综合电子系统课程设计报告

PAGE3-衡阳师范学院南岳学院报告评分批改老师物理与电子信息科学系 《综合电子系统》 课程设计报告简易数字电压表专业电子信息科学与技术 班级 学生姓名 指导教师 提交日期2011年6月9日目录TOC\o"1-3"\u1 设计任务 -2-1.1 设计题目及要求 -2-1.2 备选方案设计与比较 -2-1.2.1 方案一 -2-1.2.2 方案二 -2-1.2.3 各方案分析比较 -2-2 系统硬件平台的设计 -3-2.1 总体设计方案说明 -3-2.2 模数转换电路 -3-2.2.1 模块电路及参数计算 -3-2.2.2 工作原理和功能说明 -4-2.2.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） -5-3.1 显示电路 -6-3.2.1 工作原理和功能说明 -6-3.2.2 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） -7-4.1 单片机控制电路 -8-4.2.1 工作原理和功能说明 -8-4.2.2 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） -9-3 系统软件的设计与实现 -10-4.1 主程序流程图 -10-4.2 初始化 -10-4.3 A/D转换 -10-4.4 Proteus仿真软件简介 -11-4.5 仿真电路图 -12-4 安装调试与性能测量 -12-4.1 电路安装 -12-4.2 系统软、硬件调试 -12-4.2.1 硬件调试 -12-4.2.2 软件调试 -13-4.2.3 故障分析及处理 -13-课程设计总结 -14-设计任务设计题目及要求此次课程设计的课题是《简易数字电压表的设计》.本设计功能要求可以测量0~5v范围内的8路输入电压值，并在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示，并且其测量最小分辨率为0.02V。备选方案设计与比较方案一采用的是基于74系列逻辑器件方案设计数字电压表，74系列逻辑方案采用双积分电路+数码管显示电路+逻辑电路+定时采样电路+数据处理实现，被测电压信号由信号输入端加到测量系统，进行预处理后送到后级电路。方案二单片机系统方案，次方案按系统功能实现要求，控制系统采用STC89C52单片机，A/D转换采用ADC0809，4位LED数码管显示数字电压，被测信号由ADC0809模拟输入端输入，单片机采样转换数据，将数据送出显示。各方案分析比较数字电压表（DigitalVoltmeter）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。74系列逻辑方案电压表功能单一、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。本文设计了一款基于STC89C52单片机的数字电压表,设计中采用ADC0809双积分A/D转换电路，可实现直流0~5v的电压测量，并将测量结果通过4位LCD数码管进行显示。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强，系统采用C语言进行程序设计，并通过PROTEUS仿真实现。系统硬件平台的设计总体设计方案说明图2-1数字电压表电路结构图本设计采用STC89C52芯片和ADC0809芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0～5V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.02V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。模拟量输入到数据采样和A/D转换模块（ADC0809）后，转换为数字信号输入到数据处理及控制模块（STC89C52），同时STC89C52发出控制信号对ADC0809进行控制；最后，经过STC89C52对输入数字量进行处理并输出给数码管将其显示。模数转换电路 A/D转换模块：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再传送到数据处理模块。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。模块电路及参数计算 参数计算：由于本设计功能要求可以测量0~5v范围，所以将基准电压设定为5v。输入为5v时输出为11111111，所以一共可以将电压分为（28－1）份。所以单位电压为：5/（28－1）=0.1960784313725。符合测量最小分辨率为0.02V。图2-2ADC0809模块电路工作原理和功能说明图2-3ADC0809的内部逻辑结构ST为转换启动信号。当ST上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）图2-4ADC0809引脚结构图IN0～IN7:8路模拟量输入。ADDA、ADDB、ADDC:模拟量输入通道地址选择，其8位编码分别对应IN0～IN7.ALE:地址锁存允许，上升沿将通道选择信号存入地址锁存器。START:ADC转换启动信号，正脉冲有效，引脚信号要求保持在200ns以上，其上升沿将内部逐次逼近寄存器清零。EOC:转换解释信号，可做为中断请求信号或供CPU查询。CLK：时钟输入端，要求频率范围在10kHz～1.2MHz.OE：允许输出信号。Vcc:芯片工作电压。VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压的正、负值。OUT1～OUT8:8路数字量输出端。图2-53位地址输入线ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入(如图2-5)。显示电路 显示控制模块：主要由7段数码管及相应的驱动芯片组成，显示测量到的电压值。工作原理和功能说明图2-6LED内部结构图图2-7四位一体数码管示意图数码管的阴极管接地。当某段亮是，这段就必须接高电平。STC89C52的P1端口作为四位一体的数码管动态显示的段码控制，P1.4-7引脚连接四位一体LED数码管动态显示的位码。器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）图2-8四位一体数码管引脚图数值0123456789编码0x3f0x060x5b0x4f0x660x6d0x7d0x070x390x5e位选第一位第二位第三位第四位编码0x100x200x400x80单片机控制电路 单片机控制电路即数据处理模块，是由芯片STC89C52来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着ADC0809芯片的工作。工作原理和功能说明图2-9单片机功能结构框图单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器和对振荡频率有微调作用。通常取(30±10)pF石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。单片机的复位方式可由手动复位方式完成。电阻、电容器的参考值=10KΩ、=10uF、=0.01uF。器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）由于单片机体积小、重量轻、价格便宜，所以本系统采用STC89C52单片机，其原理图如图2所示。STC89C52的性能特点：·4K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路系统软件的设计与实现主程序流程图数字电压表程序设计主要包括A/D转换部分、LED显示、初始化。初始化系统上电，初始化程序将70H～77H内存单元清0，P2口置0。系统默认为循环显示8个通道的电压值，当进行一次测量后，将显示每一通道的A／D转换值，每个通道显示时间为1S。70H～77H内存单元存放采样值，78H～7BH内存单元存放显示数据，依次为个位、十分位、百分位、通道标志位。A/D转换A/D转换程序的功能是采集数据，在整个系统设计中占有很高的地位。当系统设置好后，单片机扫描转换结束管脚输入电平状态，当输入为高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描。程序流程图如图6所示。Proteus仿真软件简介Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点、近年来受到广大用户的青睐。仿真电路图图3-3Proteus仿真电路图安装调试与性能测量电路安装由于单片机的最小系统在去年已经做好，并且留出了扩展槽。所以这次只须将ADC0809和四位一体数码管焊接上电路，与单片机连接起来就可以实现我们的数字电压表设计。（1）将单片机的最小系统焊接出来，进行调试，检验是否能下载程序、进行电路复位、晶振是否起振。（2）扩展部分的焊接，在这采用了ADC0809作为扩展芯片。（3）焊接完后对电路进行调试，检查结果是否正确。系统软、硬件调试硬件调试硬件调试的主要任务是排除硬件故障，其中包括设计的错误和工艺性故障等。1.检查所设计的硬件电路板所有的器件和引脚是否正确，尤其是电源的连接是否正确；检查各总线是否有短路的故障。检查是否连接正确，为了保护芯片，应先对各IC座电位进行检查，确认无误后再插入芯片。2.将40芯片的仿真插头插入单片机插座进行调试，检查各接口是否满足设计的要求，有正常的程序测试硬件电路的好坏。软件调试软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序的错误，同时也能发现硬件的故障。软件调试是一个模块一个模块进行的。首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功能，接口电路的控制是否正常。最后调试整个程序。尤其注意的是各模块间能否正确的传递参数。1.检查数码管显示模块程序。在主程序中调用函数，观察在数码管上是否能够显示相应的字符。如果不能，则在相关的子程序中设计断点，反复调试直到能够显示。2.检查A/D转换模块程序。可以在硬件电路的输入端输入已知的几个电压，分别观察数码管上是否显示相应的电压值。3.检查数据的转换模块程序。可以拨动硬件电路的档位开关，输入相应的电压，观察数码管显示的电压值是否一致。如果一致。则数据转换的算法正确的。4.总调试。当相应的各模块环节都正确后，可程序下载到单片机。接上电源运行。再检查所有功能，观察是否能预期的一样。如果一样，说明设计成功完成。故障分析及处理（1）单片机的最小系统完成后，接上发现显示灯不亮。检查发光二极管是否接地或接电源，若都接了则检查晶振是否起振，电路是否短路或断路，结果发现忘记将发光二极管接地。（2）通电后发现数码管显示亮度不均匀检查与数码连接电路是否有误、短路或短路，若没有则检查74ls164驱动是否问题，经过仔细发现及测试，发现74ls164坏了，换了个芯片后即可显示均匀。（3）下载程序到单片机后，通电运行，发现怎么改变电压都没有变化且显示5检查ADC0809所对应的各个引脚有没有接错，若没有则通过将P1口置0，观察各个线路的显示结果，发现ADC0809芯片有问题，换了芯片后可正常显示。（4）现数码管显示的数字比较闪修改程序，调整扫描延时时间，即可改正。课程设计总结我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步的了解，但那都是一些理论的东西。通过这次简易数字万用表的课程