《数字电子技术基础》课程设计说明书基于单片机的数字式电压表

1、目录摘要- 0 -第一章 概述- 1 -第二章 方案论证及整体设计- 2 -2.1 设计目标- 2 -2.2 核心控制系统- 2 -2.3 总体设计- 3 -第三章 系统硬件结构设计- 4 -3.1 硬件系统设计原则- 4 -3.2 a/d转换电路- 4 -3.3 电压反向电路- 8 -3.4 数码显示模块电路- 10 -3.5 输入电路- 10 -第四章 系统的软件设计- 11 -4.1 系统主程序设计- 11 -第五章 制作与调试- 12 -5.1电路的仿真与分析- 12 -5.2 调试- 12 -结 论- 14 -参考文献- 15 -附录一 源程序- 16 -附录二 原理图- 18 -本

2、科生课程设计成绩评定表摘 要本文设计了基于单片机的数字式电压表，具有可选档，精度高等特点。通过对现有的各种方案分析，采用以at89s52单片机为中央处理器，利用icl7135芯片为完成a/d转换功能并且由led数码管显示结果。给出了具体的硬件设计电路和软件结构，详细叙述了系统硬件线路的设计要点和结构以及软件的设计要点，同时给出了各部分硬件电路原理图和子程序的流程图。经过实验测试，实现了电压测试功能，基本上达到了任务书的要求。可测量02v，精度高可显示4位半位数值关键词 at89s52 icl7135 led数码管显示 数字电压表 选档第一章 概述21世纪是一个数字化的时代，各式各样的数字产品如

3、雨后春笋般进入科学研究、工业生产和生活等各领域。当今，数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外，数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进，日臻完善。因此，对数字电压表的研究具有时代的意义。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，数字电压表在这样的背景下孕育而生。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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字量形式并加以显示的仪表。在电量的测量中，电压、电流和频率

4、是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的。目前数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式，如由数字电路和芯片构成的、基于单片机控制的、基于fpga控制的、基于cpld控制的等等。基于微处理器(单片机)控制的数字电压表，以单片机和a/d转换器为主要元件，实现数字电压表的硬件电路。这样的电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化

5、，还可以方便地进行8路ad转换量的测量，远程测量结果传送等功能。解决了传统电压表欠缺灵活，其系统功能固定，难以更新扩展的缺点。在现代电子科技的高速发展过程中，微型化、集成化、高密度化以及设备的高精度化已经成为一种长期的趋势，这就要求我们力求使用更精确的设备。数字电压表正向这样的趋势发展中，未来的数字电压表更加面向智能化。第二章 方案论证及整体设计2.1 设计目标设计一个数字电压表，要求：1. 电压测量范围：0-2v2. 结果可显示四位半数值3. 输出数据用led数码管显示4. 用icl7135实现数字量的转换5. 用icl7660产生-5v电压6. 核心控制部件采用单片机控制，不需要看门狗电路

6、，直接利用单片机资源。2.2 核心控制系统目前数字电压表很多采用单片微处理器来作为应用系统的中央处理器。单片微理器具有集成度高，系统结构简单，应用灵活，处理功能强，运算速度快等一系列优点，这就使单片机为基础的应用系统容易做到体积小，性能好，价格便宜，易于产品化。 目前单片机种类繁多，有8位机的intel mcs-51系列，pic系列等，16位单片机有intel mcs-96系列等。在本设计中，8位单片机就能满足系统的设计需要。目前的8位单片机中，以intel mcs-51系列单片机的品种最多，接口芯片以及应用软件也非常丰富。在选择mcs-51系列单片机芯片时，在成本允许的情况下，尽可能地选用集

7、成度高的微处理器。ateml公司推出的89s52低功耗单片机，高性能的8位coms单片机。它内部集成了8k的flash程序存储器，这种flash存储器可以反复擦除10000次之多，将使程序调试非常方便。同时at89s52具有128字节内部ram, 32位输出/输入口线，3个16位定时器/计数器，6个中断源2级中断处理能力，具有休眠和掉电两种节电模式。从系统的各个方面考虑，选用at89s52单片机作为遥控接受系统的中央处理器，它应该完全能够满足系统的需要4。2.3 总体设计档位选择a/d转换电路at89s52555方波产生电路显示电路 图2-1 总体设计框图系统总体设计框图如图2-1所示，工作原

8、理：输入的电压经档位判断选择量程，高电压在进入/转换电路前还需进行适当的衰减，在衰减到一定范围时由icl7135将模拟电压转换成数字量输出送单片机处理。icl7135每次往单片机送数时都会产生一个负脉冲，该脉冲向单片机外中断0提出申请，单片机转向执行中断程序，单片机通过软件控制对数据进行处理，数据从p2口输出，送入显示电路显示。a/d转换芯片所需的时钟信号由555多谐振荡器产生。第三章 系统硬件结构设计 3.1 硬件系统设计原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如rom、ram、i /o口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求

9、时，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、a/d、d/a转换器等，要设计合适的接口电路。在本系统中，at89s52单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。按系统功能需求，需要配置固定档位、led显示等。3.2 a/d转换电路a/d 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用双积a/d 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。3.2.

10、1 双积分a/d转换器的工作原理双积分式ad转换器又称双斜率a/d转换器，其原理如图3-3（a）、（b）所示。它主要由运放a构成的反相积分器、过零电压比较器co、控制逻辑电路、时钟、和二进制计数器等部分组成。其工作过程分为采样和比较两个阶段。 转换指令输入，转换开始，先进入采样阶段，s2断开，s1接ui，输入信号ui加到反相积分器输入端，其输出端电压uo从零开始增加（极性与ui相反）。同时启功n位二进制计数器对时钟脉冲从零开始计数。当计数到预定时间t1，计数器计数值位n1时，则产生溢出脉冲使计数器复零，并在控制逻辑控制下s1接到-vref，使ui反极性的基准电压-vref加到反相积分器输入端，

11、积分器对-vref积分，其输出端电压从u0开始下降，从新启动计数器，进入比较阶段。在经过时间t2后，u0下降到零，过零比较器输出端产生跳变信号，经控制逻辑关上计数门，停止计数，此时计数器值为n2。比较阶段结束1。 根据上述原理计数器中所计的二进制数值：n2=（n1/vref）ui (3-1) 图3-3（a） 双积分式a/d转换器 图3-3（b） 双积分式a/d转换器3.2.2 icl7135芯片介绍icl7135c 是德州仪器公司高效率 cmos 工艺制造。这种41/2数位、双斜率积分（dual-slope-integrating）模拟-数字转换器是为提供与微处理器和可视显示二者的接口而设计的

12、。数字驱动输出端d1至d4以及多路复用的二十进制码bcd输出端b1、b2、b4和b8，提供适用于led或lcd译码器/驱动器和微处理器的接口。一、icl7135的引脚排列如图3-4所示 vcc-：负极性电源ref：基准电压输入anlgcommon：模拟接地 intout：接输入电容autozero：接自动调零电容buffout：共模抑制输出cref-：基准电容负极cref+：基准电容正极in-：信号输入图3-4 icl7135引脚排列 in+：信号输出vcc+：正极性电源 b1、b2、b4、b8：多路复用bcd码输出端 d1d5：数字位驱动输出端 busy：信号积分忙输出 clk：时钟信号输入

13、 polarity：信号正负极性输出 dgtlgnd：数字接地端 run/hold：a/d转换使能端strobe：负脉冲输出overrange：过电压输出underrange：欠电压输出二、icl7135的推荐工作条件见表3-1所示表3-1 icl7135推荐工作条件注释：1. 时钟频率范围扩展低至0hz。3.2.3 icl7135与单片机连接在icl7135与单片机系统进行连接时，使用并行采集方式，要连接bcd码数据输出线，可以将icl7135的/stb信号接至at89c52的p3.2（int0）。icl7135的外围接线图和与单片机的连接如图3-8所示。电压表在测量前先调节vref，确保i

14、cl7135的2管输入电压为1v。由图可知：/stb（26脚）脚接单片机外中断0，b1、b2、b4、b8接p0口的0-3脚。当位选信号dn有正脉冲输出时，在正脉冲的中间时刻/stb便产生负脉冲，单片机响应中断，p0口接收转换结果bcd码。采用动态扫描方式接收，d5、d4、d3、d2、d1分别对应万位、千位、百位、十位、个位。当位选信号d5=“1”时，bcd码为万位数的内容，d4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。a/d转换使能端r/h接p0.0，当p0.0为高电平时，a/d转换开始。or、pol分别接单片机的p3.4、p3.3，因此单片机可以通过读取p3口的状态就能判断电压的过载、欠载和极性

15、。icl7135内部不能产生时钟信号，需外部时钟接入；负极性电压v-（1脚）采用电源极性反向电路，这两部分电路将会在下面的小节中做介绍。图3-8 icl7135与单片机连接图3.3 电压反向电路 icl7660 是一dc/dc 电荷泵电压反转器专用集成电路芯片。采用成熟的al栅cmos工艺及优化的设计芯片，能将输入范围为+1.5v 至+10v的电压转换成相应的-1.5v至-10v 的输出并且只需外接两只低损耗电容无需电感，降低了损耗面积及电磁干扰。芯片的振荡器额定频率为10khz， 应用于低输入电流情况时可于振荡器与地之间外接一个电容从而以低于10khz 的振荡频率正常工作。芯片引脚及引脚符号

16、描述： nc ：无连接cap+： 外接电容+gnd ：接地cap-： 外接电容-vout： 输出low voltage ：低电压选择osc ：振荡器外接电容图3-9 7660引脚图 v+ ：输入电 图3-10 7660电压反向器原理图如图3-10所示，7660 与两个的电解电容c1、 c2 一起构成了负压电路。工作原理：在脉冲的前半周期，开关1、3 闭合（此时开关2、4 断开）电容c1 被充电至v+；在脉冲的后半周期，开关1、3 断开而2、4 闭合，于是向c2 充电在输出端得到负压-v+。芯片中的调压器模块是一个防自锁电路。它的固有压降会使低压工作性能变差。所以，低工作电压时应将lv 脚接地以

17、屏蔽该调压器，而当工作电压高于3.5v 时则必须开路以确保电路处于防自锁状态。icl7660的应用电路如图3-11所示图3-11 icl7660的应用电路图图3-11是能将输入范围为+1.5v 至+10v 的电压转换成相应的-1.5v 至-10v 的输出的应用电路。若v+=+5v 空载时的输出电阻约为100欧姆；负载电流大小为10ma 时输出电压约为-4v。3.4 数码显示模块电路 根据设计，选择自动轮流显示模拟通道数，以及8路模拟电压数值，根据功能要求，结合实际的布局布线复杂程度及调试的难易程度，为简化电路起见，在设计中我们采用了动态显示，并用四个连接的共阳数码管取代了单个的数码管，以做到调

18、试简单，实现容易。由于根据数码管的参数要求，要求其驱动电流在10ma20ma之间，在电路中采用74ls573来驱动四个数码管；在本设计中段码显示是由p2口进行输出。硬件电路图如图3-12所示。同样为了简化电路，且充分利用单片机的资源，采用了软件译码代替硬件译码的方式，来进行数值显示。由于人眼的视觉暂留时间为0.1s（100ms），所以每位显示的间隔不能超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮，在本设计中每位数值的显示时间为1ms，一个通道的数值显示包括了通道数及电压数值轮流显示，共轮番显示255次，所以每个通道的停留时间为1s。图3-12 数码显示模块电

19、路3.5 输入电路图3-13 衰减输入电路第四章 系统的软件设计软件是整个控制系统设计的核心，要求具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。在硬件结构一定的情况下，只要改变软件就能实现一些不同的功能。单片机所具有的智能功能要由软件来完成。在本设计中，软件结构采用模块化设计方法，分为显示程序和中断处理程序（应该不止这两个模块）。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护将遥控接收器所要完成的功能分别编写和调试。 4.1 系统主程序设计开始初始化ad转化结束进入外部中断？从p0口读取数据结束第五章 制作与调试5.1电路的仿真与分析根据附录二利用protues软件完成数字电压表的原理

20、图连接，并对其编译和仿真。得到的仿真结果如下：图5-1 测试的电压值图5-2 实际输入电压值5.2 调试5.2.1 软件调试本系统是用c语言来编写的，采用keil软件进行编译，采用模块化编程方式，对各模块分别进行调试。在调试时首先检查出语法错误，如少一个短号，指令写错等。改正后重新编译，未出现问题，编译成功。再加上功能检查等描述。5.2.2 硬件调试在检查实物的布线图及元器件的焊接都无误后，调试过程中出现以下问题：1.icl7135不能正常工作，a/d转换不正常，无bcd码输出，检测后发现电压转换器的输出电压只有-1.5v，没有达到-5v值，查找资料后发现是icl7660的外围电路出错，改正后

21、基本能达到-5v的输出。2.icl7135无时钟信号输入，原来分频器输出端与信号输入端是用跳线连接，检测后发现是电路虚焊所致。连接好后，7135能正常工作，用示波器检测各管脚信号，正常。3.数码管上无法显示电压的数值，检测7135的转换输出发现有信号，由此判定是软件的问题，检查后发现程序中未将转换结果送出显示。4.实际转换精度和理论值之间差距较大，原因是基准电压不准确，调准好基准电压后，转换精确度提高。结 论通过这两周的课程设计使我学到了很多，在此次课设期间我借阅了大量关于电压表方面的设计资料，学到了很多关于数字电压表电路的知识。由于是初次实用proteus仿真软件，操作起来不是很熟练，但经过

22、这次课程设计使我初步学会实用这款软件，相信这次的课设在我以后的工作和学习中一定会让我受益匪浅。我认为做每一样事情结果并不是最重要的，过程是最重要的。本次课设也一样，用什么样的态度去做课设就决定了你对学习的态度，或许自己做出来的电路不是最完美的，但在课设的过程中，自己去思考去琢磨，这带我我一大笔财富。因为课设培养了我认真的态度以及坚定的信念。我非常感谢此次指导我的课设老师，老师给了我很多思路以及建议，再加上通过自己的分析设计及调试让我能最终设计出具体的符合要求的电路。在此次课程设计的过程中也看到了我自身的不足，如以前学习的原理知识掌握不踏实，曾经学过的知识如今却不会应用。我们即将踏入大三，还要经

23、过两次课设，这次课设提供给我很多的锻炼机会来培养自己实践能力，对于以后的课设很有帮助。同时我觉得此次课设让我所感悟到的对我今后在社会的发展，将产生很大的影响。参考文献1 吴运昌.模拟集成电路与应用m.广州:华南理工大学出版社,2006:251-268.2 张永瑞，刘振起，杨林耀.电子测量技术基础m.西安：西安电子科技大学出版社，2007：188-231.3 李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础m.北京：北京航空航天大学出版社，2007：76-87.4 彭为. 单片机典型系统设计精讲实例m. 电子工业出版社，2006. 5: 275-297.5 何立民. mcs-51系列单片机应用系统设计m. 北

24、京航空航天大学出版社，1990.6 曹彦平, 马庆勇.基于51单片机的数字电压表n.电子报,2008-04-20(014).7 贾培军, 董军堂.一种量程自动切换数字电压表的设计j.山西电子技术,2007，（6）:10-12.8 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,2006,(1):20-28.9 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计m.北京:北京航空航天大学出版社，2007.51-63.10 章公器. ad转换芯片7135与微机接口的简便方法j.电子与自动化,2006，(06),14-1612 廖钜锋. 7135在智能电压/电流表中的应用j.中国仪器仪表,

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26、.,2006.16 db/ol./ icl7135.pdf附录一 源程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit u1=p3 0;/第一个锁存器，表示显示的值sbit u2=p3 1;/第二个锁存器，表示显示在第几个数码管sbit rh=p37;/启动或关闭adsbit pol=p33;/正负极性判断sbit ovr=p34;/过量程报警端sbit busy=p35;/转换标志位uchar temp=0,i,aa=0;uchar num5=0,0,0,0,0;uchar we