電氣工程訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告--智能數(shù)字電壓表

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)電氣工程訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告-智能數(shù)字電壓表班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師： 中南大學(xué)2017年1月3號(hào)目 錄 TOC o 1-3 h z u 1 引言科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的今天，是電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代。數(shù)字電壓表在工程測量、計(jì)量檢定、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械電子、電能電力、郵電通信、國防軍工以及工礦企業(yè)等諸多領(lǐng)域中，有著非常廣泛的應(yīng)用。尤其是智能化數(shù)字儀表的普及和應(yīng)用，在數(shù)字化、自動(dòng)化、軟件化測量技術(shù)中更發(fā)揮著重要的作用。1.1 數(shù)字電壓表的發(fā)展背景數(shù)字儀表是把連續(xù)的被測模擬量

2、自動(dòng)地變成斷續(xù)的、用數(shù)字編碼式并以十進(jìn)制數(shù)字自動(dòng)顯示測量結(jié)果的一種測量儀表。這是一種新型儀表，它把電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與精密電測量技術(shù)密切地結(jié)合在起，成為儀器儀表領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)立的分支。數(shù)字儀表的種類很多，應(yīng)用場合各不相同，其部結(jié)構(gòu)也相差很大。根據(jù)儀表的用途(即被測量的性質(zhì))分為：數(shù)字電壓表、數(shù)字電阻表、數(shù)字電流表、數(shù)字功率表、數(shù)字Q(品質(zhì)因數(shù))表、數(shù)字電橋及電子計(jì)數(shù)器等 經(jīng)過適當(dāng)變換，還可制成測量多種非電量的儀表，如數(shù)字溫度表、數(shù)字轉(zhuǎn)速表、數(shù)字位移表、數(shù)字鐘、數(shù)字秤、數(shù)字測厚儀及數(shù)字高斯計(jì)等，還有多其他數(shù)字式測量儀器和測量裝置。自1952年，美國NLS公司首創(chuàng)四位數(shù)字電壓表，到現(xiàn)在

3、的三十多年中經(jīng)過了不斷的改進(jìn)和提高。DVM的體積和功耗越來越小，重量不斷減輕，價(jià)格也逐步下降，可靠性越來越高，量程圍也逐漸擴(kuò)大?；仡櫼韵翫VM的發(fā)展過程，大致可分為三個(gè)階段:數(shù)字化階段、高準(zhǔn)確度階段、智能化階段。1972年，美國Intel公司首創(chuàng)微處理器，不久即研制出微處理器式數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)了DVM數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和可編程序。當(dāng)前，智能儀器發(fā)展十分迅速，而微處理式DVM在智能儀表中占的比重最大。我國的數(shù)字電壓表是從60年代初期發(fā)展起來的，現(xiàn)在我國已經(jīng)有50多個(gè)單位研制生產(chǎn)數(shù)字儀表，并出現(xiàn)了多六位表和七位表，準(zhǔn)確度達(dá)百萬分之幾，靈敏度已達(dá)到0.01uV。目前，數(shù)字電壓表已廣泛應(yīng)用在國防、科研、學(xué)

4、校、工礦企業(yè)、計(jì)量部門和各種物理量的非電量測量系統(tǒng)中。1.2 數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)的電壓表功能單一、精度比較低，不能滿足時(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成便，還可以去PC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)化器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時(shí)，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀表儀器，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。數(shù)字電壓表的基本工作原理是利用A/D轉(zhuǎn)換電路將待測的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過相應(yīng)換算后將測試結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電壓表。較之于

5、一般的模擬數(shù)字電壓表，數(shù)字電壓表具有精度高、測量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、使用便等優(yōu)點(diǎn)。最近十幾年來，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(jìn)步，從而促使了DVM和A/D變換器的日新月異，并不斷出現(xiàn)新的類型。今后，總的趨勢隨簡單電路代替復(fù)雜電路；高準(zhǔn)確度代替低準(zhǔn)確度；低成本代替高成本；同時(shí)也向著自動(dòng)化、程控化和智能化相結(jié)合的向發(fā)展。數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)和開發(fā)，已經(jīng)有多種類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表各有特點(diǎn)，它們適合在現(xiàn)場做手工測量，要完成遠(yuǎn)程測量并要對測量數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，傳統(tǒng)數(shù)字電壓表是無法完成的。然而基于PC通信的數(shù)字電壓表，既可以完成數(shù)據(jù)的傳遞，又可

6、以借助PC對測量數(shù)據(jù)的處理。所以數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際上，都具有傳統(tǒng)電壓表無法比擬的特點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。1.3 數(shù)字電壓表的發(fā)展意義DVM的高速發(fā)展，使它已成為實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量儀器發(fā)展的主要向之一，而高準(zhǔn)度的DC-DVC的出現(xiàn)，又使DVM進(jìn)入了精密標(biāo)準(zhǔn)測量領(lǐng)域。這個(gè)課題的目的和意義在于使自己掌握對數(shù)字電壓表的理解，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應(yīng)用于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其他電量和非電量，測量是一種認(rèn)識(shí)過程，就是用實(shí)驗(yàn)的法將被測量和被選用的相同參量進(jìn)行比較，從而確定它的大小。DVM廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域

7、每期測量的準(zhǔn)確度和可信度取決于它的主要性能和技術(shù)指標(biāo)。所示我們要學(xué)習(xí)和掌握如設(shè)計(jì)DVM就顯得十分重要。數(shù)字電壓表對繁多的電量測試具有精度高,測量速度快,自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),在科研生產(chǎn)的電量測試中得到了廣泛的應(yīng)用。各種數(shù)字儀表中,數(shù)字電壓表的用途居于較為突出的地位,它不但用來測量各種電量,而且還廣泛用來進(jìn)行各種非電量的電測量,同時(shí)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化,生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制以及測量本身的自動(dòng)化等面,都起著很重要的作用。2 設(shè)計(jì)要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)運(yùn)用所學(xué)微控制器、智能儀器和現(xiàn)代測控系統(tǒng)等面的知識(shí)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)以單片機(jī)為核心的智能儀器，完成信息的采集、處理、輸出及人機(jī)接口電路等部分的軟、硬件設(shè)計(jì)。1分組完成

8、下列設(shè)計(jì)任務(wù)中的一項(xiàng)：1)熱電偶多路溫度檢測儀 設(shè)計(jì)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、程控增益放大電路等對4種不同熱電偶的輸出信號(hào)巡回檢測、顯示、鍵盤參數(shù)設(shè)置、打印溫度等功能。2)等精度頻率計(jì) 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制部分、通道部分、同步門部分、計(jì)數(shù)器部分、鍵盤與顯示部分?？稍诰€鍵盤參數(shù)設(shè)置、定時(shí)檢測、顯示。3)智能流量監(jiān)測儀 設(shè)計(jì)流量檢測、處理與顯示電路，可在線鍵盤參數(shù)設(shè)置、定時(shí)檢測、顯示、定時(shí)打印流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值。4)單片機(jī)電子計(jì)價(jià)秤 設(shè)計(jì)重量檢測、處理與顯示電路，對5種以上不同單價(jià)的商品進(jìn)行稱量、計(jì)價(jià)和打印及鍵盤參數(shù)設(shè)置。5)步進(jìn)電機(jī)控制儀 由單片機(jī)輸出脈沖對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)、相位、向、速度、位置等控制。例

9、如：設(shè)計(jì)程序，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)間斷性步進(jìn)（30步，間隔0.5s）連續(xù)正傳（60步，0.1s）停頓（2s）反向間斷性步進(jìn)（30步，間隔0.5s）連續(xù)反轉(zhuǎn)（60步，間隔0.1s）。6)智能數(shù)字電壓表 設(shè)計(jì)輸入衰減器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電流補(bǔ)償電路、自舉電源、鍵盤與顯示部分?？稍诰€鍵盤參數(shù)設(shè)置、定時(shí)檢測、顯示。7)智能型數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 設(shè)計(jì)信號(hào)采集、處理、輸出及人機(jī)接口電路（如數(shù)顯、鍵盤、指示報(bào)警）等部分的軟、硬件設(shè)計(jì), 主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制 。2應(yīng)用微機(jī)和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)裝置完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；3系統(tǒng)硬件部分包括傳感器、前置信號(hào)處理單元（放大器，濾波器等）、 A/D轉(zhuǎn)換、微處理器（MC

10、U）、鍵盤、顯示、打印、報(bào)警、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、程控增益放大電路、通信接口電路等；4系統(tǒng)軟件部分包括鍵盤掃描、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、顯示、打印、報(bào)警、通信、控制輸出、非線性校正、冷端溫度補(bǔ)償、通信等；5畫出儀表的硬件電路原理圖、PCB圖、面板結(jié)構(gòu)圖和軟件程序框圖；6編寫設(shè)計(jì)說明書一份，闡述儀器的工作原理和軟、硬件設(shè)計(jì)法。（ 硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)為：打印、通信接口電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、程控增益放大電路 軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)為：打印、通信、控制輸出、非線性校正、冷端溫度補(bǔ)償 ）2.2 設(shè)計(jì)要求1傳感器的選擇和前置信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)；2A/D器件選擇（5G14433或ADC0809）及其與微控制器接口電路設(shè)計(jì)；3

11、參數(shù)給定電路的軟、硬件設(shè)計(jì)：通過按鍵及接口電路實(shí)現(xiàn)；4參數(shù)顯示電路的軟、硬件設(shè)計(jì)：通過LED、LCD或點(diǎn)陣式顯示器及接口電路實(shí)現(xiàn)；5參數(shù)報(bào)警電路的軟、硬件設(shè)計(jì)：通過語音接口電路板、喇叭或發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)；6參數(shù)打印電路的軟、硬件設(shè)計(jì)：通過微型打印機(jī)及其接口電路實(shí)現(xiàn)。7通信接口電路的軟、硬件設(shè)計(jì)：通過單片機(jī)通信接口電路實(shí)現(xiàn)；8控制輸出電路的設(shè)計(jì)：輸出模擬信號(hào)或開關(guān)量信號(hào)。2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1顯示部分：包括LED顯示、LCD顯示和點(diǎn)陣式顯示；2鍵盤掃描部分：自定義按鍵功能，編寫并調(diào)試鍵盤掃描程序；3A/D轉(zhuǎn)換部分：利用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器5G14433或逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)

12、換；4故障報(bào)警部分：針對不同故障進(jìn)行語音報(bào)警、喇叭報(bào)警或燈光報(bào)警；5打印部分：利用微型打印機(jī)打印出不同格式的數(shù)據(jù)或曲線(含日期、時(shí)間)；6通信部分：完成單片機(jī)與單片機(jī)或單片機(jī)與上位機(jī)通信的軟件調(diào)試。 3 設(shè)計(jì)案3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。而硬件電路除了單片機(jī)系統(tǒng)電路之外，還包括了量程自動(dòng)切換電路、A/D轉(zhuǎn)換接口及按鍵/顯示電路，各部分電路的設(shè)計(jì)及原理將會(huì)在硬件電路設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。程序的設(shè)計(jì)使用C語言編程，利用Proteus軟件對其編譯和仿真，詳細(xì)的程序會(huì)在程序設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。應(yīng)用最廣泛的八位單片機(jī)首推Intel的51系列。51系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從部的硬件到軟件有

13、一整套的按位操作系統(tǒng)，稱作為處理器，它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。雖然其他種類的單片機(jī)也具有處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見。Intel公司應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)包括AT89C51、AT89C52等，其中AT89C51是最典型的產(chǎn)品，可以做乘法和除法指令，給編程帶來了便利，并且有一條二進(jìn)制十進(jìn)制調(diào)整指令DA，這對于十進(jìn)制的計(jì)量十分便。鑒于以上有利因素，在本設(shè)計(jì)中，我選用了AT89C51單片機(jī)芯片。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/

14、D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，它們通常帶有自動(dòng)較零、七段碼輸出等功能。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ADC0808、ADC0809等，它們通常具有8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(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。由于ADC0809比較常用，容易理解，并且功能完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需要，所以我選用了ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)，是完成一個(gè)智能數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，不僅為了達(dá)到量程切換的結(jié)果，我選用數(shù)據(jù)選擇器CC4051來完成智能型電壓表

15、自動(dòng)切換量程的功能。3.2 系統(tǒng)框圖圖3.1 系統(tǒng)框圖如系統(tǒng)框圖所示，該設(shè)計(jì)主要由量程切換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和LED顯示電路。在量程切換電路部分，可以根據(jù)所采集到的電壓選擇合適的量程，以使測量精度比較高。單片機(jī)給ADC提供一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)之后，ADC轉(zhuǎn)換開始；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ADC輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，通知單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于LED顯示電路，AT89C51單片機(jī)為控制器。4硬件電路4.1 單片機(jī)系統(tǒng)4.1.1 AT89C51性能AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器

16、。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的案。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(chǔ)器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8B部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行UART通道；片震蕩器和掉電模式。 4.1.2 AT89C51各引腳功能A

17、T89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KB的Flash閃速存儲(chǔ)器，128B部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)，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?？臻e式停止CPU的工作，但允RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電式保存RAM中的容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖4.2所示。圖4.1 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(gè)

18、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(chǔ)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(shí)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(chǔ)器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲(chǔ)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(shí)，需要在外部用電阻上拉。P1口：這8個(gè)引腳和P0口的8個(gè)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(shí)，P1.0-P1.7的功能

19、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(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同，Vcc為+5V電源線，Vss接地。ALE：地址鎖存允線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51自動(dòng)

20、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(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。/EA:片外存儲(chǔ)器訪問選擇線，可以控制89C51使用片ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允使用片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(shí)，89C51自動(dòng)在/PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。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(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。XTAL1和XTAL2：片震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C51片OSC(震蕩器)

21、的定時(shí)反饋回路。4.1.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)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(gè)機(jī)器期以上的高電平即可確保時(shí)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(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖4.2是51系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，它們都能很好的工作。 圖4.2 復(fù)位電路4.1.4 時(shí)鐘電路

22、設(shè)計(jì)單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)芯片部有一個(gè)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(shí)鐘電路還需附加其他電路。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用部時(shí)鐘式，利用單片機(jī)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可，如圖4.2所示。圖4.2 時(shí)鐘電路電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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

23、的取值圍是3010pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了33pF；英晶振選擇圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12MHz。4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)

24、格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比如ICL71XX系列等，它們通常帶有自動(dòng)較零、七段碼輸出等功能。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ADC0808、ADC0809等，它們通常具有8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(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示10。ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其部有一個(gè)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(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)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(shí)采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時(shí)采用ADC

25、0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖4.3 ADC0809引腳圖4.2.1 ADC0809的部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它有8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器。 4.2.2 ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)和特性a) 分辨率：8位二進(jìn)制數(shù)；b) 總的不可調(diào)誤差：2LSB；c) 轉(zhuǎn)換時(shí)間：取決于芯片時(shí)鐘頻率；d) 單一電源：+5V；e) 模擬輸入電壓圍：單極性05V；雙極性5V，10V（需外加一定電路）；f) 具有可控三態(tài)輸出緩存器；g) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使所有部寄存器清零，下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始；h) 使用時(shí)不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿

26、刻度調(diào)節(jié)。4.2.3 ADC0809的管腳ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。各引腳功能如下。a) ADC0809采用28引腳的封裝，雙列直插式；b) IN0IN78路0V+5V模擬電壓輸入端；c) DB7DB08路數(shù)字輸出線，輸出8位A/D轉(zhuǎn)換值；d) START啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換輸入端。若單片機(jī)在此引腳上加一個(gè)正脈沖時(shí)，脈沖的上升沿將部寄存器清0；其下降沿啟動(dòng)A/D進(jìn)行一次新的轉(zhuǎn)換；e) EOCA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的START有效時(shí)，EOC處于低電平，表示正在轉(zhuǎn)換；當(dāng)EOC處于高電平時(shí)，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束；f) OE允數(shù)字量輸出信號(hào)，高電

27、平有效。當(dāng)OE=1時(shí)。三態(tài)門打開，將A/D轉(zhuǎn)換后的值放到數(shù)據(jù)總線上供CPU用指令取走；g) CLOCK輸入時(shí)鐘脈沖端。頻率為500kHz；h) ADDR0、ADDR1、ADDR2模擬量輸入通道的地址選擇線；i) ALE地址鎖存允輸入信號(hào)。鎖存ADDR0、ADDR1、ADDR2；j) VCC+5V工作電壓源；k) GND接地端；l) REF(+)和REF(-)基準(zhǔn)參考電壓，這兩個(gè)電壓決定輸入模擬量的程圍。4.2.4 ADC0809的接口法ADC0809的輸出引腳（D0-D7）可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連；A、B、C、三條引腳與地址線中的低三位相連，使8路輸入端所對應(yīng)的地址圍是:FFF0H-FFF

28、7H。ADC0809工作時(shí)必須外接時(shí)鐘，如果單片機(jī)的主振頻率為6MHz，則可直接借用單片機(jī)的ALE信號(hào)作為ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)不訪問片外RAM時(shí)（即不使用MOVX系列指令時(shí)），ALE信號(hào)是時(shí)鐘頻率的六分頻，在6MHz的晶振頻率下，ALE的頻率是1MHz。如果單片機(jī)采用了更高頻率（如12MHz）的晶振，直接用ALE作為ADC0809的時(shí)鐘就不恰當(dāng)了，此時(shí)可以把ALE二分頻之后再提供給ADC0809。ADC0809的輸入或輸出都是高電平有效，而MCS-51系列單片機(jī)上，一些引腳的輸或輸出卻為低電平有效，所以當(dāng)ADC0809與單片機(jī)相連接時(shí)，必須采用一些門電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)

29、束信號(hào)EOC端通過“非門”與MCS-51單片機(jī)的INT1引腳相連，使每次A/D轉(zhuǎn)換完畢就產(chǎn)生中斷請求，MCS-51單片機(jī)收到中斷請求后，可讀取ADC0809的輸出數(shù)據(jù)。ADC0809的通道選擇如表4.1所示。表4.1 ADC0809的8路通道選擇A的輸入B的輸入C的輸入當(dāng)有工作的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 該系統(tǒng)使用ADC0809并行A/D轉(zhuǎn)換芯片，使用單片機(jī)的2.0、2.1和2.2作為該芯片的控制口，其中P2.3給0809芯片提供時(shí)鐘脈沖，P2.2接轉(zhuǎn)換開始，P2.1接輸入允，0809轉(zhuǎn)換是用等待法等轉(zhuǎn)換結(jié)束再繼續(xù)執(zhí)行

30、程序。A/D轉(zhuǎn)換具體電路如圖4.4所示。圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路4.3 量程自動(dòng)切換電路在量程切換電路中，我選用模擬電子開關(guān)4051來做成一個(gè)多路選擇器。4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。4051的外形結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。圖4.5 4051的外形結(jié)構(gòu)4.3.1 CC4051的介紹CC4051芯片是八選一模擬開關(guān)集成電路。它是一個(gè)帶有禁止端(INH)和三位譯碼端(A、B、C)控制的8路模擬開關(guān)電路；它的邏輯功能與管腳圖資料請見下面的表3.3，從功能表可知開關(guān)的特性。表3.3 4051管腳圖輸入接通通道INHCBAL

31、LLL0LLLH1LLHL2LLHH3LHLL4LHLH5LHHL6LHHH7HXXX均不接通4.3.2 量程轉(zhuǎn)換電路本次設(shè)計(jì)量程為：0.014.99V,0.0149.99V，51單片機(jī)和AD0809的基準(zhǔn)電壓為5V,則其量程為0.014.99V , 所以其他量程分別10檔位。電路如圖用2個(gè)電阻串聯(lián)進(jìn)行分壓，電阻為R1=90K,R2=10K,使進(jìn)入AD0809電壓均小于5V，具體電路圖如圖4.6所示。圖4.6 量程切換電路4.4 LED點(diǎn)陣顯示電路4.4.1 LED點(diǎn)陣原理LED點(diǎn)陣是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件,在我們?nèi)粘Ｉ畹碾娖髦须S處可見，被廣泛應(yīng)用于汽車報(bào)站器，廣告屏等。特別是它的發(fā)

32、光類型屬于冷光源，效率及發(fā)熱量是普通發(fā)光器件難以比擬的，它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)、規(guī)格品、可靠耐用、應(yīng)用靈活、安全、響應(yīng)時(shí)間短、綠色環(huán)保、控制靈活種等特點(diǎn),其原理如圖4.7所示。圖4.7 LED原理圖從圖中可以看出，8X8點(diǎn)陣共需要64個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，當(dāng)對應(yīng)的某一列置1電平，某一行置0電平，則相應(yīng)的二極管就亮；要實(shí)現(xiàn)顯示圖形或字體，只需考慮其顯示式。通過編程控制各顯示點(diǎn)對應(yīng)LED陽極和陰極端的電平，就可以有效的控制各顯示點(diǎn)的亮滅。4.4.2 顯示屏驅(qū)動(dòng)電路圖4.8 顯示屏驅(qū)動(dòng)電路

33、74HC245是典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機(jī)或CPU的數(shù)據(jù)/地址/控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動(dòng)器。 本設(shè)計(jì)采用74HC245來驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣的列，采用74LS138來進(jìn)行行掃描，采用了兩片8*8點(diǎn)陣，另外加一個(gè)獨(dú)立LED來表示小數(shù)點(diǎn)，這也一定意義上局限了本系統(tǒng)最高量程只能到50V，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。4.5 電源電路采用變壓器將市電220V降壓到9V交流，用單相整流橋電路將9V交流整流為直流電路，再用三端穩(wěn)壓器7805將直流9V降壓穩(wěn)壓為5V，給單片機(jī)系統(tǒng)以及外圍的所有電路供電。電源電路設(shè)計(jì)如圖4.9所示。圖4.9 電源電路4.6 超量程報(bào)

34、警電路電路測量圍最大為49.99V，若超出了此圍，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提示使用者測量電壓已經(jīng)超出圍，并且顯示屏也會(huì)顯示“”以顯示待測電壓過高，無法顯示。報(bào)警電路如圖4.10、4.11所示.圖4.10 蜂鳴器報(bào)警電路圖4.11 顯示屏報(bào)警電路5 軟件設(shè)計(jì)5.1 程序結(jié)構(gòu)智能數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件程序由主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、量程切換子程序和顯示子程序組成。開始初始化調(diào)整量程調(diào)用AD轉(zhuǎn)換子程序 判定量程是否適合 N Y數(shù)據(jù)計(jì)算顯示圖5.1 主程序流程圖5.2 程序分析與設(shè)計(jì)/*智能電壓表C51文件LKJ 2014-9-24*/#include #include main.h/端口變量設(shè)置sbit

35、 LED = P00;sbit add_A = P25;sbit add_B = P26;sbit add_C = P27;sbit EOC = P21;sbit ST = P22;sbit CLK = P23;sbit CD4051_add = P24;/設(shè)置CD4051地址，自動(dòng)切換量程sbit Buzzer = P20;/超量程報(bào)警/*全局變量*/關(guān)于點(diǎn)陣顯示unsigned int cnt_scan = 0;unsigned char cnt_scan_flag = 0;/掃描unsigned char add = 0;/掃描地址unsigned char dnum_F = 0;/前兩

36、個(gè)數(shù)unsigned char dnum_B = 0;/后兩個(gè)數(shù)float V_float = 0;/檢測電壓值unsigned int V_show = 0;/顯示值unsigned int cnt_show = 0;/掃描時(shí)間unsigned char cnt_show_flag = 0;unsigned char AD_DATA;/儲(chǔ)存原始AD值unsigned char OverFlag = 0;/超量程標(biāo)志/*延時(shí)約150us*/void delay(unsigned char i)unsigned char j;while(i-)for(j=125;j0;j-); /*初始化*/v

37、oid init() /定時(shí)器中斷初始化TMOD = 0 x22;TH0 = 0 x9C;TL0 = 0 x9C;/100usTR0 = 1;ET0 = 1;TH1=216;TL1=216;/用T1產(chǎn)生CLK信號(hào)40usTR1=1;ET1=1;EA = 1; /AD初始化ST=0;/CD4051初始化CD4051_add = 0;Buzzer = 1;/*AD轉(zhuǎn)換*/void AD()ST = 0;/OE = 0;delay(1);ST = 1; /啟動(dòng)ADdelay(1);ST = 0;while(0 = EOC); /AD轉(zhuǎn)換完畢/OE = 1;AD_DATA = P0;/OE = 0void AD_Deal()/*量程切換算法*/if(AD_DATA = 255)/如果超量程了，先看是否能提高量程，否則報(bào)警if(CD4051_add = 0) CD4051_add = 1;else Buzzer = 1; OverFlag = 1;else if(AD_DATA = 5)cnt_scan_flag = 1;cnt_scan = 0;/1mscnt_show+;if(cnt_show = 5000)cnt_show_flag