基于單片機的數字電壓表設計_畢業設計(論文)-文庫吧

【正文】 理輸出、驅動顯示等幾個功能模塊組成。 各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分詳細介紹；程序的設計使用 C 語言編程，利用 Keil 軟件對其編譯和仿真，詳細的設計算法將會在程序設計部分詳細介紹。 系統框圖（圖 21）如下： 圖 21 電壓表系統框圖 被測直流電壓由 A/D 轉換單元采集后被量化，再由單片機對 A/D 轉換的結果進行標度變換，得到被測電壓的數值，通過單片機對數次轉換結果求平均值、并通過 SOI 串行數據接口把所求平均值輸出給顯示驅動單元，由該單元完成譯碼，并驅動數碼管顯示。 數字式電壓表工作過程簡介 電壓表 的數字化是將連續模擬的電壓量經 A/D轉化后變為不連續的離散的數字量并加以顯示 [7]。在設計過程中采用分模塊設計， 把電路分 A/D 轉換、數據處理輸出、驅動、顯示四個單元，分別設計。 A/D 轉換器選用的是 八位模 /數轉換器 ADC0809。其次，計算機中的數字都是十六進制數，而我們習慣于十進制數的讀寫，因此，在軟件設計中則要把十六進制數轉換成十進制數。在顯示的時候也是如此。本裝置的輸出用四位 LED 顯示，因此在軟件設計中還要解決數字輸出與 LED 的接口問題。硬件則需要將輸出線接到八段數碼管上 [8]。 數值顯示 采用八段數碼管，由單片機以動態掃描方式驅動，在此方式下能保證足夠的亮度和較長的使用壽命。 ADC0809 的 REF（ ）接地， REF（ +）接電源 +5V，因此采集電壓的范圍是 0～ 5V，A/D 轉換輸出的結果 D0～ D7 為 8 位二進制數。轉換輸出的結果在 0～ 255 之間分別對應著 0～ +5V 之間的 256 個電壓值，因此單片機必須把 A/D 轉換輸出的結果轉換成可以顯示的電壓值，具體的方法是： 5255 ?? DoutVin被測電壓 A/D 轉換 單元 數據處 理單元 顯示驅 動單元 顯示 單元 10 由上公式可知：當 ADC0809 輸出為（ 11111111） B時，輸入電壓值 VIN=；當ADC0809 輸出為（ 00000000） B 時，輸入電壓值 VIN=；當 ADC0809 輸出為（ 10000000） B 時，輸入電壓值 VIN=，但是單片機在進行數學運算時結果只讀取整數部分，因此當輸出為（ 10000000） B 時計算得來的電壓值 VIN=。由此可以看出這樣運算的輸出結果很不準確，在 0～ +5V 之間只有 0， 1， 2， 3， 4， 5 六個電壓值，所以必須把單片機運算結果中的小數部分保留下來 [8]。具體方法是：如果保留小數點后兩位，在運算的時候分子乘以 100，保留三位就乘以 1000。小數點后保留兩位的公式如下： （ ） 軟件程序設計簡介 開機后首先初始化，使數碼管顯示為“ ”然后調用 A/D 轉換子程序啟動 A/D轉換器，單片機等待查詢轉換結束信號，如果有信號則通過并行口讀取轉換數據并存儲，就這樣連著讀取五次數據后求平均值，再按上面的方法通過串行口把數據傳輸出，經譯碼在數碼管顯示。具體方法和程序見程序設計部分和附錄。 51 1 0 0 01 0 0 052 5 5 ????? Do u tDo u tV i n 第三章 硬件電路設計 A/D 轉換電路 A/D 轉換芯片的選擇 A/D 轉換 器是模擬量輸入通道中的一個環節，單片機通過 A/D 轉換器把輸入模擬量變成數字量再處理。 隨著大規模集成電路的發展，目前不同廠家已經生產出了多種型號的 A/D 轉換器，以滿足不同應用場合的需要。如果按照轉換原理劃分，主要有 3 種類型，即雙積分式A/D 轉換器、逐次逼近式 A/D 轉換器和并行式 A/D 轉換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。 雙積分式 A/D 轉換器具有抗干擾能力強、轉換精度高、價格便宜等優點，比如ICL71XX 系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分相比，逐次逼近式 A/D 轉換的轉換速度更快，而 且精度更高，比如 ADC080 ADC0809 等，它們通常具有 8 路模擬選通開關及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統連接，將數字量送單片機進行分析和顯示 [9]。 本設計中，要求精度小于 %，則選用分辨率為 8 位的芯片，如 ADC0809，ADC0801， ADC0808 就能滿足設計要求。本電路采用 ADC0809。 ADC0809 內部邏輯結構 8路模擬量開關 地址鎖存器與譯碼器 8 路A/D轉換器 三態輸出鎖存器 INT0 INT1INT2INT3INT4INT5INT6INT7 A B C ALE OE EOC START CLK VREF（ +） VREF（ — ） D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 12 被測電壓 ui Us CP GO ADIF=1 數字量輸出 圖 31 ADC0809內部邏輯結構 ADC0809 的工作原理 ADC 是一種基本的外圍擴展器件，其種類很多，工作原理也不僅相同，比較有代表性的是：單積分型，雙積分型，脈寬調制型和逐次比較型（逐次逼近型）。從產品性價比、轉換速度和精度等方面綜合分析，逐次比較型 ADC 是相對應用比較廣的類型之一。所以有著廣泛的應用 [10] 逐次逼近型 ADC 實際采用的方法上從高到底開始逐位設定，比較模擬量輸出，再來確定原設定位的正確與否。逐次比較型 ADC 原理結構如圖 32 所示。其主要由采集保持電路、電壓比較器、逐次比較寄存器、數 /模轉換器 ADC 和鎖 存器等部分組成。 圖 32 逐次比較型 ADC原理結構 其工作原理如下： 首先，被測模擬電壓 ui通過逐次比較寄存器，將傳遞進的脈沖 CP 信號轉換成數字信號，該數字量再經過數 /模轉換器生成對應的模擬量 Us。當獲得模擬量 Us 的數值 達到并接近被測電壓所對應 ui 后，就可以檢測出電壓比較器完成最后的反轉。此時，逐次比較積存器的計數值就是被測電壓 ui 所對應的數字量，從而完成模擬量的轉換。以上的分析表明，逐次比較的模 /數轉換方法，歸根到底是數 /模轉換，采用逐 次與模擬量進行比較后得到最終的數字標定值 [11]。 ADC0809 芯片介紹 ADC0809 是一種 8 位逐次逼近型 A/D 轉換器。帶 8 個模擬量輸入通道，芯片內有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態數據鎖存器，啟動信號為脈沖啟動方式，每個通道的轉換時間大約為 100μ s，可以和單片機直接接口 [9]。 IN0— IN7： 8 條模擬量輸入通道。 ADC0809 對輸入模擬量的要求是信號單極性，電壓范模 /數轉換 寄存器 逐次比較 寄存器 + — 圍是 0— 5V，若信號太小，必須進行放大：輸入的模擬量在轉換過程中應保持不變，如若模擬信號變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電 路。 地址輸入和控制線： 4 條， ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉化器進行轉換。 A， B， C 為地址輸入線，用于選通 INO— IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表 31 地址碼 對應的輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 表 31 數字量輸出及控制線： 11 條。 START 為上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行 A/D 轉換：在轉換期間， START 應保持底電平。 EOC 為轉換結束信號。當 EOC為高電平時，表明轉換結束：否則，表明正在進行 A/D 轉換。 OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。 OE=1，輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻狀態。 D7— D0 為數字量輸出線。 CLK 為時鐘輸入信號線。由于 ADC0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHz，最大不能超過 1280KHz[11]。 VREF（ +）， VREF（ ）為參考電壓輸入，決定了輸入模擬量的范圍。一般情況 VREF（ ）接地， VREF（ +）接 +5V 電源。 單片機簡介 單片機介紹 單片微型計算機簡稱單片機，又稱微型控制或嵌入式控制器，是將計算機的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機。單片機有著體積小，功耗低，功能強，性能價格比高、易于推廣應用等顯著優點，在自動化裝置、智能化儀器儀表、過程控制和家用電器等領域得到日益廣泛的應用。 采用 AT89C51 的原因 在眾多的 51 系列單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51 更實用，它是由北京集成電路設計中心在 MSC51 單片機的基礎上精心設計，由美國生產的至今為止世界上最新型的高性能八位單片機。它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短 [12]。 AT89C51 芯片主要性能參數 14 與 MCS— 51 產品指令系統完全兼容 4K 字節的可重 擦 寫 Flash 閃速存儲器 1000 次 擦 寫周期 全靜態操作： 0Hz– 24Hz 三級加密程序存儲器 128 8 字節內部 RAM 32 個可編程 I/O 口線 2 個 16 位定時 /記數器 6 個中斷源 可編程串行 UART 通道 底功耗空閑和掉電模式 圖 33 AT89C51 AT89C51 功能介紹 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內有 4K 字節的在線可重復編程快擦快寫存儲器，能重復 寫入 /擦除 1000 次，數據保存時間為十年。它與MCS51 系列單片機在指令系統和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統具有許多 MCS51 單片機，而且能使系統具有許多 MCS51 系列產品沒有的功能。 AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統，縮小系統體積，增加系統的可靠性，降低了系統成本。只要程序長度小于 4K，四個 I/O 口全部提供給用戶。可用5V 電壓編程，而且擦寫時間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比，不易損壞 器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬 ，全靜態工作，工作頻 率寬，在 0MHz24MHz 內，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz12MHz 更具有靈活性，系統能快能慢。 AT89C51 芯片提供三