【導(dǎo)讀】華北水利水電大學(xué)。題目基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)。學(xué)院信息工程學(xué)院。完成時(shí)間2020年5月20日

　　

【正文】 ，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(chǎng)合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有 3種類(lèi)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。本次設(shè)計(jì)采用 8位逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 1） 主要特性 a、 8 路 8 位 A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位。 b、具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 c、轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s d、單個(gè)＋ 5V 電源供電 e、模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 f、工作溫度范圍為 40～＋ 85攝氏度。 g、低功耗，約 15mW。 2）引腳功能 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 38 所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 21～ 28： 8位數(shù)字量輸出端。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用與選通 8路模擬輸入中的一路。如表 37所示。 表 37 ADDA、 ADDB、 ADDC真值表 ADDC ADDB ADDA 輸入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信 號(hào)，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 的工作過(guò)程是：首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上 升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE 輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 圖 38 ADC0809引腳圖 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 第 四 章 接口電路 顯示電路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 測(cè)量結(jié)果需要顯示如 vol： 字樣 ，設(shè)計(jì)中采用 LCD1602液晶屏來(lái)顯示電壓值 。利用單片機(jī)的 I/O 口驅(qū)動(dòng) LCD 顯示器 ，設(shè)計(jì) 中由 P2 口驅(qū)動(dòng) LCD 液晶屏 顯示，即顯示字符。 電路如圖 41 所示 圖 41 LCD顯示電路 ADC0809 與單片機(jī)接口電路 ADC0809 具有 8路模擬輸入端口， 由于 ADC0809 內(nèi)部含有輸出三態(tài)緩沖鎖存器，所以可以直接將 8 位數(shù)字量輸出端與單片機(jī) P0 口相連。 P0 端口作 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用， P1 端口 的 ~ 和 用作 0809 的A/D 轉(zhuǎn)換控制。地址線（ 23~25 腳）可決定對(duì)哪一路模擬輸入作 A/D 轉(zhuǎn)換。 22 腳 ALE 為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。 6腳 START 為測(cè)試控制，當(dāng)輸入一個(gè) 2us 寬高電平時(shí)，就開(kāi)始 A/D 轉(zhuǎn)換。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 7腳 EOC 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， 7腳輸出高電平。 9腳為 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng) OE 腳為高電平， A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。 10 腳為 ADC0809 的時(shí)鐘輸入端， 經(jīng)測(cè)試 ADC0809 可直接在 2MHz 的頻率下工作利用單片機(jī) 30腳的六分頻晶振頻 直接提供給 CLK 端 。 電路如圖 42 所示 圖 42 ADC0809與 STC89C52連接圖 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 第五 章 硬 件電路系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 總電路模塊 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 LCD 顯示電路和 電壓采集 電路組成，它的硬件電路 圖見(jiàn)附錄 附錄 IV（圖表） 。 硬件系統(tǒng)電路簡(jiǎn)介 (1) ADC0809 具有 8 路模擬量輸入通道 IN0~IN7，通過(guò) 3 位地址輸入端 C、B、 A（ 23~25 引腳）進(jìn)行選擇，本次設(shè)計(jì)令 ADD_A= ADD_B= ADD_C=0只采集 IN3 口的電壓。 22 引腳為地址鎖存控制端 ALE，當(dāng)輸入為高電平時(shí)， C、B、 A 引腳輸入的地址鎖存于 ADC0809 內(nèi)部的鎖存器中，經(jīng)內(nèi)部譯碼選 中相應(yīng)的模擬通道。 6 引腳為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制端 START，當(dāng)輸入一個(gè) 2us 寬的高電平脈沖時(shí)，就啟動(dòng) ADC0809 開(kāi)始對(duì)輸入通道的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 7 引腳為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC， ADC0809 為逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)， EOC 信號(hào)為低電平，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC 輸出高電平，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存放在 ADC0809 內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)鎖存器中。 9 引腳為 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端 OE，當(dāng) OE 為高電平時(shí)，存放在輸出數(shù)據(jù)鎖存器中的數(shù)據(jù)通過(guò) ADC0809的數(shù)據(jù)線 D0~D7 輸出。 10 引腳為 ADC0809 的時(shí) 鐘信號(hào)輸入端 CLOCK。在連接時(shí)候， ADC0809 的數(shù)據(jù)線 D0~D7 與 STC89C52 的 P0 口相連， ADC0809 的地址引腳、地址鎖存端 ALE、啟動(dòng)信號(hào) START 分別與 STC89C52 的 P3 口相連 、數(shù)據(jù)輸出允許控制端 OE 與 STC89C52 的 P1 口相連，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC 與STC89C52 的 相連。時(shí)鐘信號(hào)輸入端 CLOCK 信號(hào)的頻率為 2MHZ。 （ 2） LCD 顯示屏 ，通過(guò) STC89C52 的 P1 口的 ~ 口控制 顯示屏的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，由 P2 輸出 數(shù)據(jù) 給 LCD。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 第六 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)易 數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件程序由主程序、 A/D 轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序組成。 主程序 主程序包含初始部分、調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序和調(diào)用顯示程序，如圖 61 所示。初始化部分包含存放通道數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)初始化和顯示緩沖區(qū)初始化。 圖 61 主程序流程圖 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 A/D 轉(zhuǎn)換子程序用于對(duì) ADC0809 八路輸入模擬電壓進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值存入 8 個(gè)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，如圖 62 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換子程序每隔一定時(shí)間調(diào)用一次， 即隔一段時(shí)間對(duì)輸入電壓采樣一次。 地址選擇線 ADD_A、 ADD_B、 ADD_C 分別設(shè)置為 0（ 1 代表高電平，0 代表低電平）經(jīng)過(guò) AD 芯片內(nèi)部譯碼選通 IN3 模擬輸入端口，接著 ALE 端輸入一個(gè)高電平將地址所存起來(lái)， ST 端可以和 ALE 連接在一起，以便地址所存的同時(shí)啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換期間 EOC 一直是低電平，直到輸出一個(gè)高電平標(biāo)志著轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)通過(guò)程序控制給 OE 端一個(gè)高電平將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出給 單片機(jī)端口初始化 調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 調(diào)用顯示子程序 開(kāi)始 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 芯片進(jìn)行處理 （主要程序見(jiàn)附錄 V60 到 61 頁(yè)）。 主要流程圖如下： N Y 圖 62 A/D轉(zhuǎn)化測(cè)量子函數(shù)流程圖 顯示子程序 顯示程序 對(duì)當(dāng)前選中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。 通過(guò)控制 LCD 的引腳 RS、 RW和 EN 端控制數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是 RS_SET、 RW_CLR、 EN_CLR（ SET=1 CLR=0）另外寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)該顯示在 LCD 液晶屏第一行 0、 3 四位顯示 v、o、 l、：這四個(gè)字符， 9 六位顯示測(cè)量的電壓值和其單位，例如vol： 。 寫(xiě)入主要程序如下： LCD_Write_String(0,0,vol:)。 LCD_Write_Char(4,0,DataGo[outdata[0]])。 LCD_Write_Char(5,0,39。.39。)。 LCD_Write_Char(6,0,DataGo[outdata[1]])。 LCD_Write_Char(7,0,DataGo[outdata[2]])。 LCD_Write_Char(8,0,DataGo[outdata[3]])。 LCD_Write_Char(9,0,39。V39。)。 開(kāi)始 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束？ 取數(shù)據(jù) OE=1 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 第七 章 調(diào)試及 性能分析 調(diào)試與測(cè)試 表 71 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對(duì)比測(cè)試表 采用 Keil uVision4 進(jìn)行 C 語(yǔ)言 程序編譯 ，使用 altium designer 及 ISIS 7 Professional 進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì) ，使用 STC_ISP_V483 進(jìn)行程序燒錄 ，然后 使用以上軟件 進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，最后進(jìn)行端口電壓 的對(duì)比測(cè)試。測(cè)試對(duì)比表如表 101所列，表中標(biāo)準(zhǔn)電壓值采用 VICTOR VC890C+數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得。 從表中可以看出，簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表測(cè)得的絕對(duì)誤差均在 以?xún)?nèi)，這與采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的理論誤差精度一致，在一般的應(yīng)用場(chǎng)合完全可以滿足要求。 性能分析 由于單片機(jī)為 8 位處理器，當(dāng)輸入電壓為 時(shí)， ADC0809 輸出數(shù)據(jù)值為 255（ FFH），因此單片機(jī)最大數(shù)值分辨率為 （ 5/255），這就決定了該電壓表的最大分辨率只能達(dá)到 ，測(cè)試時(shí)電壓數(shù)值 的變化一般以 的電壓幅度變化。如果要獲得更高的精度要求，應(yīng)采用 12 位、 13 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 簡(jiǎn)易電壓表測(cè)得的值基本上均比標(biāo)準(zhǔn)值偏大 ~，這可以通過(guò)校正測(cè)量值 /V 標(biāo)準(zhǔn)值 /V 絕對(duì)誤差 /V +04 + + +15 +03 +19 +15 +16 測(cè)量值 /V 標(biāo)準(zhǔn)值 /V 絕對(duì)誤差 /V +.3 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 ADC0809 的基準(zhǔn)電壓來(lái)解決。因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時(shí)直接用 5V的供電電源作為基準(zhǔn)電壓，所以電壓可能有偏差。另外，可以用軟件編程來(lái)校正測(cè)量值。 ADC0809的直流輸入阻抗為 1M 歐姆，能滿足一般的電壓測(cè)試需要。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 總 結(jié) 本次設(shè)計(jì)總體還是比較成功的，首先，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的兩種方案進(jìn)行論證與比較，確定出了用單片機(jī)與芯片構(gòu)建數(shù)字電壓表系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、顯示器件、電壓四大部分構(gòu)成，通過(guò)對(duì)幾種熟知的單片機(jī)、 A/D轉(zhuǎn)換芯片、顯示器件的優(yōu)劣勢(shì)比較以確定出最適系統(tǒng)組成部件，然后又對(duì)總體電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用 Proteus 畫(huà)出了電路圖，并對(duì)各接口電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析與論證，并焊接了電路板，最后軟件部分在 keil 環(huán)境下進(jìn)行了調(diào)試與測(cè)量 。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表基本完成。但設(shè)計(jì)中的不足之處 仍然存在。在這個(gè)過(guò)程中，我對(duì)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的使用等都有了新的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)更加熟悉了 Proteus 和 Keil 軟件的使用方法，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計(jì)、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。 基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表使用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、外接元件少。在實(shí)際應(yīng)用工作中實(shí)用性好，測(cè)量電壓準(zhǔn)確，精度高。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)進(jìn)一步的了解。無(wú)論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面