基于單片機的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計——數(shù)字顯示模塊設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書

1、衢州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 基于單片機的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計數(shù)字顯示模塊設(shè)計 作者： 劉 竣 文 分 院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 11 電自（1）班 指導(dǎo)教師： 朱 秋 琴 職稱： 講 師 2014 年 5 月 30 日基測 數(shù)單統(tǒng) 字于系 顯片仿 示機真 模的設(shè) 塊交計 設(shè)流 計數(shù)字電壓檢 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）摘 要 本設(shè)計采用的是仿真設(shè)計的交流電壓檢測系統(tǒng)電路，調(diào)節(jié)RV3可取不同“被測”交流電壓，經(jīng)變壓器變壓，RV2降壓后，再通過LM358構(gòu)成的電壓提升電路，將最大幅值為2V的交流電壓提升為0-4V的直流電壓，經(jīng)LTC1864進行A/D轉(zhuǎn)換及公式轉(zhuǎn)

2、換后，當(dāng)前交流電壓將以數(shù)字形式顯示在4位數(shù)碼管上。通過這次設(shè)計學(xué)會了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計和電路圖的仿真的設(shè)計流程，積累了不少經(jīng)驗。關(guān)鍵字：單片機，數(shù)字交流電壓檢測，LED數(shù)字顯示Keywords: microcontroller;digital AC voltage detection; LED digital display 目 錄摘 要I目 錄II第 1章 緒論11.1 所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述11.2 所涉及的基本量以及所用電氣原件的概論1第 2章 設(shè)計總體方案32.1 設(shè)計要求32.2 設(shè)計思

3、路32.3 設(shè)計方案32.4 系統(tǒng)工作原理3第 3章 硬件電路設(shè)計53.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊53.1.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理53.1.2 LTC 1864 主要特性53.1.3 LTC1864的外部引腳特征73.1.4 LTC1864的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程73.2 單片機系統(tǒng)83.2.1 AT89C51性能83.2.2 AT89C51各引腳功能83.3 復(fù)位電路和時鐘電路103.3.1 復(fù)位電路設(shè)計103.3.2 時鐘電路設(shè)計1134 數(shù)據(jù)寄存器113.4.1 74HC595基本描述113.4.2 174HC595特點123.4.3 74HC595管腳功能描述123.5 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計

4、133.5.1 LED基本結(jié)構(gòu)133.5.2 LED顯示器的選擇143.5.3 LED譯碼方式143.5.4 LED顯示器與單片機連接設(shè)計153.6 總體電路設(shè)計16第 4章 程序設(shè)計184.1 程序設(shè)計總方案184.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計194.2.1 初始化程序194.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序194.2.3 顯示子程序19第 5章 仿真205.1 軟件調(diào)試205.2顯示結(jié)果及誤差分析205.2.1 顯示結(jié)果205.2.2 誤差分析22總 結(jié)24參考文獻25致 謝26附 錄2732第 1章 緒論1.1 所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述數(shù)字電壓表出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代初，60年代末發(fā)張起來的電

5、壓測量儀表，簡稱DVM，它采用的是數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后通過顯示器件顯示。這種電子儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計算機的應(yīng)用推廣到系統(tǒng)的自動控制信號的實驗領(lǐng)域，提出了各種被觀測量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的要求，即為了實時控制和數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計算機的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計算機的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時，為革新電子測量中的煩瑣與陳舊方式也促進了它的飛速發(fā)展。如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。如今，數(shù)字電壓表已經(jīng)絕大部分取代了

6、傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，因為傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時候非常不方便還經(jīng)常出錯，而采用單片機的數(shù)字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時也非常方便，抗干擾能力強，可擴展性強等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用與電子和電工測量，工業(yè)自動化儀表，自動測量系統(tǒng)等領(lǐng)域。顯示出強大的生命力。數(shù)字電壓表最初是伺服步進電子管比較式，其優(yōu)點是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度較慢，體積重達幾十公斤。繼之出現(xiàn)了諧波式電壓表，它的速度方面稍有提高但準(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進逐次漸進式結(jié)構(gòu)，它不僅保持了比較是準(zhǔn)確度高的優(yōu)點，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點就是抗干擾能力差，很容易受到外界因素的影響

7、，隨后，在諧波式的基礎(chǔ)上雙引申出階梯波式，它的唯一進步就是成本，可是準(zhǔn)確度，速度及抗干擾能力都未提高。而數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，就原理來講，它從原來的一兩種已經(jīng)發(fā)展到多種，在功能上講，它從測單一的參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作原件看，發(fā)展到集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度已經(jīng)達到1NV，讀數(shù)速度達到每秒幾萬次，而相對以前價格已經(jīng)降低了很多。 目前實現(xiàn)電壓數(shù)字化測量的方法仍然是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的方法。數(shù)字電壓表分類繁多，日常生活中一般根據(jù)原理的不同進行分類，大致分為：比較式，電壓時間變換式，積分式等。1.2 所涉及的基本量以及所用電氣原件的概論 在電量的測量中，電壓，電流和頻率是

8、最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是需要經(jīng)常測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓就成為必不可少的測量儀器。另外，數(shù)字測量儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便，精度度高，誤差小，靈敏度高，分辨率高，測量速度快等特點倍受用戶親睞，數(shù)字電壓表的設(shè)計就基于這種需求發(fā)展起來。 本設(shè)計將用AD轉(zhuǎn)換芯片AD574對模擬信號進行轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換芯片AD574的基準(zhǔn)電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓。AD轉(zhuǎn)換芯片AD574將被測量電壓輸入端所集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號。然后再通過對單片機AT89SC52進行軟件編程，使單片機按規(guī)定的時序采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算

9、算出被測量電壓值，最后驅(qū)動數(shù)碼管進行電壓顯示。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(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應(yīng)用1。 傳統(tǒng)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(shù)字化時代的需要。采用單片機的數(shù)字電壓表，將連續(xù)的模擬量如交流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，從而精

10、度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC實時通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)2。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表。目前，由各種單片機和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路（IC）和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的類型4。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化（IC化），另一方面，精度也從0.01%-0.005

11、%。目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個方面3。人們現(xiàn)擁有的多種顯示器中LED顯示屏有著其他顯示器不可比擬的優(yōu)點，總的來說LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢。將來，利用LED技術(shù)，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應(yīng)用前景。第 2章 設(shè)計總體方案2.1 設(shè)計要求 以MCS-51系列單片機為核心器件，組成一個簡單的交流數(shù)字電壓表。采用1路模擬量輸入，能夠測量0222V的交流電壓將顯示在數(shù)碼管上，調(diào)整外部“被測”交流電壓時，數(shù)碼管將實時刷新顯示當(dāng)

12、前交流電壓。電壓顯示用4位的LED數(shù)碼管顯示，至少能夠顯示一位小數(shù)。 盡量使用較少的元器件。 2.2 設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計要求，選擇AT89C51單片機為核心控制器件。A/D轉(zhuǎn)換采用LTC1864實現(xiàn)，與單片機的接口為P2.3，P2.5，P2.7引腳。電壓顯示采用4位的LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼的信號輸入,由AT89C51的P1.5，P1.6，P1.7口連接74HC595,后者每個連接一個RN1排阻，排阻與LED數(shù)碼管產(chǎn)生。2.3 設(shè)計方案硬件電路設(shè)計由6個部分組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計框圖如圖2.1所示。

13、數(shù)據(jù)顯示時鐘電路 復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換電路測量電壓輸入數(shù)據(jù)寄存器AT89C51 P2 P2 P1 P1 圖2.1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖2.4 系統(tǒng)工作原理（1）本設(shè)計采用的是仿真設(shè)計的交流電壓檢測系統(tǒng)電路，3個滑動變阻器跟變壓器裝置來調(diào)節(jié)輸入電壓值。（2）模擬調(diào)節(jié)RV3可取不同“被測”交流電壓，經(jīng)變壓器變壓，RV2降壓后，再通過LM358構(gòu)成的電壓提升電路，將最大幅值為2V的交流電壓提升為0-4V的直流電壓，經(jīng)LTC1864進行A/D轉(zhuǎn)換及公式轉(zhuǎn)換。（3）LTC1864將信號傳給AT89C51，后者通過連接將信號傳給74HC595數(shù)據(jù)寄存器。（4）數(shù)據(jù)寄存器通過傳輸，將當(dāng)前交流電壓將以數(shù)字

14、形式顯示在4位數(shù)碼管上。第 3章 硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點。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LTC 1864等，它們通常具有16路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，轉(zhuǎn)換時間只取決于

15、位數(shù)和時鐘周期，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中廣泛使用13.1.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器及控制電路組成。它利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位一次開始逐位試探比較。轉(zhuǎn)換過程如下：開始時，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進制數(shù)字量5。其原理框圖如圖3.1所示：順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器ADC電

16、壓比較器輸入電壓輸入數(shù)字量圖3.1 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖3.1.2 LTC 1864 主要特性LTC1864 - 采用 MSOP 封裝的微功率、16 位、250ksps 單通道ADC逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器.特點采用 MSOP 封裝的 16 位、250ksps ADC 單 5V 電源 低電源電流：850a (典型值) 自動停機功能可把電源電流減小至 2A (在 1ksps) 真正的差分輸入 單通道 (LTC1864) 或雙通道 (LTC1865) 版本 SPI/MICROWIRETM 兼容型串行 I/O 16 位升級至 12 位 LTC1286/LTC1298 與 12 位 LTC186

17、0/LTC1861 引腳兼容 保證運作至 +125 (MSOP 封裝)圖3.2 16 位、250ksps 單通道ADC逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器圖3.3 頻率與電流描述LTC®1864/LTC1865 是采用 MSOP 和 SO-8 封裝的 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，采用單 5V工作電源。在 250ksps 采樣速率條件下，電源電流僅為 850A。在較低的速度下，電源電流將減小，原因是 LTC1864/LTC1865 在轉(zhuǎn)換操作之間自動斷電。這些 16 位開關(guān)電容器逐次逼近型 ADC 包括采樣及保持電路。LTC1864 具有一個差分模擬輸入和一個可調(diào)基準(zhǔn)引腳。LTC1865 提供了一個可

18、利用軟件來選擇的雙通道 MUX 和一個可調(diào)基準(zhǔn)引腳 (在 MSOP 封裝版本上)。 三線式串行 I/O、小外形 MSOP 或 SO-8 封裝、以及極高的采樣速率與功率之比使得這些 ADC 非常適合于緊湊、低功率、高速系統(tǒng)。 這些 ADC 可在比例式應(yīng)用中使用，或與外部基準(zhǔn)一起使用。高阻抗模擬輸入以及可在縮減的電壓范圍內(nèi) (低至 1V 全標(biāo)度) 運作的能力使得它們在許多應(yīng)用中可與信號源直接相連，從而免除了增設(shè)外部增益級的需要。3.1.3 LTC1864的外部引腳特征 LTC1864芯片有8條引腳，其引腳圖如圖3.4所示。圖3.4 LTC1864引腳圖下面說明各個引腳功能: IN+、IN-:參考電

19、壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。Vcc、GND: Vcc為主電源輸入端，GND為接地端，一般REF+與Vcc連接在一起，REF-與GND連接在一起. VREF：參考電壓的輸入端，A/D的基準(zhǔn)電壓，是A/D測量電壓的標(biāo)準(zhǔn)，VREF精度高，A/D轉(zhuǎn)換進度才有保障。SCK:串行端口的IIC時鐘，雙向。SDO：數(shù)據(jù)輸出端，同時也是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)有效的指示端。CONV:發(fā)低脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換。3.1.4 LTC1864的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程LTC1864由16路模擬通道選擇開關(guān)，地址鎖存與譯碼器，比較器，16位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.

20、5所示。圖3.5 TLC1864的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LTC1864的工作流程為：（1）該LTC1864轉(zhuǎn)換周期開始的上升沿 的CONV。 經(jīng)過一段時間等于t CONV 時，轉(zhuǎn)換為 完成。 （2）如果CONV是左高后這段時間內(nèi)，LTC1864 進入睡眠模式繪圖僅泄漏電流。 在 CONV下降的邊緣時，LTC1864將進入采樣模式和SDO已啟用。 （3）SCK同步數(shù)據(jù)傳輸與每一位從SDO傳輸在下降SCK邊沿。 接收系統(tǒng)應(yīng)該捕獲數(shù)據(jù)從SDO在SCK的上升沿。 （4）完成后,數(shù)據(jù)傳輸，如果進一步SCK時鐘脈沖CONV低SDO將輸出零。3.2 單片機系統(tǒng)3.2.1 AT89C51性能AT89C51是美國ATMEL公

21、司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機存儲器。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，它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。AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128*8B內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；2個16

22、位定時/計數(shù)器；5個中斷源；可編程串行UART通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式6。 3.2.2 AT89C51各引腳功能AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KB的Flash閃速存儲器，128B內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路，同時，AT89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復(fù)位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖

23、3.6所示7。圖3.6 AT89C51的引腳圖AT89C51芯片的各引腳功能為：P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89C51不帶外存儲器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89C51帶片外存儲器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時，需要在外部用電阻上拉。P1

24、口：這8個引腳和P0口的8個引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，如下表3.1所示：表3.1 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 RXT（串行口

25、輸入）P3.1 TXD（串行口輸出）P3.2/INT0（外部中斷0輸入）P3.3/INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0（定時器/計數(shù)器0的外部輸入）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1的外部輸入）P3.6/WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許） P3.7/RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許）Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，89C51自動在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。/EA:片外存

26、儲器訪問選擇線，可以控制89C51使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內(nèi)ROM, 若/EA=0，則只使用片外ROM。/PSEN：片外ROM的選通線，在訪問片外ROM時，89C51自動在/PSEN線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。RST：復(fù)位線，可以使89C51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C51復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。XTAL1和XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C51片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時反饋回路。3.3 復(fù)位電路和時鐘電路3.3.1 復(fù)位電路設(shè)計單片機在啟動運行時都需要復(fù)位，

27、使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機有一個復(fù)位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平即可確保時器件復(fù)位1。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種，圖3.7是51系列單片機統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時間不超過1ms，它們都能很好的工作1。如圖3.7。圖3.7 復(fù)位電路3.3.2 時鐘電路設(shè)計單片機中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈

28、沖的控制下嚴(yán)格按時間節(jié)拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機的時序。MCS-51單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路1。本設(shè)計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2個電容即可，如圖3.8所示。圖3.8 時鐘電路電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個

29、系統(tǒng)中選擇了22pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。34 數(shù)據(jù)寄存器3.4.1 74HC595基本描述74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件， 兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。 74HC595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。 數(shù)據(jù)在SHcp（移位寄存器時鐘輸入）的上升沿輸入到移位寄存器中，在STcp（存儲器時鐘輸入）的上升沿輸入到存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個

30、串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7）,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)。將串行輸入的8位數(shù)字，轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿休敵龅?位數(shù)字，例如控制一個8位數(shù)碼管，將不會有閃爍。3.4.2 74HC595特點8位串行輸入 /8位串行或并行輸出 存儲狀態(tài)寄存器，三種狀態(tài)輸出寄存器（三態(tài)輸出：就是具有高電平、低電平和高阻抗三種輸出狀態(tài)的門電路。）可以直接清除 100MHz的移位頻率輸出能力并行輸出，總線驅(qū)動； 串行輸出；標(biāo)準(zhǔn)中等規(guī)模集成電路595移位寄存器有一

31、個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7）,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。3.4.3 74HC595管腳功能描述如圖3.9所示。圖3.9 74HC595符號 引腳 描述Q0Q7 8位并行數(shù)據(jù)輸出，其中Q0為第15腳GND 第8腳 地Q7 第9腳 串行數(shù)據(jù)輸出MR 第10腳 主復(fù)位（低電平）SHCP 第11腳 移位寄存器時鐘輸入STCP 第12腳 存儲寄存器時鐘輸入OE 第13腳 輸出有效（低電平）DS 第14腳 串行數(shù)據(jù)輸入VCC 第16腳 電源參考數(shù)據(jù)Cpd決定動態(tài)的能耗，Pd=Cpd

32、5;VCC×f1+(CL×VCC2×f0)F1=輸入頻率，CL=輸出電容 f0=輸出頻率（MHz） Vcc=電源電壓表3.2 真值表輸入輸出功能SHCPSTCPOEMRDSQ7Qn××L×LNCMR為低電平時僅僅影響移位寄存器×LL×LL空移位寄存器到輸出寄存器××HL×LZ清空移位寄存器，并行輸出為高阻狀態(tài)×LHHQ6NC邏輯高電平移入移位寄存器狀態(tài)0，包含所有的移位寄存器狀態(tài) 移入×LH×NCQn移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并從并口輸出LH×

33、;NCQn移位寄存器內(nèi)容移入，先前的移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并出3.5 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計3.5.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件6。在單片機中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段，其中7個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖3.10所示:圖3.10 LED引腳排列3.5.2 LED顯示器的選擇 在

34、應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)計中，選擇4位的數(shù)碼型LED顯示器。本系統(tǒng)中前三位顯示電壓的整數(shù)位，后一位顯示電壓的小數(shù)位。顯示器引腳如圖3.11所示，是一個共陽極接法的4位LED數(shù)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(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。如圖3.11。圖3.11 4位LED引腳對于這種結(jié)構(gòu)的LED顯示器，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計

35、要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，用一個I/O接口控制）顯示。3.5.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式，對于LED數(shù)碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序3。本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計，LED譯碼采用軟件編程來實現(xiàn)。由于本設(shè)計采用的是共陰極LED，其對應(yīng)的字符和字段碼如下表3.3所示。表3.3 共陰極字段碼表顯示字符共

36、陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH3.5.4 LED顯示器與單片機連接設(shè)計由于單片機的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作7。如果驅(qū)動電路能力差，即負(fù)載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運行容易損壞，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計是一個非常重要的問題。所以采用單片機接數(shù)據(jù)寄存器74HC595，數(shù)據(jù)寄存器74HC595通過排阻RN1與LED屏幕相連接的方式。如圖3.13所示。圖3.13 LED與單片機接口間的設(shè)計3.6 總體電路設(shè)計經(jīng)過

37、以上的設(shè)計過程，可設(shè)計出基于單片機的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計數(shù)字顯示模塊設(shè)計原理圖如圖3.14所示。圖3.14 簡易數(shù)字電壓表電路圖此電路的工作原理是：調(diào)節(jié)RV3可取不同“被測”交流電壓，經(jīng)變壓器變壓，RV2降壓后，再通過LM358構(gòu)成的電壓提升電路，將最大幅值為2V的交流電壓提升為0-4V的直流電壓，經(jīng)LTC1864進行A/D轉(zhuǎn)換及公式轉(zhuǎn)換后，當(dāng)前交流電壓將以數(shù)字形式顯示在4位數(shù)碼管上?；趩纹瑱C的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計數(shù)字顯示模塊設(shè)計的硬件電路已經(jīng)設(shè)計完成，就可以選取相應(yīng)的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細(xì)地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實

38、現(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能達到設(shè)計要求。第 4章 程序設(shè)計4.1 程序設(shè)計總方案根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖4.1所示。開始初始化（定義）串行輸入子程序并行輸出子程序讀取LTC1864數(shù)模轉(zhuǎn)換值交流電壓檢測595驅(qū)動數(shù)碼管顯示主程序TO溢出中斷函數(shù)結(jié)束圖4.1 數(shù)字式交流電壓表主程序框圖4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計4.2.1 初始化程序所謂初始化，是對將要用到的MCS_51系列單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置

39、，開中斷和打開定時器等9。4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.2所示。開始啟動轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換顯示結(jié)束圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.2.3 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，在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms10。在本設(shè)計中，為了簡化硬件設(shè)計，主要采用軟件

40、定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現(xiàn)11s定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。第 5章 仿真5.1 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的，可以通過仿真開發(fā)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)逐步改正。Proteus軟件可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計，更為顯著點的特點是可以

41、與u Visions3 IDE工具軟件結(jié)合進行編程仿真調(diào)試8。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真我采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是匯編語言，用Keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C。5.2顯示結(jié)果及誤差分析5.2.1 顯示結(jié)果1.當(dāng)輸入電壓值為0V時，顯示結(jié)果如圖5.1所示，測量誤差為0.2V。圖5.1 輸入電壓為0V時，LED的顯示結(jié)果2.當(dāng)輸入電壓值為87.1V時，顯示結(jié)果如圖5.2所示。測量誤差為0.9V。圖5.2 輸入電壓為87.1V時，LED的顯示結(jié)果3. 當(dāng)輸入電壓值為221V時，顯示結(jié)果如圖5.3。測量誤差為4.5V。圖5.3 輸入電壓為221V時，L

42、ED的顯示結(jié)果5.2.2 誤差分析通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表，如下表5.1所示：表5.1 簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表標(biāo)準(zhǔn)電壓值/V簡易電壓表測量值/V絕對誤差/V0.000.000.021.421.10.339.739.30.455.555.20.370.870.30.5108107.40.61271261.0159157.21.8190187.22.8從上表可以看出，基于單片機的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計數(shù)字顯示模塊設(shè)計測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-3.0V，這可以通過校正LTC1864的基準(zhǔn)電壓來解決

43、。因為該電壓表設(shè)計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當(dāng)要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計算程序的除數(shù)進行調(diào)整就可以了。同時附上三張交流電壓變化圖，分別滑動變阻為0%，50%，100%時的電壓變化圖。如圖5.5，5.6，5.7所示。圖5.5 0%交流電壓變化圖圖5.6 50%交流電壓變化圖圖5.7 100%交流電壓變化圖總 結(jié)經(jīng)過一段時間的努力，畢業(yè)論文-基于單片機的交流數(shù)字電壓檢測系統(tǒng)仿真設(shè)計數(shù)字顯示模塊設(shè)計基本完成。但設(shè)計中的不足之處仍然存在。這是我第一次使用Proteus實現(xiàn)了仿真，在這過程中，我對電路設(shè)計，單片機的使用等都有了新的認(rèn)識。通過

44、這次設(shè)計學(xué)會了Proteus和Keil軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計和電路圖的仿真的設(shè)計流程，積累了不少經(jīng)驗?；趩纹瑱C的數(shù)字電壓表使用性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、外接元件少。在實際應(yīng)用工作應(yīng)能好，測量電壓準(zhǔn)確，精度高。系統(tǒng)功能、指標(biāo)達到了課題的預(yù)期要求、系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮了可擴展性，經(jīng)過一定的改造，可以增加功能。本文設(shè)計主要實現(xiàn)了簡易數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能，詳細(xì)說明了從原理圖的設(shè)計、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。通過本次設(shè)計，我對單片機這門課有了進一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設(shè)計采用了AT89C51單片機芯片，與

45、以往的單片機相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。設(shè)計中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1864，以前在學(xué)單片機課程時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設(shè)計，對它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識學(xué)得不夠扎實，對電路的仿真方面也不夠熟練。總之這次電路的設(shè)計和仿真，基本上達到了設(shè)計的功能要求。在以后的實踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計方面的理論知識，并理論聯(lián)系實際，爭取在電路設(shè)計方面能有所提升。參考文獻1胡健.單片機原理及接口技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2004年10月2王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計.高等教育出版社，2005年12月3于殿泓、

46、王新年.單片機原理與程序設(shè)計實驗教程.西安電子科技大學(xué)出版社，2007年5月4謝維成、楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計實例.電子工業(yè)出版社，2006年3月5李廣弟.單片機基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社，2007年5月6姜志海,黃玉清等著.單片機原理及應(yīng)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(yīng)用技術(shù).北京大學(xué)出版社，2005年8周潤景.Protues在MCS-51&ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用百例.第一版.北京：電子工業(yè)出版社，2006年9邊春遠(yuǎn)等著.MCS-51單片機應(yīng)用開發(fā)實用子程序M .北京:人民郵電出版社.2005年9月.10苗紅霞.單片機實現(xiàn)數(shù)字電壓

47、表的軟硬件設(shè)計J .河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2002，（03）.11宋鳳娟，孫軍，李國忠.基于89C51單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計J .工業(yè)控制計算機，2007，(04).致 謝本論文的開題報告是在導(dǎo)師朱秋琴老師的精心指導(dǎo)下完成的。這句話不是我想說的，好像老師指導(dǎo)的所有致謝都這么寫的啊，那我還是用這句話開頭好了。其實，我這個是一個新課題，從材料收集到課題難點，真是所有寫論文人里面最難的了，還好朱秋琴老師給予了本人悉心地指導(dǎo)。朱秋琴老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、很深的專業(yè)造詣使我受益非淺。想想剛剛開始的設(shè)計讓老師抓狂，我就有點哭笑不得，不過老師還是認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)我。在課題完成過程中，朱秋琴老師的大量指導(dǎo)和幫助，

48、朱老師給我提供了很多思路與經(jīng)驗，對我深入理解課題的有關(guān)知識與方法起到了重要作用。最后，向在論文研究過程中給予我?guī)椭腝Q老師，韓杰表示衷心感謝! 劉竣文 2014年5月31日 附 錄程序代碼/引用及定義#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#include<math.h>#define INT8U unsigned char#define INT16U unsigned int #define INT32U unsigned longSbit SH_CP=P15;Sbit ds=P16Sbit ST_CP=P17;Sbit SDO=P23;Sbit SCK=P25;Sbit CONV=P27;INT1 6U Sample_Array40;Double AC_volt,avg_AC_volt,ui;INT8U digit4;Volatile INT8U i_count=0;Const INT8U SEG_CODE=0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,0XFF;/串行輸入子