【正文】 附錄 B 數(shù)字電壓表 Protel原理圖 .................................24 附錄 C 源程序 .................................................25 參考文獻(xiàn) ........................................................34 1 第一章 設(shè)計(jì)方案 在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表（ Digital Voltmeter）簡(jiǎn)稱 DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)而倍受青睞。本設(shè)計(jì)從各個(gè)角度分析了由單片機(jī)組成的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)過程及各部分電路的組成及其原理，并且分析了程序如何驅(qū)動(dòng)單片機(jī)進(jìn)而使系統(tǒng)運(yùn)行起來的原理及方法。本設(shè)計(jì)主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。而硬件電路又大體可分為 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 LED 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)使用匯編語言編程，利用 WAVE 和 PROTEUS 軟件對(duì)其編譯和仿真，詳細(xì)的設(shè)計(jì)算法將會(huì)在程序設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。 A/D 轉(zhuǎn)換部分： 電壓是模擬量，而數(shù)碼管顯示需要的是數(shù)字量，故需要采用 A/D轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)供數(shù)碼管顯示出來 ,可供選擇的芯片有 ADC0809,ADC574和 TLC2543等等。 由于要求測(cè)量精度在 5%，因此須選用 12位精度的 A/D轉(zhuǎn)換器，且可直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示器工作， 0809 為 8位精度 ,故不能采 用 ,而綜合性價(jià)比 ,TLC2543 就成為了本次設(shè)計(jì)的首選。 由于 TLC2543 測(cè)量范圍為 0+5V，故需要為其設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓電路。 被測(cè)量模擬量變?yōu)閿?shù)字量之后，并不能通過數(shù)碼管直接顯示出來，而需要單片機(jī)加以處理形成段碼才能顯示出來。而且， A/D電路的時(shí)鐘與輸入輸出都需要單片機(jī)與其對(duì)接予以控制。故選擇含有內(nèi)部閃存的 89C51 完成此工作。該芯片無論從性能還是價(jià)格上都是非常合適的。數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為段碼并顯示出來需要有程序和其它接口電路配合。在程序上， A/D采集程序采用多次取值并求和求平均的方法得出雙字節(jié)數(shù)據(jù)，然后通過雙字 節(jié)轉(zhuǎn)換 BCD 碼子程序得出 BCD 碼。硬件顯示上選用動(dòng)態(tài)掃描法，即數(shù)碼管位選端連入單片機(jī)的某一組 I/O 口，片選端連入另一組 I/O 口，配合顯示子程序?qū)崿F(xiàn)顯示。此外，主程序和其它程序用中斷方式 進(jìn) 2 行組合。顯示所需的數(shù)碼管，選用 7 段共陽極數(shù)碼管， 由于精度要求為 5%，故本設(shè)計(jì)顯示部分由四個(gè)數(shù)碼管組成。 電源部分： 本設(shè)計(jì)各芯片，數(shù)碼管及單片機(jī)外圍電路需要 5V 的直流電源，故需要一個(gè)穩(wěn)定的 5V 直流穩(wěn)壓源。根據(jù)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的知識(shí)，本設(shè)計(jì)選擇含有 7805三端集成穩(wěn)壓器的電源電路。電路中選擇二極管整流橋整流，電容 進(jìn)行濾波，并選用 220V9V 變壓器進(jìn)行變壓。 綜上，本次設(shè)計(jì)選用 89C51 單片機(jī)作為核心， TLC2543 作為 A/D轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)碼管作為顯示器， 7805 穩(wěn)壓器為主的直流穩(wěn)壓電路做為電源，配合采集，轉(zhuǎn)換，顯示程序共同實(shí)現(xiàn)可測(cè)量 010V 直流電壓的數(shù)字式電壓表。 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖見圖 單片機(jī)直 流 穩(wěn) 壓 電 源數(shù) 碼 管 T L C 2 5 4 3 A / D轉(zhuǎn) 換 芯 片數(shù) 據(jù) 采 集 端模擬電壓經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送到 數(shù)碼管中顯示， 同時(shí)通過串行通訊與上 位機(jī)通信。 3 第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 輸入電路 圖 量程切換開關(guān) 圖 衰減輸入電路 4 輸入電路的作用是把不同量程的被測(cè)的電壓規(guī)范到 A/D 轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值。智能化數(shù)字電壓表所采用的單片雙積分型 ADC 芯片 ICL7135，它要求輸入電壓 0177。 2V。本儀表設(shè)計(jì)是 01000V 電壓，靈敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰減器，如圖 所示 9M、 900K、 90K、和 10K 電阻構(gòu)成 1/ 1/100、1/1000 的衰減器。衰減輸入電路可由開關(guān)來選擇不同的衰減率，從而切換檔位。為 了能讓 CPU 自動(dòng)識(shí)別檔位 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對(duì)測(cè)量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測(cè)量電路性能。本設(shè)計(jì)采用雙積 A/D 轉(zhuǎn)換器，它的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是工作速度較低。在對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求較高，而對(duì)轉(zhuǎn)換速度 要求不高的場(chǎng)合如電壓測(cè)量有廣泛的應(yīng)用。 圖 A/D 轉(zhuǎn)換器 如圖所示：對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔 T1，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器 所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。 在常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（如 ADC 080 ICL713 ICL7109等）中， ICL7135與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精 度 高（精度相當(dāng)于 14位二進(jìn)制數(shù)）、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 5 AT89C51是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。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， AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 1．主要特性： 與 MCS51 兼容 ,4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命： 1000寫 /擦循環(huán)， 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年，全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定， 128*8位內(nèi)部RAM ， 32可編程 I/O 線， 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 5個(gè)中斷源 ，可編程串行通道 ，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu) 勢(shì)， 6 當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 7 /EA/Vpp：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3．振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大 器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4．芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。此外， AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定時(shí)器 ，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 5. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 8位 CPU；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 32 根 I/O 線；外部存貯器尋址范圍 ROM、RAM64K； 2個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；全雙工串行口；布爾處理器。 本設(shè)計(jì)中 89C51 與外圍電路的接口 本系統(tǒng)采用 P0 與 P2口與顯示器連接， P1 口與 A/D 的數(shù)據(jù)及控制端連接。/EA/VP 端接 5V 電源， X1， X2 接晶振電路， RESET 端接復(fù)位電路，其余 INT1， INT0，T1， T0， /RD， /WR， RXD， TXD， ALE， PSEN 端置空。由于 P0 口的驅(qū)動(dòng)能力較弱，故每個(gè)引腳接 的上拉電阻，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)顯示器的能力 TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換。 8 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P013