基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計說明書

.../...學(xué)號20xxxxxxxx《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計〔2010級本科題目：基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計系〔部院：物理與機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化作者姓名：xxxx指導(dǎo)教師：xxxxx職稱：xxxxxxx完成日期：2013年12月15日單片機(jī)原理與應(yīng)用學(xué)生姓名xxxx學(xué)號20xxx專業(yè)方向班級電氣工程101題目名稱基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計一、設(shè)計要求〔1以單片機(jī)為核心器件,組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表?！?能夠測量0-5V之間的直流電壓值?！?電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。三.設(shè)計進(jìn)度安排階段設(shè)計各階段名稱起止日期1熟悉設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計題目及設(shè)計背景資料12月1日——2查閱有關(guān)資料12月33閱讀設(shè)計要求必讀的參考資料12月54選取方案12月75完成設(shè)計,進(jìn)行編程,調(diào)試12月96打印整理課程設(shè)計資料12月137答辯及成績評定12月15指導(dǎo)老師簽字：基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計摘要本文介紹了一種基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計。該設(shè)計主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0808來完成,它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量在傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89C51來完成,其負(fù)責(zé)把ADC0808傳送來的數(shù)字量經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理,產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；此外,它還控制著ADC0808芯片工作。該系統(tǒng)的數(shù)字電壓表電路簡單,所用的元件較少,成本低,且測量精度和可靠性較高。此數(shù)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(shù)碼管顯示出來。關(guān)鍵詞單片機(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；AT89C51；ADC0808目錄一、引言1二、設(shè)計總體方案1〔一設(shè)計要求1〔二設(shè)計思路1〔三設(shè)計方案2三、硬件電路設(shè)計2〔一A/D轉(zhuǎn)換模塊2〔二單片機(jī)系統(tǒng)4〔三復(fù)位電路和時鐘電路5〔四LED顯示系統(tǒng)設(shè)計5〔五總體電路設(shè)計6四、程序設(shè)計8〔一程序設(shè)計方案8〔二部分程序代碼9五、仿真9〔一顯示結(jié)果及誤差分析9六、結(jié)論10七、參考文獻(xiàn)12附錄13一、引言在電量的測量中,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。傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一,進(jìn)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。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]。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。本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計為研究內(nèi)容,采用單片機(jī)將連續(xù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示,本系統(tǒng)主要包括：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中,A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808芯片,單片機(jī)芯片采用AT89C51,顯示模塊采用四個LED數(shù)碼管。二、設(shè)計總體方案〔一設(shè)計要求〔1以單片機(jī)為核心器件,組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表?！?能夠測量0-5V之間的直流電壓值。〔3電壓顯示至少能夠顯示兩位小數(shù)。〔二設(shè)計思路〔1根據(jù)設(shè)計要求,選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件。〔2A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實現(xiàn),數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)的P2口相連,控制引腳和P3口的低四位引腳。〔3電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。〔4LED數(shù)碼的段碼輸入與P1口連接。位碼輸入,用P3口高四位控制?！踩O(shè)計方案硬件電路設(shè)計由4個部分組成;A/D轉(zhuǎn)換電路,AT89C51單片機(jī)系統(tǒng),LED顯示系統(tǒng)以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計框圖如圖1所示。圖1數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖三、硬件電路設(shè)計〔一A/D轉(zhuǎn)換模塊把模擬量轉(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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路,常用的A/D轉(zhuǎn)換器有：雙積分式、逐位比較式及并行直接比較式等幾種。本設(shè)計采用ADC0808芯片。ADC0808是采用CMOS工藝制成的8位8通道A/D轉(zhuǎn)換器,采用28腳DIP封裝。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開關(guān),可以對8路0-5V輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換,由于ADC0808設(shè)計時考慮到若干種模/數(shù)變換技術(shù)的長處,所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制,微控制器輸入通道的接口電路,智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域。ADC0808芯片有28條引腳,采用雙列直插式封裝,其引腳圖如圖2所示。圖2ADC0808引腳圖下面說明各個引腳功能:IN0-IN7〔8條：8路模擬量輸入線,用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬信號。ALE：地址鎖存允許信號,輸入。由低到高的正跳變有效,此時鎖存地址選擇線的狀態(tài),從而選通相應(yīng)的模擬通道,以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA,ADDB,ADDC：模擬通道的地址選擇線,輸入。其對應(yīng)關(guān)系如表1所示：表1ADC0808通道選擇表地址碼對應(yīng)的輸入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7START：啟動信號,輸入,高電平有效。為了啟動轉(zhuǎn)換,在此端上應(yīng)加一個正脈沖信號,脈沖的上升沿將內(nèi)部寄存器全部清0,在其下降沿開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,輸出,高電平有效。在START信號的上升沿之后0-8個時鐘周期內(nèi),EOC變?yōu)榈碗娖健．?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時,EOC變?yōu)楦唠娖?這時轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)可供讀出。OUT1-OUT8：數(shù)字輸出線,輸出。OUT1為最高位,OUT8為最低位。OE：輸出允許信號,輸入,高電平有效。當(dāng)OE有效時,A/D的輸出鎖存緩沖器開放,將其中的數(shù)據(jù),放到外面的數(shù)據(jù)線上。VREF+、VREF-:參考電壓輸入量,給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。Vcc、GND:Vcc為電源輸入端,GND為接地端。〔二單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。AT89C51采用DIP封裝形式,引腳配置如圖3所示。圖3AT89C51的引腳圖Vcc為+5V電源線,Vss接地。ALE：地址鎖存允許信號。EA：片外存儲器訪問允許信號,低電平有效。PSEN：片外程序存儲器選通信號,低電平有效。RST：復(fù)位輸入信號,高電平有效。XTAL1和XTAL2：這兩個端子用來接外部石英晶體?！踩龔?fù)位電路和時鐘電路80C51單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路,因此,只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件〔晶體振蕩器和電容,即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在80C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器,而在芯片外部,XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和電容。圖4單片機(jī)最小系統(tǒng)圖在本系統(tǒng)中選擇的時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。上述復(fù)位電路,上電自動復(fù)位,按鍵電平復(fù)位。使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。〔四LED顯示系統(tǒng)設(shè)計在應(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位一體的數(shù)碼型LED顯示器。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位,即個位,后3位顯示電壓的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖5所示,是一個共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管,其中A,B,C,D,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。圖54位LED數(shù)碼顯示管對于這種結(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。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2所示。表2共陰極字段碼表顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH〔五總體電路設(shè)計經(jīng)過以上的設(shè)計過程,可設(shè)計出基于單片機(jī)的簡易數(shù)字直流電壓表硬件電路原理圖如圖6所示。圖6簡易數(shù)字電壓表電路圖此電路的工作原理是：+5V模擬電壓信號通過變阻器VR1分壓后由ADC08008的IN0通道進(jìn)入〔由于使用的IN0通道,所以ADDA,ADDB,ADDC均接低電平,經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道OUT0-OUT7傳送給AT89C51芯片的P2口,AT89C51負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼傳送給四位LED,同時它還通過其四位I/O口P3.4、P3.5、P3.6、P3.7產(chǎn)生位選信號控制數(shù)碼管的亮滅。此外,AT89C51還控制ADC0808的工作。其中,單片機(jī)AT89C51通過定時器中斷從P3.3輸出方波,接到ADC0808的CLOCK,P3.0發(fā)正脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換,P3.1檢測A/D轉(zhuǎn)換是否完成,轉(zhuǎn)換完成后,P3.2置高從P1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果送給LED顯示出來。簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(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(dá)到設(shè)計要求。四、程序設(shè)計〔一程序設(shè)計方案根據(jù)模塊的劃分原則,將該程序劃分初始化模塊,A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和顯示子程序,這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序,如圖7所示。圖7主程序流程圖圖8定時中斷程序流程圖〔二部分程序代碼……ORG000BHLJMPINTT0MAIN:MOVTMOD,#02H;設(shè)定定時器T0工作在方式2MOVTH0,#254;設(shè)定時鐘頻率為500KHzMOVTL0,#254MOVIE,#82H;開定時器T0中斷SETBTR0;啟動定時器T0……INTT0:CPLP3.3RETI……五、仿真〔一顯示結(jié)果及誤差分析系統(tǒng)仿真是在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺proteus中實現(xiàn)的,其中ADC0808的模擬通道INT0接入可調(diào)電位器的中心抽條的分壓值,該電壓值大小可調(diào)節(jié),以模擬被測電壓,系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)如表3所示,從表中的測試結(jié)果可以看出,電壓測量值和待測電壓值幾乎相等,誤差較小,測量精度高,性能穩(wěn)定,但文中仿真結(jié)果是在比較理想的情況下進(jìn)行的,搭建實際的硬件電路時,若誤差較大,可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決,也可以通過軟件編程進(jìn)行調(diào)整。表3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/V0.000.0000.0000.100.0970.0030.250.2540.0040.500.5070.0071.351.3520.0021.551.5470.0032.102.0970.0032.852.8470.0033.353.3520.0024.254.2540.0044.304.2930.0074.454.4500.0005.005.0000.000由于單片機(jī)AT89C51為8位處理器,當(dāng)輸入電壓為5.00V時,ADC0808輸出數(shù)據(jù)值為255〔0FFH,因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為0.0196V<5/255>。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V,從上表可看到,測試電壓一般以0.01V的幅度變化。從上表可以看出,簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-0.01V,這可以通過校正ADC0808的基準(zhǔn)電壓來解決。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(jìn)行調(diào)整就可以了。六、結(jié)論基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表使用性強(qiáng)、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(dá)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(kuò)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(jī)這門課有了進(jìn)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(jī)芯片,與以往的單片機(jī)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ADC0808,以前在學(xué)單片機(jī)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(dá)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。七、參考文獻(xiàn)[1]胡健.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20XX10月[2]于殿泓、王新年.單片機(jī)原理與程序設(shè)計實驗教程.XX電子科技大學(xué)出版社,20XX5月[3]張俊謨.單片機(jī)中級教程—原理與應(yīng)用.第2版.北京航空航天大學(xué)出版社,20XX[4]邊春遠(yuǎn).MCS-51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實用子程序[M].北京:人民郵電出版社.20XX9月.附錄ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPINTT0MAIN:MOVTMOD,#02H;定時器T0工作在方式2MOVTH0,#254 ;設(shè)定時鐘頻率為500KHzMOVTL0,#254 MOVIE,#82H ;開定時器T0中斷SETBTR0 ;啟動定時器T0MOVDPTR,#TABSTART:SETBP3.0 ;start信號從高電平跳變到低電平時,開始轉(zhuǎn)換NOPCLRP3.0JNBP3.1,$ ;查看EOC是否跳變到0,表示轉(zhuǎn)換完畢SETBP3.2 ;OE端置1,將轉(zhuǎn)換結(jié)果送出去MOVA,P2 ;結(jié)果送到累加器A,準(zhǔn)備數(shù)據(jù)顯示調(diào)整LCALLLOOP1 ;數(shù)據(jù)調(diào)整SJMPSTARTLOOP1:MOVB,#51D ;255換算到5V,比例為51DIVABMOVCA,@A+DPTR ;查表SETBP3.7 ;關(guān)閉數(shù)碼管通道4CLRP3.4 ;打開數(shù)碼管通道1MOVP1,A ;整數(shù)部分SETBP1.7 ;小數(shù)點MOVA,B ;余數(shù)送到ACLRF0SUBBA,#26D ;減去26,判斷余數(shù)是否大于26MOVF0,C ;借位位送F0MOVA,#10D ;A中送10MULAB ;余數(shù)乘以10MOVB,#51DDIVABJBF0,LOOP2 ;借位了,說明大于26ADDA,#5DLOOP2:MOVCA,@A+DPTRSETBP3.4 ;關(guān)閉數(shù)碼管顯示通道1CLRP3.5 ;打開數(shù)碼管顯示通道2CLRP1.7 ;清小數(shù)點MOVP1,A ;小數(shù)點后第一位小數(shù)MOVA,BCLRF0SUBBA,#26DMOVF0,CMOVA,