計與選擇　　AT89C51具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片

19、內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器　　AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。</p

20、>　　AT89S5與AT89C51相比，前者的性能比后者高，所以本設計采用AT89C51芯片。　　數模轉換芯片選擇：　　ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢缔D換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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

21、/D轉換，轉換時間為100μs。　　ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。　　由于ADC0832芯片的轉換時間短，并且性能比較高，

22、所以采用ADC0832作為數模轉換芯片.　　2.2 系統的總體結構　　數字電壓表系統硬件設計框圖　　第三章硬件電路設計　　3.1 硬件電路框圖　　硬件電路設計由6個部分組成; A/D轉換電路，AT89C51單片機系統，LED顯示

23、系統、時鐘電路、鍵盤以及測量電壓輸入電路。　　數字電壓表系統硬件設計框圖　　3.2 主要器件選擇與應用　　數模轉換芯片：　　ADC0832是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢缔D換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據

24、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轉換，轉換時間為100μs。　　ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。<p&g

25、t;　　由于ADC0832芯片的轉換時間短，并且性能比較高，所以采用ADC0832作為數模轉換芯片。 　　3.3 單片機小系統設計　　晶振電路:　　單片機內部每個部件要想協調一致地工作，必須在統一口令——時鐘信號的控制下工作。單片機工作所需要的時鐘信號有兩種產生方式，即內部時

26、鐘方式和外部時鐘方式。單片機內部有一個構成振蕩器的增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸入端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構成自激振蕩器。在該圖中，電容C1和C2取22PF，晶體的振蕩頻率取12MHz,晶體振蕩頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。　　3.4 鍵盤與顯示電路設計　　應用系統中，設計要求

27、不同，使用的LED顯示器的位數也不同，因此就生產了位數，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設計中，選擇4位一體的數碼型LED顯示器，簡稱“4-LED”。本系統中前一位顯示電壓的整數位，即個位，后兩位顯示電壓的小數位。　　4-LED顯示器引腳如圖所示，是一個共陰極接法的4位LED數碼顯示管，其中a，b，c，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選端，dp是小

28、數點引出端，4位一體LED數碼顯示管的內部結構是由4個單獨的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內部都并聯后，引出到器件的外部。　　4位LED引腳　　對于這種結構的LED顯示器，它的體積和結構都符合設計要求，由于4位LED陰極的各段已經在內部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式（將所有數碼管的段選線并聯在一起，用一個

29、I/O接口控制）顯示。　　第四章軟件設計　　4.1 軟件組成框圖　　4.2 軟件流程圖設計　　4.3 主要程序設計　　#include<reg52.h>&

30、lt;p>　　#include<intrins.h>　　typedef unsigned int uint;　　typedef unsigned char uchar;　　/*****************端口定義**************/　　sb

31、it CS=P3^4; 　　sbit CLK=P3^5; //定義時鐘信號　　sbit DI=P3^6;　　sbit DO=P3^6;　　uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7

32、f,0x6f};// 共陰段碼表　　void delay(uint xms) // 延時函數　　{　　uint i,j;　　for(i=xms;i>0;i--)&l

33、t;p>　　for(j=110;j>0;j--);　　}　　void display(uchar add,uchar dat)　　{　　uchar aa=0x80;

34、　　P0=table[dat];//送段碼　　if(add==1) P0|=0x80;　　P2=~(aa>>add);//送位碼　　delay(1);　　P2=0xff

35、;　　}　　uchar AD0832(bit channel)　　{　　uchar AdcByte0,AdcByte1,i;　　CLK

36、=0; _nop_();_nop_(); 　　DI=1; _nop_();_nop_();　　CS=0; _nop_();_nop_();　　CLK=1; _nop_();_nop_();　　CLK=0; _nop_();_nop_();</p

37、>　　DI=1; _nop_();_nop_();　　CLK=1;_nop_();_nop_();　　CLK=0; _nop_();_nop_();　　DI=channel; _nop_();_nop_();　　CLK=1; _nop

38、_();_nop_();　　CLK=0;　　DI=1;　　for(i=0;i<8;i++)　　{ 　　Ad

39、cByte0<<=1;　　CLK=1;　　_nop_();_nop_();　　CLK=0;　　_nop_();<p&

40、gt;　　AdcByte0|=DO;　　}　　if(DO)　　AdcByte1|=0x80;　　for(i=0;i<7;i++)

41、　{　　AdcByte1>>=1;　　CLK=1;　　_nop_();_nop_();　　CLK=0;

42、　_nop_();　　if(DO) AdcByte1|=0x80;　　}　　CS=1;　　return(AdcByte0==AdcByte1?AdcByte0:0);</

43、p>　　}　　void main()　　{　　uint date;　　uchar AdcByte,bit0,bit1,bit2,bit3,i;&

44、lt;p>　　while(1)　　{　　AdcByte=AD0832(0);　　date=(AdcByte/255.0)*5*100;　　bit0=date%10;&

45、lt;p>　　bit1=date%100/10;　　bit2=date%1000/100;　　bit3=date/1000;　　for(i=0;i<100;i++)　　{　　dis

46、play(3,bit0);　　display(2,bit1);　　display(1,bit2);　　display(0,bit3);　　}　　}<

47、/p>　　}　　第五章系統調試　　5.1 調試的方法與工具　　用keil軟件編寫程序，編好程序后再進行編譯，編譯完成后檢查程序有無錯誤，然后修改程序直到沒有錯為止，然后再與硬件聯調，直到仿真出結果。</

48、p>　　5.2 Proteus仿真調試及效果　　5.3 軟硬件聯合調試　　在系統上電開始測量前，要用萬用表的電壓檔對被測電壓進行估測，然后以此選擇適當的量程，防止過大電壓燒壞A/D轉換器。首先用萬用表按照原理圖逐步檢查印刷板中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，有否斷路、短路或者虛焊，尤其是給電路供電的電源部分要重點檢查，是否

49、穩(wěn)定,且穩(wěn)定即可說明電源電路的設計基本達到要求。如果電壓沒有達到要求，要及時排查給予解決，以免燒壞芯片和其他元器件。 　　軟件調試時先進行單元測試，分別對各個代碼模塊進行測試，看其是否實現了規(guī)定功能，再把已經測試過的模塊組合起來進行測試，一旦不能正確運行，要找出程序中的錯誤，確定大致的出錯位置，研究有關部分的錯誤程序，找出錯誤原因，修改設計和代碼，以排除錯誤。 </p&

50、gt;　　在程序編寫完成后，就可以利用仿真器進行初步調試，觀察在計算機里能否通過編譯與運行并達到設計的基本要求。在基本符合的情況下，利用仿真器與工作正常的硬件連接進行仿真調試；或用編程器把程序燒寫到芯片中，直接觀察能否正常運行。如果達不到設計要求或者不能正常運行，可以直接在程序中進行修改。 　　系統調試中遇到的問題及解決的方法：

51、　　1）在應用濾波電容的過程中，一開始是把電容串聯在電路中，導致電路無法導通，而后我們短路電容，解決了問題。 　　2）電源指示燈上，一開始發(fā)現接上電源，指示燈不亮，經過儀器測量發(fā)現正負極接反，后重新焊接，問題解決。 　　3）由于源程序的多處錯誤，使得仿真無法通過，后經過單步調試，把存在的錯誤一一排除，通過了軟件仿真。

52、 　　4）在燒錄芯片的過程中，由于選擇燒錄文件的錯誤及芯片自身問題（因多次燒錄，無法再次燒錄）使得燒錄失敗，后經過老師指導并更換了AT89C51芯片，解決了問題。　　5.4 系統運行　　調試好之后，把程序固化到單片機芯片中，單機運行，數碼管顯示被測電壓，調節(jié)電位器，

53、仿真電壓表與之變化，數碼管顯示數值與電壓表數值相同，可以看出系統運行正常。　　5.5 調試心得　　從開始設計數字電壓表到完成這個項目的設計，我從中學到了許多關于調試方面的經驗，這些經驗都是從困難中累積起來的，每當調試遇到無法繼續(xù)下去時，總感覺渺茫時，我總是告訴自己不能放棄，一定要堅持下來，慢慢理清思緒，找出出錯的地

54、方，不斷調試，每當自己克服一重重困難，才發(fā)現自己進步了許多。　　第六章展望與拓展　　通過本次設計，我對單片機這門課程有了更進一步的了解。無論是在其硬件連接方面還是在軟件編程方面，都取得了新的收獲。本次實驗采用了AT89S51單片機芯片，與以往我們所熟悉的C51芯片有許多不同之處，通過本次設計及查閱相關資料，我對其之

55、間的區(qū)別有了一定的認識，在本設計報告的硬件介紹部分也對其作了詳細的論述。S51在C51的基礎上增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應用領域也更為廣泛。　　單片機的應用如今已經在工業(yè)、電子等方方面面展現出它的優(yōu)越性，利用單片機設計電路已經成一樂一種趨勢，他與外圍的簡單電路加上優(yōu)化程序就可以構建成任意的產品，使得本設計得以實現。隨著單片機的發(fā)展，他必將在未來顯示出更大的活力。

56、　　致謝　　由于是初次嘗試設計電路，由于知識及經驗的匱乏，難免遇到很多困難，如果沒有老師的督促指導以及同學們的支持，很難順利的完成此次設計。從開始做這個項目到完成，都離不開老師、同學、朋友給以的幫助，在這里請接受我的謝意!　　參考資料

57、　　[1]胡健.單片機原理及接口技術.北京：機械工業(yè)出版社，2004年10月　　[2]王毓銀.數字電路邏輯設計.高等教育出版社，2005年12月　　[3]于殿泓、王新年.單片機原理與程序設計實驗教程.西安電子科技大學出版社，2007年5月　　[4]謝維成、楊加國.單片機原理與應用及C51程序設

58、計實例.電子工業(yè)出版社，2006年3月　　[5]李廣弟.單片機基礎.北京航空航天大學出版社，2007年5月　　[6]姜志海,黃玉清等著.單片機原理及應用[M] .北京:電子工業(yè)出版社.2005年7月 　　[7]魏立峰.單片機原理及應用技術.北京大學出版社，2005年　　[

59、8]周潤景.Protues在MCS-51&ARM7系統中的應用百例.第一版.北京：電子工業(yè)出版社，2006年　　[9]邊春遠等著.MCS-51單片機應用開發(fā)實用子程序[M] .北京:人民郵電出版社.2005年9月.　　附錄　　附錄Ⅰ 系統電原理圖

60、　　附錄Ⅱ 系統仿真效果圖　　附錄Ⅲ 樣機實物圖　　附錄Ⅳ 軟件流程圖　　數字式直流電壓表主程序框圖　　A/D轉換流程圖

61、;　　附錄Ⅴ源程序清單　　#include<reg52.h>　　#include<intrins.h>　　typedef unsigned int uint;　　typedef unsig

62、ned char uchar;　　sbit CS=P3^4;　　sbit CLK=P3^5;　　sbit DI=P3^6;　　sbit DO=P3^6;　　uchar code table[]={<p

63、>　　0x3f,0x06,0x5b,0x4f,　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,　　0x7f,0x6f};　　void delay(uint xms)　　{

64、　uint i,j;　　for(i=xms;i>0;i--)　　for(j=110;j>0;j--);　　}　　void display(uchar add,uchar dat)

65、　　{　　uchar aa=0x80;　　P0=table[dat];　　if(add==1) P0|=0x80;　　P2=~(aa>>add);<b&

66、gt;　　delay(1);　　P2=0xff;　　}　　uchar AD0832(bit channel)　　{

67、　　uchar AdcByte0,AdcByte1,i;　　CLK=0; _nop_();_nop_();　　DI=1; _nop_();_nop_();　　CS=0; _nop_();_nop_();　　CLK=1; _nop_();_n

68、op_();　　CLK=0; _nop_();_nop_();　　DI=1; _nop_();_nop_();　　CLK=1;_nop_();_nop_();　　CLK=0; _nop_();_nop_();　　DI=

69、channel; _nop_();_nop_();　　CLK=1; _nop_();_nop_();　　CLK=0;　　DI=1;　　for(i=0;i<8;i++)

70、　　{ 　　AdcByte0<<=1;　　CLK=1;　　_nop_();_nop_();　　CLK=0;</p&g

71、t;　　_nop_();　　AdcByte0|=DO;　　}　　if(DO)　　AdcByte1|=0x80;&

72、lt;p>　　for(i=0;i<7;i++)　　{　　AdcByte1>>=1;　　CLK=1;　　_nop_();_nop_();<p&g

73、t;　　CLK=0;　　_nop_();　　if(DO) AdcByte1|=0x80;　　}　　CS=1;</p

74、>　　return(AdcByte0==AdcByte1?AdcByte0:0);　　}　　void main()　　{　　uint date;

75、　　uchar AdcByte,bit0,bit1,bit2,bit3,i;　　while(1)　　{　　AdcByte=AD0832(0);　　date=(AdcByte/25

76、5.0)*5*100;　　bit0=date%10;　　bit1=date%100/10;　　bit2=date%1000/100;　　bit3=date/1000;　　for(i=0;i<100;i++)

77、;　　{　　display(3,bit0);　　display(2,bit1);　　display(1,bit2);　　display(0,bit3);

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