基于单片机的数字电压表的设计与仿真

基于单片机的数字电压表的设计与仿真 摘要 本文介绍一种基于 AT89S52 单片机的一种电压测量电路 ,该电路采用模/ 数 转换芯片 ADC0808，它具有转换速度快、高精度、单极性、调 整 VREF 可 改 变 其 动 态 范 围 的 特 点 。测量范围直流 0-5V，使用 LCD 液晶模块显示，可以 与 PC 机进行串行通信。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了双 积分电路的原理，AT89S52 的特点，ADC0808 的功能和应用， LCD1602 的功 能和应用。该电路设计新颖、精度高、可扩展性强。 关键词：电压测量;单片机;ADC0808；LCD1602 2 Abstract The introduction of a cost-based AT89S52 MCU a voltage measurement circuits,the circuits used. ADC0808,speed, high precision, unipolar, VREF can be changed to adjust the dynamic range characteristics. Measuring range DC 0-5V, the use of LCD liquid crystal display module that can communicate with the PC serial machine. Text gives the software and hardware systems focused on various parts of the circuit, introducing the principle of double integral circuit, AT89S52 features, ADC0808 features and applications, LCD1602 features and applications. The innovative circuit design, high accuracy, scalability, strong. Keywords: Voltage measurement; microcomputer; ADC0808; LCD1602 3 1设计内容及要求 1.1 设计目的及主要任务 1.1.1 设计目的 （1）学会根据已学知识设计具有某一特定功能的电路。 （2）学会基本电路的组装与调试。 （3）掌握集成电路基础知识，并且能熟练应用于工程设计。 （4）掌握数字电压表的原理及设计方法。 1.1.2 设计任务及主要技术指标 设计一个量程为 5V、精度为 0.05V 的数字电压表，用三位数字显示。 当被测电压超出测量范围时报警。 （用 LED 显示） 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路， 设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。 用 Proteus 软件完成仿真。 查阅至少 5 篇参考文献。 按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。 1.2 设计思想 数字电压表（Digital Voltmeter）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，示出强大的生命力。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数 字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。重点介绍单片 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。 4 2.电路工作原理分析、方案论证和确定 2.1 电路工作原理分析 如图 1 所示，模拟电压经过分压电路衰减后，经隔离干扰送到 A/D 转换器 进行 A/D 转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到 LCD 中 显示，同时通过串行通讯与上位机通信。 图 1 原理框图 2.2 方案论证 2.2.1 方案一 采用双积分式 A/D 转换器 CC7106、CC4070、LCD，以及外围电路构成数字 电压表。它由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器 A、A/D 转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振 荡器和显示器。由图可见，模拟电路和数字电路是互相联系的，有逻辑控制电 路产生控制信号，按规定的时序将 A/D 转换器中各组模拟开关接通或断开，保 证 A/D 转换正常进行。A/D 转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱 动显示器显示出相应的数值。 图 2 数字电压表组成框图 输入电路 89S52 单片机 LCD 显示 通讯模块 A/D 转换 5 2.2.2 方 案 二 采用 AT89S52 单片机和 A/D 转换芯片 ADC0808 作为核心器件，用 LCD1602 作为显示模块，以及一些外围电路构成数字电压表。ADC0808 具有转换速度快、 高精度、单极性、调 整 VREF 可 改 变 其 动 态 范 围 的 特 点 。 可以与 PC 机进 行串行通信。 图 3 数字电压表系统框图 2.3 方案确定 方案一虽然有应用技术成熟，系统可靠性高等诸多优点，但电路过于复杂。 方案二使用单片机作为控制核心，整个系统具有极为灵活的可编程性，外部电 路也比较简单，精度也符合设计的要求。故采用方案二。 3.单元电路设计、参数计算及器件选择 3.1 A/D 转换芯片 ADC0808 的应用 1.转 换 方 式 ADC0808 采 用 逐 次 逼 近 式 ADC 工 作 原 理 。 图 4 ADC0808/9 芯片的引脚图 6 引脚介绍： ：主电源输入端。 REF（+）、 REF（-）：基准电源输入端，使用中 REF（-）一般接地， REF（+）最大可接+5.12V，要求不高时，REF（+）接 VCC的+5V 电源。 GND ：模拟地数字地共用的接地端。 CLK ：时钟输入引脚，时钟频率范围 10KHz1280KHz，典型值 640KHz，此时转 换时间约为 100us。 IN0IN 7：8 路模拟量单极性电压的输入引脚。 ADD A 、ADD B 、ADD C ：8 选 1 模拟开关的三位通道地址输入端,用来选择 对应的输入通。 ALE ：为通道地址锁存允许选通控制端，输入上跳沿有效；它有效时，C 、B 、 A 的通道地址值才能进入通道地址锁存器，ALE 下跳为低电平（无效）时， 锁存器锁存进入的通道地址。 START ：启动 A/D 转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚 输入正脉冲下跳沿后，ADC 开始逐次比较；也可将 START 与 ALE 连接在一起 使用，安排一个 CPU 写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（码）被写入通道地 址锁存器，下降沿启动 A/D 转换，参见时序图。 EOC ：ADC 转换状态输出信号引脚，未启动转换时，EOC 为高电平，启动转换 后，正在逐次逼近比较期间 EOC 为低电平，低电平持续时间为 A/D 转换时间， 约 100us（与时钟频率有关），一旦转换完毕，EOC 端上跳为高电平，此信号 可供 CPU 查询或向 CPU 发中断。 2-12 -8：8 位数字量输出引脚，2 -1为 d1（MSB）， 为 d8（LSB），它是三态 输出数据锁存器的输出引脚，未被选通时，8 个引脚对片内均为高阻断开；因 此可与系统数据总线 D7D 0直接相连。 OE ：数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；它有效时，数据输出三态门被 打开，转换好的数字量各位被送到 2-12 -8引脚上；它无效时，2 -12 -8浮空 （高阻隔离）；显然 OE 端必须设置一个 CPU 读数据的端口地址，未访问时，必 须为低电平。 单极性： 7 ADC0808 本身是单极性转换器，也可以通过外偏置电路方法，变成双极性 输入电压的 A/D 转换器。 图 5 ADC0808 的原理框图 2.电 路 结 构 ADC0808 是 一 款 8 位 逐 次 比 较 型 A/D 转 换 器 ， 其 结 构 框 图 如 图 4 所 示 。 它 由 控 制 逻 辑 电 路 、 时 序 产 生 器 、 移 位 寄 存 器 、 D/A 转 换 器 及 电 压 比 较 器 组 成 。 图 6 逐 次 比 较 型 A/D 转 换 器 框 图 8 3.工 作 原 理 逐 次 逼 近 式 转 换 过 程 和 用 天 平 称 物 重 非 常 相 似 。 天 平 称 重 物 过 程 是 ， 从 最 重 的 砝 码 开 始 试 放 ， 与 被 称 物 体 行 进 比 较 ， 若 物 体 重 于 砝 码 ， 则 该 砝 码 保 留 ， 否 则 移 去 。 再 加 上 第 二 个 次 重 砝 码 ， 由 物 体 的 重 量 是 否 大 于 砝 码 的 重 量 决 定 第 二 个 砝 码 是 留 下 还 是 移 去 。 照 此 一 直 加 到 最 小 一 个 砝 码 为 止 。 将 所 有 留 下 的 砝 码 重 量 相 加 ， 就 得 此 物 体 的 重 量 。 仿 照 这 一 思 路 ， 逐 次 比 较 型 A/D 转 换 器 ， 就 是 将 输 入 模 拟 信 号 与 不 同 的 参 考 电 压 作 多 次 比 较 ， 使 转 换 所 得 的 数 字 量 在 数 值 上 逐 次 逼 近 输 入 模 拟 量 对 应 值 。 对 图 6 的 电 路 ， 它 由 启 动 脉 冲 启 动 后 ， 在 第 一 个 时 钟 脉 冲 作 用 下 ， 控 制 电 路 使 时 序 产 生 器 的 最 高 位 置 1， 其 他 位 置 0， 其 输 出 经 数 据 寄 存 器 将 10000000， 送 入 D/A 转 换 器 。 输 入 电 压 首 先 与 D/A 器 输 出 电 压 （ VREF/2） 相 比 较 ， 如 v1VREF/2， 比 较 器 输 出 为 1， 若 vIVo 存 1； 第 二 个 CP 到 来 时 ， 寄 存 器 输 出 D7 D0=11000000， Vo 为 7.5V， VA 再 与 7.5V 比 较 ， 因 VA 7.5V， 所 以 D6 存 0； 输 入 第 三 个 CP 时 ， D7 D0=10100000， v0= 6.25V； VA 再 与 Vo 比 较 。 如 此 重 复 比 较 下 去 ， 经 8 个 时 钟 周 期 ， 转 换 9 结 束 。 由 图 中 Vo 的 波 形 可 见 ， 在 逐 次 比 较 过 程 中 ， 与 输 出 数 字 量 对 应 的 模 拟 电 压 Vo 逐 渐 逼 近 VA 值 ， 最 后 得 到 A/D 转 换 器 转 换 结 果 D7 D0 为 10101111。 该 数 字 量 所 对 应 的 模 拟 电 压 为 6.8359375V， 与 实 际 输 入 的 模 拟 电 压 6.84V 的 相 对 误 差 仅 为 0.06%。 图 7 8 位 逐 次 比 较 型 A/D 转 换 器 波 形 图 4.特 点 (1)转 换 速 度 ： 速 度 快 。 (2)调整 VREF，可改变其动态范围。 3.2 测量控制电路 AT89S52 有 40 个 引 脚 ， 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 端 口 ， 同 时 内 含 2 个 外 中 断 口 ， 3 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数 器 ,2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 2 个 读 写 口 线 ， AT89S52 可 以 按 照 常 规 方 法 进 行 编 程 ， 也 可 以 在 线 编 程 。由 10 于 AT89S52 单 片 机 诸 多 优 点 ， 故 我 们 采 用 其 作 为 控 制 芯 片 。 测量的基本原 理是：待测电压通过一个分压电阻输入 A/D 转换芯片 ADC0808 进行 A/D 转换， 然后将转换结果送到单片机 AT89S52 进行处理并输出，最后用 LCD1602 显示测 量的结果。 由单片机 AT89C52、晶体振荡器、复位电路构成了主处理电路即最小系 统电路；这部分电路作为检测仪的工作过程的“总指挥”，起着控制、计算、 判断等主要作用。 图 8 最小系统主控电路 AT89S52 是 51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。AT89S52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片 内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89S52 单片机可为 您提供许多较复杂系统控制应用场合。并采用 12M 晶振组成振荡电路。 3.3 液 晶 显 示 部 分 与 AT89S52 的 接 口 如图 9 所示：用 AT89S52 的 P2 口作为数据线，用 P0.1、P0.2 、P0.3 分别 作为 LCD 的 E、R/W、RS 。其中 E 是下降沿触发的片选信号，R/W 是读写信 号，RS 是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏， 再设置接口数据位为 8 位，显示行数为 2 行，字型为 57 点阵，然后设置为整 体显示，取消光标和字体闪烁，最后设置为正向增量方式且不移位。向 LCD 的 显示缓冲区中送字符，程序中采用 2 个字符数组，一个显示字符，另一个显示 11 电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示。首 先取一个要显示的字符或数据送到 LCD 的显示缓冲区，程序延时 1ms，判断是 否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。 4.电路安装与调试 安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试， 使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系 统测试。调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更 换器件，使之达到性能的改善。测试是采用电子仪器测量相关点的数据，以便 准确判断设计电路的性能。装配前必须对元器件进行性能参数测试。根据设计 任务的不同，有时需进行印制电路板设计制作，并在印制电路板上进行装配调 试。 按照电路图将元器件摆放在通用板上，以确定元器件的大致位置，接着使 用电烙铁将各个元件焊接在电路板上，确保焊接过程中无元件损坏，接着开始 焊接连线，从电路最左边开始一级一级焊接，每焊接一级便用万用表测试一下 此级中有无损坏的元件或是连线错误 6。 5 软件仿真 Proteus ISIS 是英国 Labcenter Electro-nics 公司开发的一款电路分析 与实物仿真软件，该软件集单片机和 SPICE 分析于一身，具有强大的原理图绘 制和软件调试功能。鉴于 Proteus ISIS 极其强大功能和使用的便捷性，最终我 图 9 LCD 与 AT89S52 的接口框图 12 们选用了它作为仿真软件。 单片机 AT89S52 的程序用 C 语言编写，其内部有 8KB 的 FLASH ROM（闪速 EEPROM）, 所以单片机内部最多可以固化 8KB 的程序代码。此外， AT89S52 具有强大的加密功能和不可破译性。系统软件由主程序和若干子程序 构成，包括 LCD 驱动子程序、显示子程序和测试子程序。这样的程序编写不仅 提高了单片机的运行效率，也容易查找程序的运行结果。程序流程框图如图 10 所示。 图 10 主程序流程图 图 11 数字电压表仿真截图 13 6.课程设计心得体会 这次课程设计历时两个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的 很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论 联系实际的能力还急需提高。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失 落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着 收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程 制作（数字频率计），可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不 得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出， 为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！通过这次课程设 计，我想说：为完成这次课程设计我们