(说明书正文)HJB课设

武汉理工大学智能仪器课程设计说明书 1绪论 数字电压表简称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，其精度高、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。本系统用单片机AT89S51构成智能化数据采集和电压监控系统, 具有精度高、速度快、性能稳定和电路简单且工作可靠等特点, 具有很好的使用价值。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。本课设用ADS7825制成数字电压表可以测量05V的输入电压值，ADS7825进行模数转换然后送给单片机处理，用数码显示器进行测量结果的显示。以便于与其它设备进行数据交换，便于实现智能化控制。该系统以单片机为核心具有如下功能：1）能对2-4v范围变化的模拟信号进行连续采样（模拟信号中有尖峰脉冲干扰和50Hz工频干扰）和实时数字显示，采样频率为10Hz，保存最近的50个连续采样值；2）当采样值小于2v时第1个报警灯闪烁，大于4v时第2个报警灯闪烁；3）能对存在的系统误差进行线性插值校正；4）能和上位机进行串行通信，根据上位机的要求随时将采样数据上传；5）能产生占空比为20%幅度为5v的50Hz脉冲波供外设用。本章重点对它的硬件和软件部分进行详细介绍 2方案设计2.1A/D采样模块的选择方案一：利用ADS7825芯片来进行A/D转换，它是4通道，16位模数转换器，由单一5V电源供电，数据采样及转换时间不超过25us，它的最大优点就是数据可以并行输出，又可串行输出，所以转换速度比较快，使用也很方便。方案二：MAX197 是一种单电源，工作电压为5V，并行12位A/D转换器，其采样速率可以达到100ksps，采样有效动态范围可增至 16 位。具有 8个采集通道，可独立设置多种输入范围：10V、5V、0V至 10V 或0V至5V，且任何通道的故障都不影响其他通道的变换结果。由于该芯片在片内已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围元件极少，因此,用MAX197构成的数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和可扩展功能多的优点。经比较，为了更好实现电路要求、采集精度适合，AD采样模块采用方案一。2.2显示模块的选择 方案一：采用液晶1602显示，它属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。但它微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 方案二：采用数码管显示，数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一点，它在单片机里可以用作静态显示和动态显示，只要我们输入段码和位码，我们就可以在相应的数码管显示我们想要的数值,不断的循环移位显示，并且保证间隔时间很短，就可以动态显示了。 根据性价比和编程方便的需要，综合考虑我选择方案二2.3总设计方案与系统框图 根据设计要求，该系统采用51内核的8位机作为控制核心，A/D转换器采用ADS7825，它是16位转换，因为要求电压显示精度要1mv，所以8位转换明显不够，所以就采用了16位转换的，数字量经过CPU处理后，转化为十进制数，这就是我们要显示出来的电压值，我们采用动态显示，把4位数字量循环显示出来，同时我们还可以利用51的定时器在P3.6引脚输出满足条件的方波，利用RS232端口可以实现单片机与PC机之间的串口通信，把单片机采集到的50个数据进行实时传送和显示。输入AD转换的模拟信号，50hz工频干扰利用带阻滤波器消除，脉冲干扰信号采用数字滤波用软件编程加以去除，零点误差和增益误差利用软件编程进行校正。本设计的系统框图如下图2-1所示:LED数码显示滤波电路/模拟量输入通道AD转换/单片机PC上位机RS232串口方波输出 显示报警显示 图2-1 系统总设计框图 3硬件部分设计3.1单片机系统介绍以及报警显示方波输出本设计采用的单片机芯片为AT89C51，提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。由于我们平时学习已经对它有很深的了解，所以在这里我就不对它的各个引脚功能进行详细说明。如下图3.3所示，我们把P0口做为数码显示通道，把P1口作为A/D转换后的数字量输入通道, P3.0和P3.1作为上位机串口通信的接收发送通道，P3.2和P3.3作为报警LED灯亮灭通道，P3.6作为所需方波输出通道，P2口作为数码管位选通道以及AD芯片的控制信号。工作原理：A/D转换后的数字量从P1口输入，由于AD为16位转换，所以数字量分高8位和低8位进行接收，在芯片中进行处理后把模拟量电压的段码从P0口输出给数码管，其中P2.0P2.3作为数码管的位选信号端，就可以实现动态显示。P3.2和P3.3口我们可以用软件编程来实现报警灯的亮灭，当电压值小于2.000V时我们让P3.2口置1，这时报警灯1亮，当电压值大于4.000V时，我们让P3.3口置1，这时报警灯2亮。要想输出符合要求的方波，我们可以编程来实现，同时还需要硬件电路实现，当P3.6口为高电平时，光电耦合器不工作，这时通过上拉电阻得到电压值5V, 当P3.6口为低电平时，光耦合导通，这时输出电压为0，占空比为20%，周期为50HZ，只要利用单片机的定时器和中断编程就可以得到。 图3.1 单片机芯片及电路图3.2滤除工频干扰的滤波电路设计 滤除50HZ工频干扰的滤波电路设计，采用具有滤波，放大，反馈， 调节功能的可调Q值双有源带阻滤波电路,在有源带阻滤波电路基础上,又增加了具有反馈功能的运算放大器U2:A 和具有调节功能的电位器RW。其中，电位器RW具有调节电路的品质因数Q的作用，Q值越大，阻带宽度越窄，选频特性越好滤除50HZ工频干扰的滤波电路如图3.2所示，在带阻滤波电路设计中，带阻滤波器的中心频率f0 1/2 RC,所以令C4C50.01uF，则R4=R5318.4K ，C110.02uF，R6159.2K调整电位器RW，使阻带中心频率在50HZ处，并且阻带带宽在以内，以达到在输出电压V0 中完全滤除50HZ工频信号及其二次谐波干扰的目的 图3.2 50HZ工频干扰滤波电路3.3系统A/D转换电路介绍 由于设计要求规定电压分辨率要达到1mv，因为8位AD的分辨率为1/28 大于0.001，所以不满足条件，所以我选择16位的AD转换器ADS7825，分辨率为1/216 小于0.001 下面对这个芯片做介绍 ADS7825是美国B - B 公司生产的 4通道 ,16位模数转换器。它由单一5V 电源供电,数据采样及转换时间不超过 25 s ,可输入 - 10. 010. 0V 的模拟电压。AD 转换后的数据既可并行输出,也可串行输出,数据转换模式还可设置为 4通道间连续循环转换,使用极其方便。下面对该芯片引脚做详细说明，如下图3.1所示：AIN 0AIN 3 : 4 个模拟通道 , 可接受 -10.010. 0V 的模拟输入电压 。PAR/ SER : 该管脚为高电平时, 数据在 D0D7脚并行输出; 为低电平时, 数据在 SDATA 脚串行输出。B YTE : 并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。B YTE = 1 时 , 输出低 8 位 D0D7 , B YTE = 0时 ,输出高 8位 D0D7 。R/ C : 读数/ 启动转换,该管脚被一下降沿触发将保持前次的采样并启动下一次模数转换; 上升沿触发 ,则允许读数。BUSY: 状态标志位,只读管脚。在AD 转换过程中 ,该管脚输出始终保持低电平。转换结束,数据锁存到输出寄存器后, 该管脚输出高电平。当数据作并行输出时,必须使BUSY= 1 ,才可读数。CON TC :选择转换模式。CON TC = 0时,必须用CS及 R/ C来逐次启动AD 转换; CON TC = 1时,采样和读取数据在 4个通道之间自动循环进行。SYNC :串行数据输出帧同步信号。 SYNC 为输出管脚 , 仅在数据作串行输出时使用。输出正脉冲时 ,其后沿标志着一帧数据的最高位开始输出。TA G:该脚仅在多个ADS7825联合工作、数据作串行输出且用外部时钟工作时才起作用。当电路中使用单个 ADS7825时 , 可在 TA G脚接低电平。当电路中 ADS7825 联合工作时 , 可将前一级ADS7825 的 SDATA 脚接至后一级 ADS7825 的TA G脚。第一级 ADS7825的 TA G脚接地 ,最后一级 ADS7825的 SDATA 脚输出数据,这样 ,最后一级 ADS7825 的 SDATA 脚将由后级至前级依次输出各个 ADS7825的转换数据。 图3.3ADS7825芯片模数转换电路3.4零点误差和增益误差校正电路 如右图所示，它是八通道的模拟输入开关，我们利用CPU对它的控制可以进行通道输入的设置，分别在输入端接入零位电压和标准电源E,测出滤波器后的电压分别为y0和y1,得到两个方程，表示为： 0=b1y0+b0 E=b1y1+b0把这两个方程联立后解得b1=E/(y1-y0) b0=E/(1-y1/y0)于是经过校正后的实际模拟电压输入量X=E(y-y0)/(y1-y0)图3.4多路模拟开关 自动增益校正原理如下所示：A微处理器A/D转换器 图3.4.2增益自动校正原理图3.5数码显示部分设计 数码管就采用共阴极的，由单片机P0口输给它段码，高电平有效，每个数码管显示所要的数字，另外由单片机P2.0P2.3口来作为数码管的位选通，低电平有效，位不断的循环选通，且延时时间很短就形成了动态显示 图3.5数码显示器3.6 上位机通信电路设计 上位机通讯电路本设计采用MAX232芯片进行电平转换，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电，它的作用就是完成TTL电平与RS232电平的转换，即是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。MAX232引脚分布如图3.6所示，各引脚标号，作用如下：1 载波检测 DCD2 接收数据 RXD3 发送数据 TXD4 数据终端准备好 DTR5 信号地 SG6 数据准备好 DSR7 请求发送 RTS8 清除发送 CTS9 振铃提示 RI 图3.6 RS232串口通信电路 4系统软件部分设计4.1 A/D转换子程序unsigned int GetAdsvalue()unsigned int DianYa1=0,DianYa2=0,DianYa=0;Delay(10);CS_7825 = 0; /芯片选通使能RC_7825 = 0;RC_7825 = 1; /相当于给了一个高电平脉冲启动转换nop();nop();nop();nop();while(BUSY_7825 = 1); /等待转换结束BYTE_7825=1;Delay(10);DianYa1 =ADS_Data; /返回电压寄存器中低八位的值BYTE_7825=0;Delay(10);DianYa2 =ADS_Data; /返回电压寄存器中高八位的值DianYa=DianYa2*100+DianYa1;CS_7825 = 1;return DianYa; /返回电压寄存器中的值4.2数码显示以及报警灯子程序void DisVoltage(unsigned int V_0804) double Voltage0 = (double)V_0804;unsigned char Ge = 0; /用于存取个位数值unsigned char Xiao1 = 0; /用于存取小数点后第一位数值unsigned char Xiao2 = 0; /用于存取小数点后第二位数值unsigned char Xiao3 = 0; /用于存取小数点后第三位数值LED1=0;LED2=0; Voltage0 = (60.*(Voltage0/65535)*1000; /电压值已经转换并且*1000用于提取小数点后三位if(Voltage04000)LED2=1; /提取每一位的数值Ge = (unsigned int)Voltage0)/1000%10;Xiao1 = (unsigned int)Voltage0)/100%10;Xiao2 = (unsigned int)Voltage0)/10%10;Xiao3 = (unsigned int)Voltage0)%10; /显示SMG_WData = 0xff; /消隐SMG_DData = SMG_DcodeGe | 0x80; /段码SMG_WData = SMG_Wcode0; /位码Delay(4);SMG_WData = 0xff; /消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao1; /段码SMG_WData = SMG_Wcode1; /位码Delay(4);SMG_WData = 0xff; /消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao2; /段码SMG_WData = SMG_Wcode2; /位码Delay(4);SMG_WData = 0xff; /消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao3; /段码SMG_WData = SMG_Wcode3; /位码Delay(4);SMG_WData = 0xff;4.3方波输出子程序void Timer0(void) interrupt 1 using 1OUT=0; /输出端为0TR0=0; /关闭计时器0 TH0=0xF1; TL0=0x9A ; /T0重新装入计数初值void Timer1(void) interrupt 3 using 2OUT=1; /输出端为1TR0=1; /启动计时器0TH1=0xB8; /T1重新装入计数初值TL1=0x00;void main() OUT=0; TMOD=0x11; /定时器设置工作方式 EA=1; /开总中断 ET0=1; /开中断允许标志位 ET1=1; TH1=0xB8; /T1置计数初值 TL1=0x00; TH0=0xF1; TL0=0x9A; /T0置计数初值 TR0=1; /启动计数器 TR1=1;while(1)DisVoltage(GetAdsvalue();4.4 各单元流程图16进制数字量转换为10进制数LED1报警灯亮LED2报警灯亮提取要显示的个位，十百千分位位选通0，输入个位段码，延时位选通1，输入十分位段码，延时位选通2，输入百分位段码，延时位选通3，输入千分位段码，延时小于2000？大于4000？开始选通ADS7825芯片启动A/D转换延时等待BYTE置1，返回电压寄存器低八位BYTE置0，返回电压寄存器高八位合并成16位数字量转换结束即BUSY=1?开始返回 图4.4.2数码显示与报警流程图 图4.4.1 A/D转换流程图定时器T0,T1设置工作方式1置T0计数初值为0F19AH置T1计数初值为0B800H开中断允许位ET0和ET1开总中断EA启动计数器T0和T1在主程序运行等待中断开始输出端P3.6=0输出端P3.6=1开启T0计时，TR=1关闭T0计时，TR0=0T0重新装入初值T1重新装入初值T0计时4ms后进入中断服务子程序1T1计时20ms后进入中断服务子程序2返回返回 图4.4.3 方波产生流程图设定定时器3工作模式设定波特率设定串行口工作方式启动定时器3是否被应答?发送完毕?发送数据发送请求等待计数变量+1开始结束 图4.4.4 RS232串口通信流程图 5仿真结果 图5.1电压刚低于4V显示图 图5.2电压刚大于2V显示图 图5.3电压低于2V时报警图 图5.4电压高于4V时报警图 图5.5方波输出图 6课设总结 作为一名测控专业的大三学生，我觉得做智能仪器课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：Protel制图、汇编语言、模拟和数字电路知识等。在学习的过程中带着问题去学,我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一大收获。 同时，我认识到，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。两周的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。 最后还要在这里感谢牟新刚老师对我们细心指导！【参考文献】1 史健芳 智能仪器设计基础（第二版） 电子工业出版社 2012，9 2 张毅刚，彭喜元等 新编MS-51单片机应用设计（第三版） 哈尔滨工业大学出版社，2008，4 3 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2004.4 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用M.北京：清华大学出版社，2002.5 张国勋，缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法J. 电子技术应用，1993，第一期.附录一 程序清单/*系统晶振：12MHz*/#include reg52.h#include intrins.h#define nop() _nop_()/引脚定义sbit CS_7825=P27;sbit BYTE_7825=P24;sbit BUSY_7825=P25;sbit RC_7825=P26;sbit LED1=P33;sbit LED2=P32;sbit SDA=P20; /定义i2c连接端口sbit SCL=P21;unsigned char flag_led1,flag_led2,led_num,imp_num;unsigned char flag_uart,flag_time,t0_num;unsigned char a,b;int V_data,V_mid,value,Ling,Ref;float ad_v;#define ADS_Data P1#define SMG_DData P0/*数码管段码端口*/#define SMG_WData P2/*数码管位码端口*/段码表unsigned char code SMG_Dcode=0x3F,/*0*/0x06,/*1*/0x5B,/*2*/0x4F,/*3*/0x66,/*4*/0x6D,/*5*/0x7D,/*6*/0x07,/*7*/0x7F,/*8*/0x6F,/*9*/;/位码表unsigned char code SMG_Wcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/*延时函数*/void Delay(unsigned int x)unsigned char i=0;for(;x0;x-)for(i = 0;i0;y-)for(j=0;j1000;j+) nop();/* 冒泡排序：将9位数的数组从小到大排序 */unsigned int reorder(unsigned int groupN)int i,j,k;int m=1;for(i=0;iN-1;i+)for(j=i+1;jN;j+)if(groupj-1groupj) contiue; k=groupj; groupj=groupj-1; groupj-1=k; m=0;if(m=1) break; Between=group4; /取中间值return Between;/*获取ADC寄存器值函数说明：只是获取的ADC内部电压寄存器的值，没有进行任何的转换 而电压值的转换部分将放在显示部分*/unsigned int GetAdsvalue()unsigned int DianYa1=0,DianYa2=0,DianYa=0;Delay(10);CS_7825 = 0;/芯片选通使能RC_7825 = 0;RC_7825 = 1;/相当于给了一个高电平脉冲启动转换nop();nop();nop();nop();while(BUSY_7825 = 1);/等待转换结束BYTE_7825=1;Delay(10);DianYa1 =ADS_Data; /返回电压寄存器中低八位的值BYTE_7825=0;Delay(10);DianYa2 =ADS_Data; /返回电压寄存器中高八位的值DianYa=DianYa2*100+DianYa1;CS_7825 = 1;return DianYa;/返回电压寄存器中的值/*对采样值进行中值滤波并进行误差校正，得到用于显示和传输的数据* */void deal_data(unsigned int cydata)int i;for(i=0;iN;i+) /从通道0读基准电压 0Vread_ad(0);tempi=value;delay_ms(1);reorder(tempN); /中值滤波Ling= temp4;for(i=0;iN;i+) /从通道2读基准电压 3.3Vread_ad(1);tempi=value;delay_ms(1);reorder(tempN); /中值滤波Ref=temp4;while(1)if(flag_uart=1) /向PC机传输50个采样值flag_uart=0;ES=0;unsigned int vol,h;unsigned char qian,bai,shi,ge; int i;for(i=0;i50;i+) vol=His_datai; h=6144*vol/32768; qian=h/1000+0x30; bai=h%1000/100+0x30; shi=h%1000%100/10+0x30; ge=h%10+0x30; SendOneByte(qian); SendOneByte(.); SendOneByte(bai); SendOneByte(shi); SendOneByte(ge);ES=1; if(flag_time=1) / 1s采样一次flag_time=0;int i;for(i=0;iN;i+) /从通道1读取采样值read_ad(1);tempi=valuedelay_ms(1);reorder(tempN); /中值滤波V_mid=temp4V_data=17600*(V_mid-Ling)/(Ref-Ling); /增益校正和零点校正if(b=49)int j;for(j=0;j49;j+)His_dataj=His_dataj+1;His_data49=V_data;elseHis_datab=V_data;b+;Return V_dat/*显示AD转换后的电压值说明：此函数主要实现两个功能【一是将ADS7825电压寄存器中的值转换为 实际电压值；二是将实际电压值用数码管显示出来】*/void DisVoltage(unsigned int V_0804) double Voltage0 = (double)V_0804;unsigned char Ge = 0;/用于存取个位数值unsigned char Xiao1 = 0;/用于存取小数点后第一位数值unsigned char Xiao2 = 0;/用于存取小数点后第二位数值unsigned char Xiao3 = 0;/用于存取小数点后第三位数值LED1=0;LED2=0; Voltage0 = (60.*(Voltage0/65535)*1000; /电压值已经转换并且*1000用于提取小数点后三位if(Voltage04000)LED2=1;/提取每一位的数值Ge = (unsigned int)Voltage0)/1000%10;Xiao1 = (unsigned int)Voltage0)/100%10;Xiao2 = (unsigned int)Voltage0)/10%10;Xiao3 = (unsigned int)Voltage0)%10; /显示SMG_WData = 0xff;/消隐SMG_DData = SMG_DcodeGe | 0x80;SMG_WData = SMG_Wcode0;Delay(4);SMG_WData = 0xff;/消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao1;SMG_WData = SMG_Wcode1;Delay(4);SMG_WData = 0xff;/消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao2;SMG_WData = SMG_Wcode2;Delay(4);SMG_WData = 0xff;/消隐SMG_DData = SMG_DcodeXiao3;SMG_WData = SMG_Wcode3;Delay(4);SMG_WData = 0xff;/*TO中断服务子程序 4ms*/void Timer0(void) interrupt 1 using 1OUT=0;TR0=0; TH0=0xF1; TL0=0x9A;/*T1中断服务子程序 20ms*/void Timer1(void) interrupt 3 using 2OUT=1;TR0=1;TH1=0xB8;TL1=0x00;*- 启动IIC总线-*/ void Start(void) SDA=1; _nop_(); SCL=1; _nop_(); SDA=0; _nop_(); SCL=0; /*- 停止IIC总线-*/ void Stop(void) SDA=0; _nop_(); SCL=1; _nop_(); S