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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-12-18 14:55 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓表,精度高、抗干擾能力強(qiáng),可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便,還可與 PC 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。正是由于數(shù)字電壓表的以上優(yōu)點(diǎn),本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇制作一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表。 單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)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(yùn)算,邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU),隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM),只讀程序存儲(chǔ)器 (ROM),輸入輸出電路 (I/O 口 ),可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器,串行通信口 (SCI),顯示驅(qū)動(dòng)電路 (LCD 或 LED 驅(qū)動(dòng)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(gè)最小 的 然而完善的計(jì)算機(jī)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(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 單片機(jī)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(shí)現(xiàn),并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化,現(xiàn)在單片機(jī)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(jì)(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(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)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(gè)范疇: (1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于儀器儀表中,結(jié)合不同類型的傳感器,可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度等物理量的測(cè)量。 (2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)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(bào)警系統(tǒng), 與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)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(jī)控制,從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口,可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,為在計(jì)算機(jī)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(jī)在工商,金融,科研、教育,國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程大致有: (1)低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá)到 630mW,而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 100mW 左右。 (2)微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器 (ROM)、并行和串行通信接口,中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強(qiáng)型的單片機(jī)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(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上,這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多,功能就越強(qiáng)大。 (3)主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片 機(jī)的品種繁多,各具特色,但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)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(guó)臺(tái)灣的Win bond 系列單片機(jī)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程 單片機(jī)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(jī)的最初的選型都很重要,原則上是選擇高性價(jià)比的單片機(jī),硬件軟件化是提供系統(tǒng)性價(jià)比的有效方法,盡量減少硬件成本,多用軟件來實(shí)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(jī)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(jì)、硬件電路的構(gòu)思設(shè)計(jì)、軟件的編制和仿真調(diào)試幾個(gè)階段。 數(shù)字電壓表 數(shù)字電壓表簡(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(diǎn) (1)顯示清晰直觀,讀數(shù)準(zhǔn)確 數(shù)字電壓表 采用先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù),使測(cè)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(jì)(論文) 4 象,測(cè)量結(jié)果就是唯一的。 (2)準(zhǔn)確度高 準(zhǔn)確度是測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機(jī)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(gè)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(cè)量范圍寬 多量程 DVM 一般可測(cè)量 0~ 1000V 直流電壓,配上高壓探頭還可測(cè)上萬伏的高壓。 (5)擴(kuò)展能力強(qiáng) 在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上,還可擴(kuò)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(cè)量速度快 數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù),叫測(cè)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(cè)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(dá) 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(jī)功耗很低。 (9)抗干擾能力強(qiáng) 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 第 2 章 設(shè)計(jì)任務(wù)及任務(wù)分析 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的 電壓 測(cè)量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)的功能為: (1) 實(shí)現(xiàn) 對(duì) 輸入電壓值的測(cè)量 , 能夠測(cè)量 電壓 為 020V; (2) 精度達(dá)到 ; (3) 實(shí)現(xiàn) 200MV、 2V、 20V 檔位 的自動(dòng) 切換; ( 4) 使 用液晶屏幕 LCD1602 進(jìn)行顯示; 設(shè)計(jì)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(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)、集成方便,還可與 PC 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。正是由于數(shù)字電壓表的以上優(yōu)點(diǎn),本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇制作一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表。 在本次設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)(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(gè)合適信號(hào)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中 進(jìn) 行轉(zhuǎn)換, 模擬開關(guān)的控制信號(hào) 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(duì)測(cè)量電路極其重要,它的參數(shù)關(guān)系到測(cè)量電路 的 性能。本設(shè)計(jì)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(cè) ,具有很高的抗干擾能力,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其缺點(diǎn)是 測(cè)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(hào)處理 后 ,送到單片機(jī) 的 P0 端 中, 連接 LCD1602 用于顯示。同時(shí)單片機(jī)控制模擬開關(guān) 進(jìn)行 自動(dòng)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(jiǎn)潔且可控性強(qiáng) 。 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(hào)的其中一路送到輸出 , 利用接地電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,利用運(yùn)放 LM324 對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大并送到模擬開關(guān)的輸入端。 實(shí)現(xiàn)方法介紹 通過檔位變換對(duì)處于不同量程的電壓值 輸出到 AD 的輸入端口,單片機(jī)自動(dòng)選擇量程, 并通過 控制 模擬開關(guān)將輸出的電壓信號(hào)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(jī)的數(shù)字電壓表 設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)國(guó)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(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。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 。 實(shí)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(jī)數(shù)據(jù)總線上,從設(shè)計(jì)硬件電路角度來說,使硬件電路的設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí),通道地址先發(fā)送到 ADDA~ADDC 輸入端。然后在 ALE 輸入端加一個(gè)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(duì)應(yīng)的模擬輸入就和內(nèi)部變換電路接通。為了啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換,必須在 START 端加一個(gè)負(fù) 的 跳變信號(hào),此后變換開始進(jìn)行,標(biāo)志 ADC0809 正在工作狀態(tài)的信號(hào) EOC 由高電上點(diǎn)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(jì)(論文) 8 平變?yōu)榈碗娖?。變換結(jié)束, EOC 又由低電平變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)在 OE 端加一個(gè)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(shí)序圖。 圖 ADC0809 時(shí)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(chǔ)器。 INT0 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 模擬開關(guān) D1— D8 電壓 輸入 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表 設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)方法介紹 在這個(gè)模塊中,主要應(yīng)用 89S52 將 A/D 轉(zhuǎn)換器送來的 4 位 BCD 碼進(jìn)行處理,根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器 的數(shù)據(jù)及溢出位等信號(hào),來控制模擬開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)換檔。同時(shí)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(kù),我們只要把對(duì)應(yīng)數(shù)字的 ASCⅡ 值,送到它的 8 位數(shù)據(jù)端,即可顯示對(duì)應(yīng)字符。因此,我們將得到的四位 BCD 碼進(jìn)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(duì)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(jìn)行檔位判斷,例如: 首先我們選擇最 低 檔 2V,當(dāng)測(cè)的電壓大于 2V時(shí), 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(gè)合適的量程,顯示數(shù)據(jù)。單片機(jī)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(gè) 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(diǎn)字型), 32西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 10 種字符( 5*10 點(diǎn)字符),可自編 8 種字符( 5*7 或 5*10), 指令功能強(qiáng),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(jiǎn)單方便可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)方法介紹 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器( CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)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(hào)、和日文假名等,每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼 。 因?yàn)?1602 識(shí)別的是 ASCII 碼,試驗(yàn)可以用 ASCII 碼直接賦值,在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值 。 點(diǎn)陣圖形式液晶由 M 行 N 列個(gè)顯示單元組成,對(duì)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
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