基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計

1、陜西理工學院陜西理工學院-I- 通通信信工工程程專專業(yè)業(yè)課課程程實實際際題 目 基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計 學生姓名 朱 林 松 學號 1113024112 所在院 (系) 陜 西 理 工 學 院 物理與電信工程學院 專業(yè)班級 通 信 工 程 專 業(yè) 1104 班 指導(dǎo)教師 劉亞峰 完成地點 陜西理工學院物理與電信工程學院實驗室 2014 年 12 月 20 日摘 要陜西理工學院陜西理工學院-II-數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化測量設(shè)計的電壓儀表。目前，其作為數(shù)字化儀表的基礎(chǔ)和核心，已被廣泛應(yīng)用于電子和電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。與此同時

2、，數(shù)字電壓表擴展而成的各種通用及專用儀器儀表，也將電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。本設(shè)計為直流數(shù)字電壓表。利用 MCS-51 單片機 AT89C51 借助軟件實現(xiàn)數(shù)字顯示功能、自動校準，A/D 轉(zhuǎn)換器采用 ADC0832 構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。該電壓表測量范圍在 05V。由于采用高性能的單片機芯片為核心，減少了因為人為因素所造成的測量誤差事件，同時提高了測量的準確度。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：AT89C51；A/D 轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；目 錄陜西理工學院陜西理工學院-III-摘 要.I1.1 研究背景.21.2 數(shù)字電壓表的主要特點.31.3 設(shè)計要求和指標.42.1 方案選擇.52.2 方案論證.63.1 系

3、統(tǒng)主控電路.73.1.1 單片機 AT89C51 .73.1.2 時鐘電路 .93.1.3 復(fù)位電路 .93.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路.113.2.1 ADC0832 簡介.113.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 .123.3 顯示電路.123.3.1 常用顯示器件 .134.1 主程序設(shè)計.144.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序.155.1 系統(tǒng)仿真.165.1.1 Proteus 簡介 .165.1.2 功能及特點 .165.2 局部調(diào)試.165.2.1 硬件調(diào)試 .165.2.2 軟件調(diào)試 .175.3 整機調(diào)試.17結(jié) 論 .18致 謝 .19參考文獻 .21陜西理工學院陜西理工學院-IV-附錄 1

4、系統(tǒng)源程序 .22附錄 2 仿真電路圖 .301.1 研究背景智能儀器是儀器儀表的一種。近年來，計算機技術(shù)及微電子器件在工程技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的智能儀表，無論是在測量的準確性、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用功能方面還是在解決測量技術(shù)與控制技術(shù)問題的深度及廣度方面都有了很大的發(fā)展，以一種嶄新的面貌展現(xiàn)在人們的面前。數(shù)字電壓表是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并被廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電壓表(Digital Voltmeter)簡稱 DVM，它是智能儀器中最常見的，是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。這種電子測量的儀表之所以出現(xiàn)，一

5、方面是由于電子計算機的應(yīng)用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制實驗研究的領(lǐng)域，提出了將各種被觀測量或被陜西理工學院陜西理工學院-2-控制量轉(zhuǎn)換為數(shù)碼的要求，即為了實時控制及數(shù)據(jù)處理的需要；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)的進步，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繁瑣和陳舊方式也催促了它的飛速發(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)字電壓表已絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因為傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求。數(shù)字電壓迄今已有 40 多年的發(fā)展史。目前，

6、由各種單片機、A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛應(yīng)用于電子及電子測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試的系統(tǒng)等領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。由于電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路及計算機的發(fā)展，人們不久就研制出微處理器數(shù)字電壓表，實現(xiàn)了 DVM 數(shù)據(jù)處理自動化和可編程序。因為帶有存儲器并使用軟件支持，所以可以進行信息處理，可通過標準接口組成自動測試系統(tǒng)。除了完成原有 DVM 的各種功能外，還能夠自校、自檢，保證了自動測量的高標準確度，實現(xiàn)了儀器、儀表的智能化。當前，智能化儀表法十分速度，而微處理式 DVM 在智能儀表中占的比重最大，智能化的 DVM 為實現(xiàn)各種物理量的動態(tài)測量提供了可能。與此同時，由 DVM

7、擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平數(shù)字電壓表的特點：顯示清晰直觀，讀書準確。傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免地會引入認為的測量誤差，并且容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。不僅保證讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習慣，能縮短讀數(shù)和記錄的時間。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。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。另外，由于數(shù)字式儀器

8、具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高、分辨率高、測量速度快等特點而倍受用戶青睞。數(shù)字電壓表就是基于這種需求而發(fā)展起來的，是一種必不可少的電子儀器儀表。1.2 數(shù)字電壓表的主要特點數(shù)字電壓表簡稱 DVM（Digital Voltmeter） 。它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，陜西理工學院陜西理工學院-3-把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。智能數(shù)字電壓表則是大規(guī)模集成電路，顯示技術(shù)，計算機技術(shù)，自動測試技術(shù)的產(chǎn)品。數(shù)字電壓表主要有以下特點：1、顯示清晰，直觀，讀數(shù)清楚傳統(tǒng)的模擬式電壓表必須借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)。在讀數(shù)過程中，不可避免的會引入認為的誤差，

9、并且還容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)字顯示技術(shù)，使顯示結(jié)果一目了然。只要儀表不發(fā)生跳變現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。不僅保證了讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習慣，能夠縮短讀數(shù)和記錄的時間。2、準確度高數(shù)字電壓表的準確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的結(jié)合。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映測量誤差的大小。一般講，準確度越高，測量誤差越小，反之則越大。根據(jù)準確度的高低，可將數(shù)字電壓表分成若干等級。直流數(shù)字電壓表共分為 11 個等級：0.0005，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0。3、分辨率高數(shù)字電壓表在最低電壓量

10、程上末位 1 個字所對應(yīng)的電壓值，稱作儀表的分辨力。它反映出儀表的靈敏度的高低。分辨力是指所能顯示的最小數(shù)字與最大數(shù)字之比，通常用百分數(shù)來表示。4、測量范圍寬多量程數(shù)字電壓表通常可測 01000V 的直流電壓，配上高壓探頭還可測量幾千伏的電壓。5、測量速度快數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)被測電壓的測量次數(shù)，叫測量速率，單位是“次/s” 。它主要取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。6、輸入阻抗高數(shù)字電壓表具有很高的輸入阻抗。這樣在測量時從被測電路上吸取的電流極小，不會影響被測信號源的工作狀態(tài)，由此可減少小信號源內(nèi)帶來的附加誤差。7、集成度高，微功耗新型數(shù)字電壓表普通采用 CMOS 大規(guī)模集成電路，整機功耗很

11、低。陜西理工學院陜西理工學院-4-8、抗干擾能力強噪聲干擾大致分為兩類：一類是串模干擾，干擾電壓與被測量信號串連后加至儀表的輸入端，另一類是共模干擾，干擾電壓同時加于儀表的兩個輸入端。衡量儀表干擾能力的技術(shù)指標也有兩個：串模抑制比和共模抑制比。高檔數(shù)字電壓大多采用數(shù)字濾波和浮地保護等技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力，其共模抑制比可達 100-80dB，串模抑制比為 100dB 左右。目前數(shù)字電壓表正進入一個蓬勃發(fā)展的新時期。一方面它開拓了電子測量領(lǐng)域的先河，另一方面它本身正朝著高準確度，智能化，低成本的方向發(fā)展。1、采用新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品數(shù)字電壓表的新產(chǎn)品總是依托新技術(shù)而問世的。近些年來，新技術(shù)的

12、涌現(xiàn)，不斷的被采用，迅速轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。2、單片專用 IC 的廣泛應(yīng)用集成電路強大的生命力在于應(yīng)用。目前國內(nèi)外都在積極開發(fā)供數(shù)字儀表使用的單片專用 IC，為研制高性價比數(shù)字電壓表以及智能儀器創(chuàng)造了條件。3、多重顯示儀表多重顯示儀表能同時顯示同一被測信號的兩種不同參數(shù)，例如交換電壓值與頻率值。4、廣泛采用新器件，新工藝近年來，電子模塊，電子模板，表面安裝元件，超小型集成電路等新器件正越來越廣泛的用于數(shù)字電壓表中。此外，數(shù)字電壓表在安裝工藝，外觀設(shè)計，安全性，可靠性等方面也在不斷改進，日趨完善。1.3 設(shè)計要求和指標1、電路要求數(shù)字電壓表可以顯示清晰、直觀、讀數(shù)準確、準確度高、分辨力高、測量速度快、

13、輸入阻抗高、集成度高、微功耗和抗干擾能力強等特點。2、技術(shù)指標；（1）電壓測量范圍：05V；（2）精確度達到0.5%陜西理工學院陜西理工學院-5-2.1 方案選擇方案選擇設(shè)計數(shù)字電壓表有很多種的設(shè)計方法，方案是多種多樣的。由于規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的告訴發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導(dǎo)致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字電壓表的設(shè)計方案。1.由數(shù)字電路及芯片構(gòu)建這種設(shè)計方案是由模擬電路與數(shù)字電

14、路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器和基準電壓源；數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D 轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序?qū)?A/D 轉(zhuǎn)換器逐個組模擬開關(guān)接通或斷開，保證 A/D 轉(zhuǎn)換正常進行。A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果由計數(shù)譯碼電路變成段碼，最后驅(qū)動顯示器顯示出相應(yīng)的數(shù)值。此方案設(shè)計其優(yōu)點是：設(shè)計成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設(shè)計不靈活，都是采用純硬件電路，很難將其在原有的基礎(chǔ)上進行擴展。2由單片機系統(tǒng)及 A/D 轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成這種方案是利用單片機系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換

15、芯片、顯示模塊等的結(jié)合后，組成數(shù)字電壓表。由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出應(yīng)用電路來。此方案的原理是模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值，最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電壓值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點，還能改進上一種設(shè)計方案設(shè)計不靈活，難以在原基礎(chǔ)上進行功能擴展等不足。陜西理

16、工學院陜西理工學院-6-2.2 方案論證方案論證方案 2 不僅能夠繼承方案 1 的各種優(yōu)點，還能改進方案 1 設(shè)計方案設(shè)計不靈活，難于在原基礎(chǔ)上進行功能擴展等不足。經(jīng)過以上方案設(shè)計，決定采用如圖 2-1 所示方案。單片機晶振電路復(fù)位電路電壓顯示A/D 轉(zhuǎn)換輸入電路圖 2-1 方案設(shè)計3.1 系統(tǒng)主控電路單片機控制模塊的作用是為控制各單元電路的運行并完成數(shù)據(jù)的換算或處理，主要由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路組成。陜西理工學院陜西理工學院-7-3.1.1 單片機AT89C51AT89C51單片機采用 MCS-51 系列單片機 AT89C51。它是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8

17、位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央微處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可提供多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖 3-1 AT89C51 引腳圖P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址、數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入

18、端用。P1 口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在陜西理工學院陜西理工學院-8-上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時，會輸出一個電流。P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電

19、流。P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。RST:復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE:當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。EA：外部訪問允許。欲使 CPU

20、僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H-FFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。主要性能參數(shù)：1.與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；2.4k 字節(jié)可重擦寫Flash 閃速存儲器；3.1000 次擦寫周期；4.全靜態(tài)操作：0Hz-24Hz；5.三級加密程序存儲器；6.128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM；7.32 個可編程 I/O 口；8.2 個 16 位定時、計數(shù)器；9.6 個中斷源；10.可編程串行 UART 通道；11.低功耗空閑和掉電模式。3.1.2 時鐘電路單片機內(nèi)部每個部件要想?yún)f(xié)調(diào)一

21、致地工作，必須在統(tǒng)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(chǎn)生方式，即內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。圖 3-2 是內(nèi)部時鐘方式：單片機內(nèi)部有一個構(gòu)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出端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。在該圖中，電容 C2和 C3 取 30pF，晶體的震蕩頻率取 12Mhz，晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻陜西理工學院陜西理工學院-9-率也高，單片機運行速度也就快。3.1.3 復(fù)位電路AT89C51 的復(fù)位電路。當單片機通電，立即復(fù)位。電容 C 和電阻 R9 實現(xiàn)上電自動復(fù)位。復(fù)位也是使單

22、片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)的一種操作。3.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器是 DVM 的心臟，利用它可將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號時離散量，所以進行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間對輸入的模擬洗好取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的 A/D 轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化、編碼這四個步驟完成的。類型形式積分型雙積分式，多重積分式，電荷平衡式斜坡型斜坡（V/T）式，階梯斜坡式，多斜式比較型逐次比較式，跟隨比較式，余數(shù)再循環(huán)比較式脈寬型脈沖寬度調(diào)制式（PWM）復(fù)合型積分斜坡式，兩次取樣式，多次取樣式單片

23、 A/D 轉(zhuǎn)換器是采用 CMOS 工藝，將模擬電路與數(shù)字電路集成在同一芯片上，并且能配數(shù)顯器件顯示 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的專用集成電路。80 年代以來，隨著 CMOS 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各種新型單片 A/D 轉(zhuǎn)換器競相問世。這類芯片集成度高，功能完善，價格較低，能以最簡方式構(gòu)成一陜西理工學院陜西理工學院-10-塊數(shù)字儀表或測試，被廣泛用于新型數(shù)字儀表、智能儀器中。其共同特點是測量準確的高、分辨力強、外圍電路簡單、耗電省、體積小、成本低、具有很高的性價比。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器屬于直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過中間變量，主

24、要由比較器、環(huán)形分配器、控制門、寄存器與 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。常用的 A/D 芯片有 ADC0808、AD0832、TLC2543C 等幾種。下面簡單介紹一下這三個芯片。ADC0808 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。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行 A/D 轉(zhuǎn)換。ADC0808 是 ADC0809 的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進行 A/D 仿真，實際使用時采用 ADC0809 進行 A/D 轉(zhuǎn)換。AD0832 是一個 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片，單電源供電。

25、CMOS 工藝，低功耗。它由一個 8 位輸入寄存器、1 個 8 位 DAC 寄存器和一個 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器組成?？芍С謫味溯斎胪ǖ篮鸵粋€差分輸入通道。它易于和微處理器接口或獨立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選擇各輸入通道TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。每個器件有三個控制輸入端，片選，輸入/輸出時鐘以及地址輸入端。它可以從主機告訴傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。它有告訴的轉(zhuǎn)換，通用的控制能力，具有簡化比率轉(zhuǎn)換，刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離，耐高溫等特點。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省 51 系列單片機 I/O 資源；

26、且分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的使用。3.2.1 ADC0832 簡介ADC0832為 8 位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。陜西理工學院陜西理工學院-11-正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于DO

27、 端與 DI 端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。我們看看在實驗板上它是怎么連接。ADC0832 的控制引腳CS、CLK、DO、DI 占用了P20、P36、P37 三個個IO 口。其中，DO 和DI 共用一條數(shù)據(jù)線。象前二課一樣，我們來通過它的時序圖來學習對它進行控制。與DS1302 非常相似，CS 作為選通信號，在時序圖中可以看到，以 CS 置為低電平開始，一直到置為高電平結(jié)束。 CLK 提供時鐘信號，我們要注意看CLK 的信號的箭頭指向，向上為上升沿有效，向下為下降沿有效。 DI、DO 作為數(shù)據(jù)端口。 當ADC0832

28、 未工作時其CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用， CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D 轉(zhuǎn)換時，須先將CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI 端則使用DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前DI 端必須是高電平，表示啟始信號。在第 2、3 個脈沖下沉之前DI 端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)（SGL、Odd）用于選擇通道功能，當此2 位數(shù)據(jù)為“1” 、“0”時，只對CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當2 位數(shù)據(jù)為“1” 、 “1”時，只對CH1 進行單通道轉(zhuǎn)換。當2 位數(shù)據(jù)為“0

29、” 、 “0”時，將CH0 作為正輸入端IN+，CH1 作為負輸入端IN-進行輸入。當2 位數(shù)據(jù)為“0” 、 “1”時，將CH0 作為負輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進行輸入。3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計集成模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832 實現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖 3-5 所示。被測信號由 ADC0832 模擬輸入端輸入，完成 A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機，經(jīng)相應(yīng)處理后送出顯示。陜西理工學院陜西理工學院-12-圖 3-5 ADC0832 與單片機的連接3.3 顯示電路現(xiàn)代化科研和生產(chǎn)體系是以自動化為特征，面向自動化的過程控制及結(jié)果的顯示，主要是借助于數(shù)字和符號的顯示器件。數(shù)字儀表顯示

30、器件，是將信息讀數(shù)轉(zhuǎn)換為可視信息的期間，最終以數(shù)字形式顯示讀數(shù)的期間。顯示方式和顯示器件的選擇不僅與讀數(shù)的清晰、美觀與否有直接關(guān)系，而且關(guān)系到儀表的整機結(jié)構(gòu)、電源功率、測量速度、顯示時間以及操作維護等技術(shù)性能。3.3.1 常用顯示器件本次設(shè)計中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管，LED 點陣，1602 液晶，12864 液晶等。數(shù)碼管是最常用的一種顯示器件，它是由幾個發(fā)光二極管組成的 8 字段顯示器件，其特點是價格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅(qū)動，發(fā)光響應(yīng)時間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長，但數(shù)碼管只能顯示 0-9 的數(shù)據(jù)，不能夠顯示字符

31、。這也是數(shù)碼管的不足之處。LED 點陣顯示器件是由好多個發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長，耐濕、冷、熱等特點，LED 點陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英陜西理工學院陜西理工學院-13-文字符，中文字符等。1602 液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16*2 即 32 個字符。1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等，每一個字符都有一個固定的代碼。使用時直接編寫軟件程序按一定的時序驅(qū)動即可。它的特點是顯示字跡清楚價格相對便宜。12864 液晶也是一種工業(yè)字符型液晶。它不僅能夠顯示 160

32、2 液晶所可以顯示的字符、數(shù)字等信息，而且還可以顯示 8*4 個中文漢字和一些簡單的圖片，顯示信息也非常的清楚。使用時也直接編寫軟件程序按一定的時序驅(qū)動即可。不過它的價格比 1602 液晶貴很多。陜西理工學院陜西理工學院-14-4.1 主程序設(shè)計開始選擇 ADC0832 的轉(zhuǎn)換通道設(shè)置定時器，提供時鐘信號啟動 A/D 轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換是否結(jié)束N顯示Y圖 4-2 主程序流程圖主程序主要負責各個模塊的初始化工作：設(shè)置定時器、寄存器的初值，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制數(shù)碼管顯示等，其流程圖如圖 4-2 所示。陜西理工學院陜西理工學院-15-4.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序A/D 轉(zhuǎn)換程

33、序的功能是采集數(shù)據(jù)。在整個系統(tǒng)設(shè)計中占有很高的地位。當系統(tǒng)設(shè)置好后，單片機掃描轉(zhuǎn)換結(jié)束管腳 P2.6 的輸入電平狀態(tài),當輸入為高電平，則轉(zhuǎn)換完成，將轉(zhuǎn)換的數(shù)值轉(zhuǎn)換并顯示輸出。若輸入為低電平，則繼續(xù)掃描。程序流程圖如圖 4-3 所示。開始設(shè)置模擬輸入口啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完？輸出數(shù)值處理NY圖 4-3 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖5.1 系統(tǒng)仿真5.1.1 Proteus 簡介Proteus 軟件是英國 Labcenter eletronics 公司出版的 EDA 工具軟件。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目陜西理工學院陜西理工學院-16-前最好的仿真單片機及外圍器件

34、的工具。Proteus 是世界上注明的 EDA 工具，從原理布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持 8051、HC11、AVR、ARM、8086 等。在編譯方面，它也支持 Keil 等多種編譯器。5.1.2 功能及特點1、功能（1）原理布圖（2）PCB 自動或人工布線（3）SPICE 電路仿真2、特點（1）互動的電路仿真（2）仿真處理器及其外圍電路5.2 局部調(diào)試完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設(shè)計意圖正常運

35、行，必須進行調(diào)試。5.2.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試的主要任務(wù)是排除硬件故障，其中包括設(shè)計的錯誤和工藝性故障等。1、通電前的檢查通電前的檢查，主要有三個方面的內(nèi)容。（1）檢查元器件安裝是否正確，尤其要注意晶體管的型號，電容器的耐壓和極性，電阻的阻值和圖紙上是否一致。（2）檢查器件與電路板所用導(dǎo)線接觸是否良好。（3）檢查電路接線是否有誤。根據(jù)電路圖和導(dǎo)線圖，用萬用表逐根導(dǎo)通測試。陜西理工學院陜西理工學院-17-經(jīng)過這三個方面的檢查后，方可進行通電調(diào)試。2、通電后的檢查直觀觀察：在電路的連接檢查無誤后，要先調(diào)好所需要的電源電壓，然后才能給電路通電。觀察電路是否有發(fā)熱等異?，F(xiàn)象。靜態(tài)測量：先不加信號，用萬

36、用表測量電路的 Vcc 與地之間的電壓，測量晶體管的靜態(tài)工作點是否符合要求。采用動態(tài)逐級檢查。在輸入端加入一個有規(guī)律的信號，按信號流程用示波器一次觀測各波形是否符合要求。采用替換法檢查，更換同型號元器件來發(fā)現(xiàn)器件故障。5.2.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試的任務(wù)是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序的錯誤，同時也能發(fā)現(xiàn)硬件的故障。軟件調(diào)試是一個模塊一個模塊進行的。首先單獨調(diào)試各子程序是否能夠按照預(yù)期的功能，接口電路的控制是否正常，最后調(diào)試整個程序，尤其注意的是各模塊間能否正常的傳遞參數(shù)。1.檢查 A/D 轉(zhuǎn)換模塊程序?？梢栽谟布娐返妮斎攵溯斎胍阎碾妷海^察 LED 上是否顯示相應(yīng)的電壓值。2

37、.檢查數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊程序。5.3 整機調(diào)試該系統(tǒng)存在硬件和軟件的緊密聯(lián)系。軟硬件都調(diào)試通過后，整個系統(tǒng)連接扔會存在很多麻煩。首先檢查 A/D 部分，然后是單片機，最后是數(shù)碼管，依次排除障礙。當相應(yīng)的各模塊都正確后，將程序下載到單片機。接上電源運行，再檢查所有功能。觀察是否跟預(yù)期的一樣，如果一樣。說明設(shè)計成功完成。陜西理工學院陜西理工學院-18-結(jié) 論在本次畢業(yè)設(shè)計中，又一次的重新溫習了以前學習的科學文化知識，給即將走向工作崗位的我們又上了一堂精彩的課。通過這次畢業(yè)設(shè)計，掌握了單片機、ADC0832、數(shù)碼管、三極管、電容等工作原理及其應(yīng)用；熟練使用相關(guān)的實驗儀器和設(shè)備，能使用相關(guān)軟件設(shè)計電路圖并

38、進行仿真；讓我了解了設(shè)計電路的程序，使我對模擬電子技術(shù)在實踐中的應(yīng)用有了更深刻的理解；對protues 有樂深入的了解，能獨立完成電路圖的繪制， 。在設(shè)計電路過程中，充分了解各元器件的功能作用；把課本知識變得生動有趣，讓我對電路都有了了解，激發(fā)了學習的積極性。由于本設(shè)計使用的是高效的 51 系列單片機作為核心的測量系統(tǒng)，以及高精度、高速度、高抗干擾的 A/D 轉(zhuǎn)換器，使得本直流電壓表具有精度高、靈敏度強、性能可靠、電路簡單、成本低的特點。因為平時所需要測量的被測量電壓值不是一個定值，多多少少都有一個微小的變化。通過此設(shè)計可知在單片機系統(tǒng)開發(fā)過程應(yīng)注意一下事項：陜西理工學院陜西理工學院-19-1

39、.硬件的選擇。選擇適合設(shè)計目的的元器件是一個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，不能以元器件是否是最高性能作為選擇元器件的標準，往往高性能器件的價格也是較高的。應(yīng)根據(jù)項目設(shè)計的需要選擇元器件，能夠滿足設(shè)計需要作為標準選擇元器件。2.因為單片機系統(tǒng)設(shè)計是硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計，所以系統(tǒng)的硬件和軟件必須金幣配合，協(xié)調(diào)一致。應(yīng)不斷調(diào)整軟硬件設(shè)計，以提高系統(tǒng)工作效率。單片機的應(yīng)用如今已經(jīng)是在工業(yè)、電子等方面展示出了它的優(yōu)越性。利用單片機在設(shè)計電路逐漸成了趨勢，它與外圍電路再加上軟件程序就可以構(gòu)建任意的產(chǎn)品，使得本設(shè)計成為現(xiàn)實。隨著單片機的日益發(fā)展，它必將在未來顯示出更大的活力。對于直流數(shù)字電壓表而言，功能將會越來越強大。

40、致 謝通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文數(shù)字電壓表終于完成了，這意味著大學生活即將結(jié)束。在大學階段，我在學習上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。本人是在趙建新老師得精心指導(dǎo)下完成的。在此向他表示衷心的感謝。同時感謝同學的鼓勵和幫助，讓我順利完成本次設(shè)計任務(wù)。通過短暫的畢業(yè)設(shè)計，提高了我的理論水平，真正做到學有所用。雖然在其過程中我也遇到了一些困難，但是從中我也得到了很多的幫助，沒有半途而廢，沒有灰心喪氣，我都一一克服了，這些都是一種收獲，最讓我感到高興的是終于按質(zhì)按量的完成了畢業(yè)設(shè)計。感謝我的指導(dǎo)老師，趙老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是

41、我學習、工作中的榜樣；他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思想給予我無盡啟迪。本次畢業(yè)設(shè)計的每一個細節(jié)都離不開您的細心教導(dǎo)。寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學習的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學習生活的開始。陜西理工學院陜西理工學院-20-陜西理工學院陜西理工學院-21-參考文獻1 李朝清.單片機原理及接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學出版社，2005.2 石東海.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通M.西安：西安電子科技大學出版社，2002.3 張毅剛、彭喜源.MCS-51 單片機應(yīng)用技術(shù)設(shè)計M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.4 黑杰克.Protel Schematic 99SE 電路設(shè)計M.上

42、海：上?？萍汲霭嫔?，2001.1.5 何利民.單片機應(yīng)用技術(shù)選篇M.北京：北京航空航天大學出版社，2002.6 馬家辰、孫玉德、張穎.MCS-51 單片機原理及接口技術(shù)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001.7 蘇文平.電子電路應(yīng)用實例精選M.北京:北京航空航天大學出版社，2001.3.8 沙占友.模擬與數(shù)字萬用表檢測及應(yīng)用技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2000.5.9 趙建領(lǐng).51 系列單片機開發(fā)寶典M.北京：電子工業(yè)出版社，2007.4.10 佟云峰.單片機原理及其應(yīng)用M.重慶：重慶大學出版社，2004.11 姜文波，何立偉.常用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器自動量程轉(zhuǎn)換接口電路J.儀表技術(shù)，

43、2007.12 呂思忠.數(shù)字電路實驗與課程設(shè)計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.13 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2002.附錄 1 系統(tǒng)源程序陜西理工學院陜西理工學院-22-基于 ADC0832 的數(shù)字電壓表#include /包含單片機寄存器的頭文件#include /包含_nop_()函數(shù)定義的頭文件sbit CS=P34; /將 CS 位定義為 P3.4 引腳sbit CLK=P10; /將 CLK 位定義為 P1.0 引腳sbit DIO=P11; /將 DIO 位定義為 P1.1 引腳/unsigned char code digit10=012345678

44、9; /定義字符數(shù)組顯示數(shù)字unsigned char code Str=Volt=; /說明顯示的是電壓/*以下是對液晶模塊的操作程序*/sbit RS=P20; /寄存器選擇位，將 RS 位定義為 P2.0 引腳sbit RW=P21; /讀寫選擇位，將 RW 位定義為 P2.1 引腳sbit E=P22; /使能信號位，將 E 位定義為 P2.2 引腳sbit BF=P07; /忙碌標志位， ，將 BF 位定義為 P0.7 引腳/*函數(shù)功能：延時 1ms(3j+2)*i=(333+2)10=1010(微秒)，可以認為是 1 毫秒*/void delay1ms() unsigned cha

45、r i,j; for(i=0;i10;i+) for(j=0;j33;j+) ; /*陜西理工學院陜西理工學院-23-函數(shù)功能：延時若干毫秒入口參數(shù)：n*/ void delaynms(unsigned char n) unsigned char i;for(i=0;in;i+) delay1ms(); /*函數(shù)功能：判斷液晶模塊的忙碌狀態(tài)返回值：result。result=1，忙碌;result=0，不忙*/bit BusyTest(void) bit result;RS=0; /根據(jù)規(guī)定，RS 為低電平，RW 為高電平時，可以讀狀態(tài) RW=1; E=1; /E=1，才允許讀寫 _nop_(

46、); /空操作 _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 result=BF; /將忙碌標志電平賦給 result E=0; /將 E 恢復(fù)低電平 return result; /*函數(shù)功能：將模式設(shè)置指令或顯示地址寫入液晶模塊入口參數(shù)：dictate*/void WriteInstruction (unsigned char dictate) 陜西理工學院陜西理工學院-24- while(BusyTest()=1); /如果忙就等待 RS=0; /根據(jù)規(guī)定，RS 和 R/W 同時為低電平時，可以寫入指令 RW=0; E=0; /E 置低電平(

47、根據(jù)表 8-6，寫指令時，E 為高脈沖， / 就是讓 E 從 0 到 1 發(fā)生正跳變，所以應(yīng)先置0 _nop_(); _nop_(); /空操作兩個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 P0=dictate; /將數(shù)據(jù)送入 P0 口，即寫入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 E=1; /E 置高電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 E=0; /當 E 由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執(zhí)行命令 /*函數(shù)功能：指定字符顯示的實際地址入口參數(shù)：x

48、*/ void WriteAddress(unsigned char x) WriteInstruction(x|0 x80); /顯示位置的確定方法規(guī)定為80H+地址碼 x /*陜西理工學院陜西理工學院-25-函數(shù)功能：將數(shù)據(jù)(字符的標準 ASCII 碼)寫入液晶模塊入口參數(shù)：y(為字符常量)*/ void WriteData(unsigned char y) while(BusyTest()=1); RS=1; /RS 為高電平，RW 為低電平時，可以寫入數(shù)據(jù) RW=0; E=0; /E 置低電平(根據(jù)表 8-6，寫指令時，E 為高脈沖， / 就是讓 E 從 0 到 1 發(fā)生正跳變，所以應(yīng)

49、先置0 P0=y; /將數(shù)據(jù)送入 P0 口，即將數(shù)據(jù)寫入液晶模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 E=1; /E 置高電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應(yīng)時間 E=0; /當 E 由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執(zhí)行命令 /*函數(shù)功能：對 LCD 的顯示模式進行初始化設(shè)置*/void LcdInitiate(void) delaynms(15); /延時 15ms，首次寫指令時應(yīng)給 LCD一段較長的反應(yīng)時間 WriteInstruction

50、(0 x38); /顯示模式設(shè)置：162 顯示，57陜西理工學院陜西理工學院-26-點陣，8 位數(shù)據(jù)接口delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間 WriteInstruction(0 x38);delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間WriteInstruction(0 x38); /連續(xù)三次，確保初始化成功delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間WriteInstruction(0 x0c); /顯示模式設(shè)置：顯示開，無光標，光標不閃爍delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間WriteInstruction(0 x06); /顯示模式設(shè)置：光標右移，字符不移delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間WriteInstruction(0 x01); /清屏幕指令，將以前的顯示內(nèi)容清除delaynms(5); /延時 5ms，給硬件一點反應(yīng)時間 /*以下是電壓顯示的說明*/*函數(shù)功能：顯示電壓符號*/ void display_volt(void) unsigned char i; WriteAddress(0 x03); /寫顯示地址，將在第 2 行第 1 列開始顯示 i = 0; /從第一個字符開始顯示 while(