基于单片机的数字电压表仿真设计-毕业论文待修改

军械工程学院本科毕业论文基于Proteus的数字电压表的仿真设计火力指挥与控制工程指导教员：谢方方学员：李智蒂教学班次：42C0军械工程学院二○一五年六月基于Proteus的数字电压表仿真设计论文摘要摘要在现代检测技术中，传统的指针式电压表功能单一，精度比较低，难以满足现实需要。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。将检测到的数据送入微型计算机系统，完成计算、存储、控制功能。目前，数字电压表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，特别是在一些需要精度测量的实验中，数字电压表显示出了强大的生命力，以绝对的优势淘汰了指针式电压表，在现代高新技术时代获得了一席之地。本文中设计的数字电压表采用AT89C51单片机和ADC0808芯片转换器来实现硬件电路的设计，通过KeilC51实现软件编程，数字电压表可以测量0～5V的电压值，并在四位LED数码管上轮流显示。本次设计从硬件和软件两大块入手，紧紧围绕设计题目的要求，提高设计的效率，抓住最核心的部分，所设计出的数字电压表能够精确测量电压值，并且误差在允许范围内，基本达到了预期的效果。在设计中，不仅要对所使用的软件熟练掌握，而且要深入学习单片机的相关知识，对单片机和转换芯片各个引脚的功能弄清楚，这样才能成功连接硬件电路，完成设计的第一步。而后要学习好利用C语言进行编程，与转换芯片的转换原理结合，编出正确的程序，然后进行调试和仿真，最后将调试正确的程序嵌入单片机，实现硬件与软件的结合。关键词：单片机；数字电压表；A/D转换；Proteus；KeilC51李智蒂1.目录基于单片机的数字电压表仿真设计第1章绪论选题的意义是设计的目的，本次设计正是为了解决存在的问题而进行的。在国内外大的研究背景下，我们紧跟时代发展的脚步，致力于开发创新的道路，这一章主要介绍了这两个内容，同时简要介绍了设计所使用的工具。1.1研究的背景数字电压表出现在上世纪50年代，60年代末发展起来，它采用的是数字化测量技术。数字电压表之所以出现，一方面是为了实时控制和处理数据的要求；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的发展，为数字化仪表的出现提供了条件。因此，数字化测量仪表的出现与发展和电子计算机的发展是密切相关的。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，它的优点是准确度高，但是采样速度慢，体积大，后来又出现了谐波式电压表，它在速度方面稍有提高，但是准确度下降，稳定性差。再后来出现了比较式的改进型，它不仅继承了准确度高的优点，而且速度也有了较大提高，但是它抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响。随后，在谐波式的基础上引申出阶梯波式，它唯一的进步就是降低了成本，但是准确度、速度、抗干扰能力都没有提高。发展到数字电压表，各方面的性能都有了很大提高，读数速度达到每秒几万次，而且价格大大降低。上海乾丰电子仪器有限公司生产的PZ158A系列直流数字电压表，可以测量0.1uV~1000V直流电压，该表采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，采用八位LED显示。目前，实现电压数字化测量的方法主要是模数（A/D）转换，数字电压表种类较多，一般根据原理的不同大致分为：比较式、电压——时间变换式、积分式。1.2选题的意义1.1.数字电压表（DigitalVoltmeter)简称DVM，采用数字化测量技术，把连续的模拟基于Proteus的数字电压表仿真设计量转换成不连续、离散的数字形式显示出来的仪器。传统的指针式电压表精度较低，不能满足现实需要，而采用单片机实现的数字电压表就解决了这些问题，不仅提高了测量的精度，而且抗干扰能力强，可扩展性强。由数字电压表扩展而成的各种通用及专用数字仪器，已经把电量和非电量测量技术提高到崭新水平。在现代智能化发展的时代，高精度、高效率、低价位已经成为测量仪器的必须要求，如果达不到这些要求，那么这种仪器必将会被淘汰。数字电压表正是伴随着这种发展趋势应运而生，成为新一代测量仪表的佼佼者，同时也宣布了传统测量仪器的退出趋势。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，它很大程度上影响着数字电压表的精度，本文采用ADC0808对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。随着微机测量与控制技术的发展，以单片机为核心的数字电压表越来越占优势，单片机体积小、重量轻、价格便宜，大大降低了成本。数字化测量仪表的产生不仅革新了电子测量的繁琐与陈旧，同时加快了测量仪表向智能化发展的速度，成为必要的桥梁。与此同时，我们也看到数字电压表的发展还处于初期阶段，各项技术的应用还没有成熟，本次设计是在单片机的基础之上，借助各种软件和硬件实现数字电压表的仿真设计，为数字电压表的生产和实践提供了客观的理论依据。1.3设计的工具本次设计所使用的工具主要是Proteus和KeilC51两个软件，其中Proteus是由英国LabCenterElectronics公司开发的EDA工具软件，从1989年问世至今已有20年的历史，在全球得到广泛使用。它不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界上最先进、最完整的多种型号微处理器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机上完成原理图设计，电路分析与仿真，微处理器程序设计与仿真，系统测试与功能验证，到形成PCB的完整电子设计、研发过程。Proteus软件由ISIS和ARES构成，本次设计主要使用ISIS，它是一款智能原理图输入系统软件，可作为电子系统仿真平台。KeilC51是当前使用最广泛的基于80C51单片机内核的软件开发平台之一，由德国KeilSoftware公司推出。uVision4是关于51系列单片机的开发工具。uVision4集成开发环境IDE是基于Windows的软件开发平台，集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编语言和C语言的程序设计。本文接下来在第二部分介绍了系统设计的方案，主要从设计的思路和方法入手，着重从原理方面作了解释，并绘制了总的原理图。第三部分主要是本次设计的硬件电路部分，在总设计的基础上详细介绍了电路的搭接方法以及电路的组成部分，并绘制了各部分的电路图。第四部分是设计的软件部分，主要介绍了用C语言编程的方法，并说明了程序的调试过程。李智蒂第2章系统方案设计系统方案是设计的灵魂，是本次设计最重要的部分，主要包括设计思路和设计方案，完成了这两个内容才能进行下面的设计步骤。这一章内容围绕思路和方案详细进行了介绍，为接下来的工作做好了铺垫。2.1芯片选择本设计采用AT89C51芯片和ADC0808芯片，前者是一种带4K字节Flash存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，可与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。2.1.1AT89C51它是一个以ALU为中心的8位中央处理器，能够完成运算和控制功能。128B的内部数据存取存储器，其地址范围为00H～7FH。21个特殊功能寄存器，离散分布于地址80H～FFH中。程序计数器PC是一个独立的16位专用寄存器，其内容为将要执行的指令地址。4KB字节Flash闪速存储器可以存储程序、原始数据、表格。4个8位可编程I/O口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，2个中断优先级的中断控制系统，1个全双工串行通信口，1个片内振荡电路和时钟电路。AT89C51芯片管脚说明：Vcc：供电电压，接DC电源端，在-40～85摄氏度时，极值是6.6V。GND：接地端。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收、输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。基于Proteus的数字电压表仿真设计P3口：此管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可以接收、输出4个TTL门电流，当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3将输出电流。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间，使单片机恢复到初始状态。当Vcc发生故障、降低到低电平规定值或断电时，该引脚可以接上备用电源为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。1./EA：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H～FFFFH）工作，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器工作。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。采用外部振荡器时，此引脚接振荡器的信号。XTAL2：来自反向振荡器的输出，外接振荡元件的一个引脚，采用外部振荡器时，引脚悬浮。电压是模拟量，数码管显示的是数字量，所以需要采用A/D转换模拟信号为数字信号。本次设计使用ADC0808芯片，它是典型的8位8通道逐次逼近式转换器，具有转换起停控制端，转换时间为100us（时钟为640kHz），130us（时钟为500kHz），单个+5V电源供电，模拟输入电压范围0～+5V，不需要零点和满刻度校准，工作温度范围-40～+85摄氏度。显示电路采用四位8段LED数码管显示数据，满足精度要求。按照单片机与ADC的连接不同，可以分为并行输入方式的ADC和串行输入方式的ADC两种，而我们使用的ADC0808则属于并行输入方式的ADC。2.1.2ADC0808IN0～IN7：8路模拟量输入端。ADDA、ADDB、ADDC：模拟量输入通道地址选择线，8位编码分别对应IN0～IN7。ALE:地址锁存端。START:ADC转换启动信号，正脉冲有效，引信号要求保持在200ns以上。其上升沿将内部逐次逼近寄存器清零，下降沿启动ADC转换。EOC:转换结束信号，可作中断请求信号或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。ADC0808的工作时序较为复杂，它的内部除了8位ADC转换电路外，还有一个李智蒂8路通道选择开关，其作用是根据地址译码信号来选择8路模拟输入，8路模拟输入可以分时共用一个ADC转换器进行转换，可实现多路数据采集。其转换结果通过三态输出锁存器输出。当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后（或与之同时）出现。START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2us加8个时钟周期内（不定），EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后，EOC再变高电平。微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。2.2设计方案本次设计的两大部分是硬件电路设计和软件程序设计，硬件部分由时钟电路、复位电路、数据采集电