【文章內(nèi)容簡介】 壓表，精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與 PC 進行實時通信。正是由于數(shù)字電壓表的以上優(yōu)點，本次畢業(yè)設(shè)計選擇制作一個基于單片機的數(shù)字電壓表。 單片機 單片機簡介 單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力 (如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，只讀程序存儲器 (ROM)，輸入輸出電路 (I/O 口 )，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口 (SCI)，顯示驅(qū)動電路 (LCD 或 LED 驅(qū)動電路 )，脈寬調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小 的 然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。 單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等， 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇： (1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度等物理量的測量。 (2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)， 與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 (3)在家用電器中的應(yīng)用 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 (4)在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 縱觀單片機的發(fā)展過程大致有： (1)低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出時的功耗達到 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在基于單片機的數(shù)字電壓表 設(shè)計與實現(xiàn) 3 100mW 左右。 (2)微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、WDT(看門狗 )、有些單片機將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。 (3)主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片 機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Win bond 系列單片機。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程 單片機的應(yīng)用系統(tǒng)隨著其用途不同，其硬件和軟件均不相同，也即單片機的最初的選型都很重要，原則上是選擇高性價比的單片機，硬件軟件化是提供系統(tǒng)性價比的有效方法，盡量減少硬件成本，多用軟件來實現(xiàn)相同的功能，這樣也可大大提高系統(tǒng)的可靠性。 雖然單片機的硬件選型不盡相同，軟件編寫也千差萬別，但系統(tǒng)的研制步驟和方 法是基本一致的，一般都分為總體設(shè)計、硬件電路的構(gòu)思設(shè)計、軟件的編制和仿真調(diào)試幾個階段。 數(shù)字電壓表 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（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。 數(shù)字電壓表的特點 (1)顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確 數(shù)字電壓表 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)生跳讀現(xiàn)西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 象，測量結(jié)果就是唯一的。 (2)準(zhǔn)確度高 準(zhǔn)確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。 (3)分辨率高 數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位 1 個字所代表的 電壓值，稱為儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。 (4)測量范圍寬 多量程 DVM 一般可測量 0～ 1000V 直流電壓，配上高壓探頭還可測上萬伏的高壓。 (5)擴展能力強 在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，還可擴展成各種通用及專用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表（ DMM）和智能儀表，以滿足不同的需要。 (6)測量速度快 數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對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，其倒數(shù)是測量周期。 (7)輸入阻抗高 數(shù)字電壓表具有很高的輸入阻抗，通常為 10MΩ～ 10000MΩ，最高可達 1TΩ。 (8)集成度高，微功耗 新型數(shù)字電壓表普遍采用 CMOS 大規(guī)模集成電路，整機功耗很低。 (9)抗干擾能力強 基于單片機的數(shù)字電壓表 設(shè)計與實現(xiàn) 5 第 2 章 設(shè)計任務(wù)及任務(wù)分析 設(shè)計任務(wù)及要求 設(shè)計一個以單片機為核心的 電壓 測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)的功能為： (1) 實現(xiàn) 對 輸入電壓值的測量 ， 能夠測量 電壓 為 020V； (2) 精度達到 ； (3) 實現(xiàn) 200MV、 2V、 20V 檔位 的自動 切換； （ 4） 使 用液晶屏幕 LCD1602 進行顯示； 設(shè)計總 體方案及方案論證 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，采用單片機的數(shù)字電壓表，精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與 PC 進行實時通信。正是由于數(shù)字電壓表的以上優(yōu)點，本次畢業(yè)設(shè)計選擇制作一個基于單片機的數(shù)字電壓表。 在本次設(shè)計中， 數(shù)據(jù) 輸入 模塊， A/D 轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理及控制模塊，顯示模塊構(gòu)成數(shù)字電壓表的基本模塊 。 如圖 所示。 圖 設(shè)計方案模塊 數(shù) 據(jù) 輸 入 模 塊 A/D 轉(zhuǎn) 換 模 塊 數(shù)據(jù)處理及控制模塊 輸 出 顯 示 模 塊 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 在數(shù)據(jù) 輸入 模塊中， 分為 三 路， 經(jīng)過分壓后輸入 一個合適信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中 進 行轉(zhuǎn)換， 模擬開關(guān)的控制信號 控制 通路的選擇 。 在 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊中， A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測量電路 的 性能。本設(shè)計采用 逐次逼近 式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，它的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換 出的數(shù)據(jù)為 8 位并行接口，方便檢測 ，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點是 測量精度不高 。 在數(shù)據(jù)處理及控制模塊中， 通過 89S52 將 A/D 轉(zhuǎn)換后的 串 行 信號處理 后 ，送到單片機 的 P0 端 中， 連接 LCD1602 用于顯示。同時單片機控制模擬開關(guān) 進行 自動換檔。 在輸出 顯示 模塊中， 采用 LCD1602 液晶屏 顯示 輸入電壓值， 連接線較少，控制方便 ，顯示簡潔且可控性強 。 數(shù)據(jù)輸入模塊的方案與分析 芯片選擇 在輸入數(shù)據(jù)模塊中 使用模擬 開關(guān) 74HC4051 選擇三 路輸入信號的其中一路送到輸出 ， 利用接地電容對信號進行處理，利用運放 LM324 對輸入的信號進行放大并送到模擬開關(guān)的輸入端。 實現(xiàn)方法介紹 通過檔位變換對處于不同量程的電壓值 輸出到 AD 的輸入端口，單片機自動選擇量程， 并通過 控制 模擬開關(guān)將輸出的電壓信號送到 A/D。 輸入模塊流程圖 電 壓 輸 入 開關(guān) A： 200MV 檔（幅值） 開關(guān) B： 2V 檔（幅值） 開關(guān) C： 20V 檔（幅值） 模擬開關(guān) A D 轉(zhuǎn) 換 芯 基于單片機的數(shù)字電壓表 設(shè)計與實現(xiàn) 7 圖 模塊輸入流程圖 A/D 模塊的方案與分析 芯片的選擇 ADC0809 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。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。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 。 實現(xiàn)方法介紹 ADC0809 具有 8 路模擬開關(guān)，輸出具有 TTL三態(tài)鎖存緩沖器，能直接連到單片機數(shù)據(jù)總線上，從設(shè)計硬件電路角度來說，使硬件電路的設(shè)計變簡單，便于手工搭焊，使器件之間連線減少，便于調(diào)試 。 圖 AD 模塊框圖 在進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，通道地址先發(fā)送到 ADDA~ADDC 輸入端。然后在 ALE 輸入端加一個正跳變脈沖，將通道地址鎖存到 ADC0809 的內(nèi)部地址鎖存器中，這樣對應(yīng)的模擬輸入就和內(nèi)部變換電路接通。為了啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，必須在 START 端加一個負(fù) 的 跳變信號，此后變換開始進行，標(biāo)志 ADC0809 正在工作狀態(tài)的信號 EOC 由高電上點復(fù)位 AT89S52 ADC0809 LCD 顯示 串口通信 電源電路 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 平變?yōu)榈碗娖?。變換結(jié)束， EOC 又由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時在 OE 端加一個高電平，即可打開數(shù)據(jù)線的三態(tài)緩沖器從 D0~D7 讀得變換后的數(shù)據(jù)。圖 為其工作時序圖。 圖 ADC0809 時序圖 A/D模塊流程圖 圖 A/D 模塊流程圖 數(shù)據(jù)處理及控制模塊 芯片選擇 AT89S52 為 ATMEL 所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程 Flsah 存儲器。 INT0 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機 模擬開關(guān) D1— D8 電壓 輸入 基于單片機的數(shù)字電壓表 設(shè)計與實現(xiàn) 9 AT89S52 顯示模塊 LCD1602 并行數(shù)據(jù)輸入 控制模擬開關(guān) 數(shù)據(jù)輸入 控制液晶屏 A / D 實現(xiàn)方法介紹 在這個模塊中，主要應(yīng)用 89S52 將 A/D 轉(zhuǎn)換器送來的 4 位 BCD 碼進行處理，根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器 的數(shù)據(jù)及溢出位等信號，來控制模擬開關(guān)進行自動換檔。同時控制液晶屏顯 示電壓值。 在這里，我們采用 LCD1602 液晶顯示屏，它內(nèi)帶一定字符的字庫，我們只要把對應(yīng)數(shù)字的 ASCⅡ 值，送到它的 8 位數(shù)據(jù)端，即可顯示對應(yīng)字符。因此，我們將得到的四位 BCD 碼進行處理轉(zhuǎn)換，例如：數(shù)字 1 的 BCD 碼為 0001，而 ASCⅡ 值為 49，即為 31H，我們只要將采集得到的 BCD 碼加上 30H，即可得到對應(yīng) ASCⅡ 值。 我們利用 A/D 模塊的溢出位可以判斷，輸入電壓是否過量程。我們可以利用剛才采集的數(shù)據(jù)，進行檔位判斷，例如： 首先我們選擇最 低 檔 2V，當(dāng)測的電壓大于 2V時， 換到 5V 檔，以此類推。利用 A/D 的過量程 端 判斷，快速選擇一個合適的量程，顯示數(shù)據(jù)。單片機控制液晶屏顯示，我們將在下一模塊中詳細(xì)敘述。 數(shù)據(jù)處理及控制模塊流程圖 數(shù)據(jù)處理及控制模塊流程圖 顯示模塊 芯片選擇 本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD 液晶模塊，采用一個 162 的字符型液晶顯示模塊LCD1602 。它具有重量輕，體積小，功耗低，可顯示 192 種字符（ 5*7 點字型）， 32西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 種字符（ 5*10 點字符），可自編 8 種字符（ 5*7 或 5*10）， 指令功能強，可組合成各種輸入，顯示，移位方式以滿足不同的要求，接口簡單方便可靠性高等優(yōu)點。 實現(xiàn)方法介紹 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM)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?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼 。 因為 1602 識別的是 ASCII 碼，試驗可以用 ASCII 碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值 。 點陣圖形式液晶由 M 行 N 列個顯示單元組成，對于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字 符可讓控制器工作在文