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文档简介

1、燕山大学课程设计说明书摘要2第一章引言3第二章设计原理及要求4第三章硬件设计思路及原理图43.1 系统总体设计框图43.2 AD转换电路53.3 AT89C51的功能介绍6第四章软件仿真电路设计 104.1 设计思路104.2 仿真电路设计图104.3 设计过程114.4 LED 数码管的控制显示 12第五章系统软件程序的设计 135.1 主程序设计135.2 A/D 转换子程序135.3 中断显示程序14第六章 电压表的调试及性能分析 156.1 调试与测试156.2 性能分析16程序17总结22摘要在电路设计中我们时常会用到电压表,过去大部分电压表 还是模拟的,虽然精度较高但模拟电压表采用

2、用指针式,里面是 磁电或电磁式结构,所以响应较慢。为适应许多高速信号领域目 前已广泛使用数字电压表。本设计是基于Atmel51单片机开发平 台和自动控制原理的基础上实现的一种数字电压表系统。该系统采用Atmel89C52单片机作为控制核心,以ADC0809为数据采样 系统,实现被测电压的数据采样;使用系列比较器检测输入电压 的范围,并通过继电器阵列实现了输入量程的自动转换;使用共 阴极数码管显示被测电压。关键词:单片机、电压检测、模数转换第18页共22页第一章前言电子电压表主要用于测量各种高、低频信号电压,它是电子 测量中使用最广泛的仪器之一。根据测量结果的显示方式及测量 原理不同,电压测量仪

3、器可分为两大类:模拟式电压表 (AVM和 数字式电压表(DVM。模拟式电压表是指针式的,多用磁电式 电流表作为指示器,并在表盘上刻以电压刻度。数字式电压表首 先将模拟量经模数(A/D)转换器变成数字量,然后用电子计数 器计数,并以十进制数字显示被测电压值。众所周知,模拟电压表精度较高,曾经有很广阔的市场,现 在依然有不少工程师依然在使用模拟电压表。 的确模拟电压表在 显示测量值方面精度校准,然而却也存在问题。模拟电压表采用 用指针式,里面是磁电或电磁式结构,所以其响应速度较慢。然而在高速发展的当今社会,高速信号处理的需求越来越 多,由于模拟电压表响应速度较慢已经不适用与高速信号领域, 取而代之

4、的将是数字电压表。但数字电压表由于存在采样误差, 精度不是很高。不过目前可以通过技术手段来缩小误差。 使其精 度达到与模拟电压表一样精确甚至更高。 可见将来数字电压表必 将取代模拟电压表。现在有越来越多的数字测量仪器的出现但原 理皆与数字电压表殊途同归,因此研究数字电压表有着很大现实 意义。第二章设计原理及要求本设计是利用单片机AT89C51设计一个数字电压表,测量0 5V之间的直流电压值,四位数码显示。2.1数字电压表的实现原理ADC0808是 8位的A/D转换器。当输入电压为5.00V时,输 出的数据值为255 (0FFH,因此最大分辨率为0.0196 (5/255)。 ADC0808具有

5、8路模拟量输入端口,通过 3位地址输入端能从8 路中选择一路进行转换。如每隔一段时间依次轮流改变 3位地址 输入端的地址,就能依次对8路输入电压进行测量。LED数码管 显示采用软件译码动态显示。通过按键选择可对8路循环显示,也可单路显示,单路显示可通过按键选择显示的通道数。2.2数字电压表的设计要求可以测量05V范围内的直流电压值。在4位LED数码管上 显示电压值,LED数码管显示电压值,显示范围为0.00V5.00V。 要求测量的最小分辨率为0.02V。第三章硬件设计思路和原理图3.1 系统总体设计框图本系统采样Atmel89C51单片机作为控制核心,以ADC0808为数据采样系统,实现被测

6、电压的数据采样;使用系列比较器检 测输入电压的范围,用共阴极数码管显示结果。输入电压电压检测显示电路51单片机AD转换3.2 AD转换电路利用ADC0808乍为AD数据采样器件,ADC0808是CMO单片型逐次逼近式A/D转换器它由8路模拟开关、地址锁存与译 码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。ADC0808 的工作过程是:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地 址锁存器中。此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/ D转换, 之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到 A/ D转换完 成, EOC变为高电平,

7、指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存 器,这个信号可用作中断申请。当 OE输入高电平 时,输出三态 门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0808各个管教功能:IN0IN7: 8路模拟量输入端。2-12-8 : 8位数字量输出端。ADDA ADDB ADDC 3位地址输入线,用于选通 8路模拟输 入中的一路ALE地址锁存允许信号,输入,高电平有效。START A/D转换启动信号,输入,高电平有效。EOC A /D转换结束信号,输出,当 A/ D转换结束时,此 端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。OE数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才

8、能打开输出三态门,输出数字 量。CLK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZREF( +)、REF(-):基准电压。Vcc:电源,单一+ 5V。GND 地。3.3 AT89C51的功能介绍3.3.1简单概述AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPERO Flash Programmable and Erasable Read OnlyMemory )的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器,俗称单片 机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器 的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造

9、技术制造, 与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。 AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高 且价廉的方案。外形及引脚排列如下图所示。U1Hz-5- TXTAL1PO.O/ADOPO1XAD1PO.2/AD2XTAL2PO3/AD3PO.4/AD4POSADSP06/AD6RSTPO.7/AD7P2 0/A8P2.1/A9P2 2/A1 0PENP2JAK11ALEP2.4/A12EAP2.5AMI3P2.B/A14P2 7/A15

10、PI .0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2MT0P1.3P3.3/1NT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1 6P3.6/WRP1 7P3.7/RD-0C5T -PROGRAM EST hex0 1 rz37h35p35h3斗冀iV21b1V22h2$Vji25I2$ii27t益10h b P|hn_L2 1339 :_LX:15 :15 ;17 3.3.2主要功能特性(1) 4K字节可编程闪烁存储器。(2) 32 个双向 I/O 口; 128 X 8 位内部 RAM。0-24(3) 2 个16位可编程定时/计数器中断,时钟频率MHz(4) 可编程串行通道

11、。(5) 5个中断源。2个读写中断口线。(7) 低功耗的闲置和掉电模式。(8) 片内振荡器和时钟电路。3.3.3 AT89C51的引脚介绍89C51单片机多采用 40只引脚的双列直插封装 (DIP)方 式,下面分别简单介绍。(1)电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc(40引脚):+5V电源。GND(20引脚):接地。时钟引脚XTAL1(19引脚):片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路 的输入端。XTAL2(20引脚):片内振荡器反相放大器的输出端。复位RST(9引脚)在振荡器运行时,有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此引脚时,将使单片机复位,只要这个脚 保持高电平,51

12、芯片便循环复位。 EA/Vpp(31 引脚)EA为外部程序存储器访问允许控制端。当它为高电平时,单片机读片内程序存储器,在 PC值超过0FFFH后将自动转向外 部程序存储器。当它为低电平时,只限定在外部程序存储器,地 址为0000HFFFFH Vpp为该引脚的第二功能,为编程电压输入 端。(5)ALE/ PROG (30 引脚)ALE为低八位地址锁存允许信号。在系统扩展时,ALE的负跳沿江P0 口发出的第八位地址锁存在外接的地址锁存器,然后再作为数据端口。PROG为该引脚的第二功能,在对片外存储器 编程时,此引脚为编程脉冲输入端。(6) PSEN (29 引脚)片外程序存储器的读选通信号。在单

13、片机读片外程序存储器 时,此引脚输出脉冲的负跳沿作为读片外程序存储器的选通信 号。pin39-pin32 为P0.0-P0.7输入输出脚,称为 P0 口。P0是一个8位漏极开路型双向I/O 口。内部不带上拉电阻, 当外接上拉电阻时,P0 口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻,用来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存储器时,P0 口是分时转换的地址(低8位”数据总线,不需要外接上拉电阻。(8) Pin 1-Pin8 为P1.0-P1.7输入输出脚,称为 P1 口,是一个带 内部上拉电阻的8位双向I/0 口。P1 口能驱动4个LSTTL负载。(9) Pi

14、n21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚,称为 P2口。P2 口是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O 口,P2 口能驱 动4个LSTTL负载。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电 平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地 址和控制信息。在访问外部程序和 16位外部数据存储器时,P2 口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引 脚上的内容在此期间不会改变。(10) Pin 10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚,称为 P3 口。P3 口是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O 口,P2 口能驱 动4个LSTTL负载,这8个引脚还用于

15、专门的第二功能。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时,接控制信息。第四章软件仿真电路设计4.1设计思路多路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和按键处理电路组成,由于ADC080在进行A/D转换 时需要有CLK信号,本试验中ADC0808勺CLK直接由外部电源提 供为500kHz的方波。由于ADC0808勺参考电压 VREM VCC所以 转换之后的数据要经过数据处理,在数码管上显示出电压值。实 际显示的电压值(D/256*VREF) ADC080睬用逐次逼近法转换,把 模拟电压转换成16进制的D,由于是对直流电压05

16、V进行采集, 所以D对应的电压为V0 ,我们的目的就是要把 V0显示在LED 显示器上,因为单片机不好进行小数点计算,所以有:V0=2*D扩大了 100倍,扩大100倍后的结果高八位放寄存器 B,低八位 放寄存器A,分寄存器B为0或不为0的情况进行存取数据,得 到的结果个位放入 R0,十位放入R1,通过查表使之显示在 LED4.2仿真电路图用Protues软件仿真设计的电路如图4-1所示Kd1KTAI.IIF 口皿 1:口 ra.iMDi HJMMTHl “Dd际旳尉旺pzma:FZ.IMFTEiALE忸心口FT卫P l.lrxr.T:BFIZTNinrFIJFl.-tHDHJfP3-T1PM

17、fSrrraPH町rnrClK K t HTTaUourraomOBTTb OliTEAl b GOITTE eraOB3GHCAlb AIVREIP-I VREW图4-14.3设计过程简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等 组成。电路原理图见附录2。A/D转换由集成电路0808完成o 0808 具有8路模拟输入端口,地址(23-25)脚可决定对哪路模拟输入 作A/D转换,22脚为地址锁存控制,当输入为高电平时,对地址 信号进行锁存。6脚为测试控制,当输入一个2us宽高电平脉冲 时,就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志,当A/D转换结 束时7脚输出高电平。9脚为A/D转换

18、数据输出允许控制,当0E 脚为高电平时,A/D转换数据从该端口输出。10脚为0808的时钟输入端,由外部信号源提供。单片机的 P1、P3.0-P3.3端口作 为四位LED数码管现实控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示 转换按钮,P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D 转换数据读入用,P2端口用作0808的A/D转换控制。4.4 LED数码管的控制显示LED数码管的模型LED数码管模型如图4-6所示bLI4-6LED数码管模型LED数码管的接口简介LED的段码端口 AG分别接至AT89C51的P0.0P0.7 口,位选端14分别接至P2.0、P2.1、P2.2、P2.3。第五章

19、系统软件程序的设计多路数字电压表系统软件程序主要有主程序、A/D转换子程 序和中断显示程序组成。5.1主程序主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和相应外部0中断显示电压数值程序,初始化部分包含存放通道的缓 冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外,对于单路显示和循 环显示,系统设置了一个标志位00H控制,初始化时 00H位设置为0,默认为循环显示,当它为 1时改变为单路显示控 制,00H位通过单路、循环按键控制。流程图如图4-1所示。初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序图4.1数字式直流电压表主程序框图5.2 A/D转换子程序A/D转换子程序用于对 ADC0808的4路输入模拟电压进 行A

20、/D转换,并将转换的数值存入 4个相应的存储单元中,A /D转换子程序每隔一定时间调用一次,即隔一段时间对输入电压采样一次。5.3中断显示程序设计中采用中断的方式来读取转换完成的数据能节省 CPU勺 资源当系统设置好后,一旦数据转换完成,便会进入外部中断0, 然后在中断中读取转换的数值,处理数据并送数码管显示输出。LED数码管采用软件译码动态扫描的方式。在中断程序 中包含多路循环显示程序和单路显示程序,多路循环显示程 序把4个存储单元的数值依次取出送到4个数码管上显示,每一路显示一秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进 行显示。每路数据显示时需经过转换变成十进制BCD码,放于4个数码管显示缓

21、冲区中。单路或多路循环显示通过标志 位00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按 键的判断。图4-3中断显示程序流程图第六章电压表的调试及性能分析6.1调试与测试本设计应用Proteus及KEIL软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus软件画出电路模型,关于这个软件的使用通过查一些资料和自己的摸索学习;然后我们用 KEIL软件对所编写的程序进 行编译、链接,如果没有错误和警告便可生成程序的 hex文件,图6-1数字电压表与标准电压表的比较从图中可以看出,简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02V以内,这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相一致,在一

22、般的应用场合可以完全满足要求6.2性能分析由于单片机为8位处理器,当输入电压为5.00V时,输出数 据值为255( FFH因此单片机最大的数值分辨率为0.0196V(5/255 )。这就决定了该电压表的最大分辨率(精度)只能达到0.0196V。测试时电压数值的变化一般以 0.02V的电压幅度变化, 如要获得更高的精度要求,应采用12位、13位的A/D转换器。简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大 0.01-0.02V。这可以通过校正0808的基准电压来解决,因为该 电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压,电压可能 有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。ADC0808勺直流输入阻

23、抗为1M欧姆,能满足一般的电压测试 需要。另外,经测试 ADC0808可直接在2MHz的频率下工作,这 样可省去分频率14024。程序LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HLED_3 EQU 33HADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7ORG 00HSJMP STARTORG 0BHLJMP INT_T0START: MOV LED_O, #00HMOV LED_1, #00HMOV LED_2, #00HMOV P2, #0FFHMOV DPTR, #TABLEMOV TM

24、OD, #02H;采用定时器2实现11 us的定时MOV TH0, #245MOV TL0, #00MOV IE, #82HSETB TR0WAIT: CLR ST;此语句到第三条语句为启动 A/D转换SETB STCLR STJNB EOC, $;查询A/D转换是否结束SETB OE;允许输出MOV ADC, P1 ; A/D转换结果存入 ADC也即卩35H单元中CLR OE;关闭输出MOV A, ADCMOV B, #51;A/D转换数据转BCD码DIV ABMOV LED_3, AMOV A, B;整数位存入LED_3也即33H单元中CLR F0SUBB A,#1AH燕山大学课程设计说明

25、书MOV A,#10MOV A,#10MUL ABMOV B,#51DIV ABJB F0,BCD1ADD A,#5BCD1:MOV LED_2,;小数点后第一位存入 LED_2也即32H单元中MOV A, BCLR FOSUBB A,#1AHMOV F0,CMOV A,#10MUL ABMOV B,#51DIV ABJB F0,BCD2ADD A,#5BCD2:MOV LED_1 ,;小数点后第二位存入 LED_1即卩31H单元中MOV A, BCLR F0SUBB A,#1AHMOV F0,CMUL ABMOV B,#51DIV ABJB F0,BCD3ADD A,#5BCD3:MOV LED_0;小数点后第三位存入 LED_0即30H单元中LCALL DISPLJMP WAITINT_T0: CPL CLOCK ;给A/D转换器提供时钟RETIDISP: MOV A, LED_0MOVC A, A+DPTR ;查询小数点后第三位段码CLR P2.3MOV P0, A ;显示小数点后第三位LCALL DELAYSETB P2.3MOV

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