【正文】 文 題 目 基于單片機的數(shù)字電壓表的設(shè)計 學生姓名 學 號 系 部 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 指導教師 顧問教師 二 〇 一二 年 十 月摘要 I 摘 要 本文介紹了一種基于單片機的簡易數(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。數(shù)據(jù)處理則由芯片 AT89C51 來完成，其負責把 ADC0809 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行顯示；此外 ,它還控制著 ADC0809 芯片工作。此數(shù)字電壓表可以測量 05V 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。根據(jù)測量結(jié)果的顯示方式及測量原理不同，電壓測量儀器可分為兩大類：模擬式電壓表 (AVM）和數(shù)字式電壓表（ DVM）。數(shù)字式電壓表首先將模擬量經(jīng)模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換 器變成數(shù)字量，然后用電子計數(shù)器計數(shù)，并以十進制數(shù)字顯示被測電壓值。的確模擬電壓表在顯示測量值方面精度校準，然而卻也存在問題。 然而在高速發(fā)展的當今社會，高速信號處理的需求越來越多，由于模擬電壓表響應(yīng)速度較慢已經(jīng)不適用與高速信號領(lǐng)域，取而代之的將是數(shù)字電壓表。不過目前可以通過技術(shù)手段來縮小誤差?？梢妼頂?shù)字電壓表必將取代模擬電壓表。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 2 第二章 設(shè)計背景 單片機 單片機的簡介 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit） ， 常用英文字母的縮寫MCU 表示單片機，單片機 又稱 單片微控制器 ，它不是完成某一個邏輯功能的 芯片 ，而是把一個 計算機系統(tǒng)集成 到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 由于單片機在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，當時的單片機都是8 位或 4 位的。因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。在很多方面單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。 汽車上一般配備 40 多部單片機，復雜的 工業(yè)控制系統(tǒng) 上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還 要多。 導彈 的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC 卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機 、 攝像機 、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。因此，單片機的學習、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學家、工程師。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或 數(shù)字電路 更加強大。 工業(yè)控制 單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，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) 、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。 家用電器 現(xiàn)在的家用電器廣泛采用了 單片機 控制，從電飯煲、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)備和 白色家電 等。 醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域 單片機 在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子 芯片 中（有別于 磁帶機 的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 (2)靈敏度高 :一般可做到 10 微伏至 1 微伏，目前已有 10^9 伏數(shù)量級的儀表。 (4)測量速度快 :采樣速度一般每秒種為幾十次到上萬次，甚至可達百萬次。 (6)使用方便用途廣 :開機預熱預調(diào)后即 可使用，可配接打印機自動記數(shù) .還可配接相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器，用來測量交流電壓、直流電流、電阻和溫度等參量。 功能要求 ⑴以 MCS51 系列單片機為核心器件，組成一個簡單的直流數(shù)字電壓表。 ⑶電壓顯示用 4 位 一體的 LED 數(shù)碼管顯示，至少能夠顯示兩位小數(shù)。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 6 第四章 總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。軟件的程序可采用 C 語言或匯編，這里采用匯編語言，詳細的設(shè)計思路在后面介紹。其設(shè)計主要是由 模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成， 模擬部分包括 A/D 轉(zhuǎn)換器，基準電源等 。 其中， A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 它是數(shù)字電壓表的一個核心部件，對它的選擇一般有兩種選擇方案： 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它有多路調(diào)制的 BCD 碼輸出端和超量程輸出端，采用動態(tài)掃描顯示，便于實現(xiàn)自動控制。 2. 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。這樣 電路設(shè)計簡單，電路板布線不復雜，便于焊接、調(diào)試。 顯示部分可以采用各類數(shù)碼管或用 LCD 顯示器顯示。 第四章 總體設(shè)計 7 總 體 設(shè)計框圖 圖 431 總體 設(shè)計 框 圖淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 8 第五章 設(shè)計原理圖 設(shè)計原理圖 圖 511 設(shè)計原理圖 第六章 硬件電路設(shè)計 9 第六章 硬件電路設(shè)計 信號調(diào)理模塊 該部分主要實現(xiàn)的功能是自動量程切換和電壓變換，模塊主要由電壓極性檢測電路、電壓范圍粗測電路、電壓變換電路三部分組成。 圖 611 電壓范圍 粗測電路 為了粗略地得到被測量的電壓范圍我們采用多組比較器的方式，通過階梯式比較的方法確定輸入電壓的范圍。電壓變換到 05V 標準信號后，再由 A/D 轉(zhuǎn)換進行采樣，最后由單片機算法還原。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51 單片機為很多嵌入 式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。與 MCS51 兼容 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 1288 位內(nèi)部 RAM 兩個 16 位定時器計數(shù)器 可編程串行通道 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 (2)引腳描述 VCC： 電源電壓 GND： 地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。當 “1”被寫入 P0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 P0口在閃爍編程時， P0 口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。閃爍編程時和程序校驗時， P1 口接收低 8 位地址。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。閃爍編程或校驗時， P2 口接收高位地址和其它控制 信號。對 P3 口寫如 “1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用電阻輸出電流。 RST： 復位輸入。 ALE/PROG ： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。這個位 置后只有一條 MOVX 和 MOVC 指令ALE 才會被應(yīng)用。 PSEN： 程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。 EA/VPP： 外部訪問允許。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。第六章 硬件電路設(shè)計 13 閃爍存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電壓 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 VPP。 XTAL2： 震蕩器反相放大器的輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然震蕩器。對外接電容 C1， C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。10PF，而如果使用陶瓷振蕩器建議選擇40PF177。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2則懸空。 電路內(nèi)部振蕩 外部振蕩電路 圖 622 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 芯片的介紹和選擇 ADC0809 芯片 ADC0809 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 14 近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 7）低功耗，約 15mW。 DB0DB7： 8 位數(shù)字量輸出端。 START： A／ D 轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換）。 OE： 數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。 CLK： 時鐘脈沖輸入端。 REF（ +）、 REF（ ）： 基準電壓。 GND： 接 地。 LED 由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。在單片機中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。 LED 引腳排列如下淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 16 圖 641 所示 : 圖 641 LED 引腳排列 ⑵ LED 數(shù)碼管 的選擇 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，簡稱“ 4LED”。 4LED 顯示器引腳如圖所示，是一個共陰極接法的 4 位 LED 數(shù)碼顯示管，其中 a， b， c， e， f， g 為 4 位 LED 各段的公共輸出端， 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。 ⑶ LED 譯碼方式 譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式，對于 LED 數(shù)碼第六章 硬件電路設(shè)計 17 管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。 軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序 [3]。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所示。 如果驅(qū)動電路能力差，即負載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易損壞，因此， LED 顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計是一個非常重要的問題。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 18 圖 643 LED 與單片機接口間的設(shè)計 第七章 總體電路 19 第七章 總體 電路 總體 電路 經(jīng)過以上的設(shè)計過程，可設(shè)計出 基于單片機的 簡易數(shù)字直流電壓 表硬件電路原理圖如圖 711 所示。此外 ， AT89C51還控制 ADC0809 的工作。 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