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1、数字电压表课程设计 湖南工学院单片机技术课程设计课题任务书 学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化 在日常维修、教学和科研中、电压表是不可缺少的。本课题目的就是以单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表。 该设计介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89S52来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还
2、控制着ADC0809芯片工作。此数字电压表可以测量0-5V的模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的共阳数码管显示出来，误差不超过0.02V。 该设计的数字电压表,其硬件电路所用元件较少、成本低、调节简单；软件采用汇编语言编写，其灵活性较高，经过理论研究、原理设计和整机调试，实验结果表明，该方案可行。并且由于该数字电压表系统构造简单、抗干扰能力较强，因此具有一定的实用价值。 关键词 :数字电压表；单片机；A/D转换 1 绪论 0 1.1 课题研究相关背景 (1) 1.2 课题研究意义 0 1.3 国内外研究现状 0 2 硬件电路设计 (2) 2.1 A/D转换介绍 (2) 2.1.1 逐次逼近
3、型A/D转换器原理 (2) 2.1.2 ADC0809芯片 (2) 2.2 单片机系统 (3) 2.2.1 AT89S52简单功能介绍 (3) 2.2.2 AT89S52芯片 (4) 2.3 其他逻辑电路 (4) 2.3.1 74LS74电路 (4) 2.3.2 或非门，非门电路 (5) 2.4 数码管显示电路 (6) 2.4.1 LED简介 (6) 2.4.2 LED显示原理 (7) 2.5 时钟电路和复位电路 (7) 2.5.1 时钟电路 (7) 2.5.2 复位电路 (8) 2.6 锁存电路 (8) 2.7 硬件电路的最终确立 (9) 3 程序设计 (10) 3.1 程序设计方案 (10
4、) 3.2 程序介绍 (10) 3.2.1 初始化程序 (10) 3.2.2 A/D转换程序 (10) 3.2.3 中断法程序 (11) 4 仿真及误差分析 (12) 4.1 Proteus仿真图 (12) 4.1.1 原理图说明 (12) 4.2 误差分析 (13) 4.2.1 设计结果显示 (13) 4.2.2 误差分析 (14) 结束语 (15) 致谢 (16) 参考文献 (17) 附录 (18) 附录A 电路原理图 (18) 附录B 元件清单 (19) 附录C 实物图 (20) 附录D 程序清单 (21) 1 绪论 1.1 课题研究相关背景 数字电压表（Digital Voltmete
5、r）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，展示出强大的生命力。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表（含数字万用
6、表），也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本设计重点是A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。 1.2 课题研究意义 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。除此之外，数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点：读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强等。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。但是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电
7、路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求。而应用单片机为核心单元的数字电压表，其灵活性高、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。在这些背景下，设计一种以单片机为基础、结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。 1.3 国内外研究现状 数字电压表作为电压表的一个分支，在近五十年间得到巨大发展，构成数字电压表的核心器件已从早期的中小规模电路跨入到大规模ASIC(专用集成电路)阶段。数字电压表涉及的范围也从传统的测量扩展至自动控制、传感、通信等领域，展示了广阔的应用前景。 传统电压表的设计思路主要分
8、为：用电流计和电阻构成的电压表；用中小规 模集成电路构成的电压表；用大规模ASIC(专用集成电路)构成的电压表。这几中电压表设计方式各有优势和缺点，分别适用于几种特定的应用环境，同时，也为很多新颖的电压表的设计所借鉴和依据。 近入21世纪，随着信息技术一日千里的发展，电压表也必经历从单一测量向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程，特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。因此，把电压表和计算机技术相结合的智能化电压表就将成为21世纪的新课题。目前，数字化仪器与微处理器取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，一个内藏微处理器的仪表意味着计算机技术向仪器仪表的移植，它所具有的软件功能使仪器呈现出
9、有某种延伸，强化的作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这已为70年代以来仪表发展的历史所证实。概括起来，具有微处理器的仪表具有以下特点：测量过程的软件控制对测量数据进行存储及运算的数据处理功能是仪表最突出的特点；在仪器的测量过程中综合了软件控制及数据处理功能，使一机多用或仪器的多功能化易于实现，成为这类仪器的又一特点；以其软件为主体的智能仪器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性。 2 硬件电路设计 2.1 A/D转换介绍 现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系
10、统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。逐次逼近式A/D转换的转换速度快，而且精度高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。本次设计采用ADC0809芯片。 2.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理 逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据
11、送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。 2.1.2 ADC0809芯片 ADC08089是采用逐次逼近式A/D转换原理，可实现8路模拟信号的分时采集，芯片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存与译码电路，转换时间为100us左右。ADC0809的引脚图及连线图如图2所示。 图1 ADC0809芯片引脚图及连线图 IN0-IN7：8路模拟量输入通道，用于输入和控制被转换的模拟电压。 ALE:地址锁存
12、允许信号。对应ALE上跳沿，A,B,C地址状态送入地址锁存器中。 START：转换启动信号。上跳沿时内部寄存器清零；下跳沿时，开启A/D转换；在A/D转换期间，START保持低电平。 EOC: EOC为转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中既作为查询的状态标志，又可以作中断请求信号使用。 D7-D0：数字量输出端。为三态缓冲输出形式，可以与单片机直接相连。D0为低位，D7为高位。 A,B,C:地址线，模拟通道的选择信号。A为低位地址，C为高位地址，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示： 表一通道选择表 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0
13、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 OE：OE为输出允许端，高电平能使D0-D7引脚上输出转换后的数字量。 VREF+、VREF-:参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近式的基准，（典型的VREF+为+5V、VREF-为0V）。 Vcc、GND: Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起. CLK:时钟输入端。 2.2 单片机系统 2.2.1 AT89S52简单功能介绍 AT89S52的主要功能如下： （1）晶片内部具
14、有时钟振荡器； （2）有8位CPU和系统可编程Flash; （3）内部程序存储器即ROM为8KB； （4）内部数据存储器即RAM为256字节； （5）32个可编程的I/O口线； （6）8个中断向量源； （7）三个定时器/计数器； 2.2.2 ATS9S52芯片 AT89S52芯片引脚图及连线图如图2 图2 AT89S52芯片引脚图及连接图 本次设计中所用到的引脚有： P0，P1，P2，P3：四个8位并行口，实现数据的并行输入/输出； ALE:地址锁存信号,此外ALE以1/6晶振频率输出，可作为外部脉冲使用；RST:复位信号； XTAL1，XTAL2：内部时钟时，外接电容和石英晶体；外部时钟时，
15、接外部时钟脉冲信号; INT1:外部中断申请引脚； /EA:访问程序存储器控制信号，为高电平时由内而外访问程序存储器； 2.3 其他逻辑电路 2.3.1 74LS74电路 74LS74引脚图及连线图如图3 图3 74LS74引脚图 本次设计所用脉冲为500KHZ,硬件电路中晶振的频率为12MHZ，经ALE分频得2MHZ，因此用74LS74产生一个四分频电路，即产生500KHZ的脉冲信号，分频电路连线图如图5 图4 74LS74分频电路 2.3.2 或非门，非门电路 （1）74LS02或非门 74LS02引脚图及连线图如图5 图5 74LS02功能引脚图及连线图 （2）74LS04非门 74LS
16、04引脚图及连线图如图6 图6 74LS04功能引脚图及连线图 两种电路输出幅度大，带负载能力强，抗干扰能力强，本次设计采用这两个电路进行ADC0809与单片机的连接，ADC0809的EOC引脚通过非门与单片机的外部中断P3.3连接，以提供外部中断请求信号；单片机的写信号/WR和P2.0口通过或非门与ADC0809的ALE引脚相连，读信号/RD和P2.0通过或非门与ADC0809的OE端相连。 2.4 数码管显示电路 2.4.1 LED简介 LED是Light Emiting Diode(发光二极管)的缩写，发光二极管能将电信号转换为光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成的“8”字形的LED显示器。也称数码管。 本次设计所用的为四位一体共阳数码管，其引脚图及连线图如图7 图7 四位一体数码管引脚图及连线图