95基于单片机的数字电压表设计

1课程设计题目:基于单片机的数字电压表设计专业：电气工程及其自动化班级：学号：学生姓名：指导教师：2010年9月8日摘2要数字电压表（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。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，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。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。关键词：数字电压表A/D转换器PC电压测量AbstractDigitalvoltagemeter(DigitalVoltmeter)referredtoasDVM,itistheuseofdigitalmeasuringtechnology,thecontinuousanalog(DCinputvoltage)intoanon-continuous,discretedigitalformandtodisplaytheinstrument.Analogvoltagemeterfeaturesatraditionalsingle,lowaccuracy,cannotmeetthedigitalage,usingthesinglechipdigitalvoltagemeter,fromthehighprecision,anti-interferenceability,scalability,JiChengconvenience,andPCcancommunicateinrealtime.Atpresent,byavarietyofsingleA/Dconverterconsistingofdigitalvoltagemeter,hasbeenwidelyusedinelectronicandelectricalmeasurement,industrialautomation,instrumentation,automatedtestsystems,intelligentmeasurement,showingstrongvitality.Atthesametime,theDVMextensiontothevariousgeneralandspecificdigitalinstruments,butalsothepowerandnon-powermeasurementuptoanewlevel.Thischapterfocusesonsingle-chipA/Dconverter,andtheyformbythemicrocontroller-baseddigitalvoltmeterworks.Keywords:digitalvoltmeterA/DconvertervoltagemeasurementPC3目录1设计方案..........................................................61.1A/D转换部分....................................................61.2电源部分.......................................................72系统硬件电路设计..................................................82.1单片机芯片......................................................82.289C51与外围电路的接口........................................103详细设计.........................................................143.1复位电路.......................................................143.2电源电路.......................................................163.3程序框图.......................................................173.4源程序.........................................................194总结.............................................................28参考文献...........................................................2941设计方案在电量的测量中，电压、电流和频率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。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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。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青睐。本设计从各个角度分析了由单片机组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为A/D转换电路、LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用汇编语言编程，利用WAVE和PROTEUS软件对其编译和仿真，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。1.1A/D转换部分：电压是模拟量，而数码管显示需要的是数字量，故需要采用A/D转换模拟信号为数字信号供数码管显示出来,可供选择的芯片有ADC0809,ADC574和TLC2543等等。由于要求测量精度在5%，因此须选用12位精度的A/D转换器，且可直接驱动LED显示器工作，0809为8位精度,故不能采用,而综合性价比,TLC2543就成为了本次设计的首选。由于TLC2543测量范围为0-+5V，故需要为其设计降压稳压电路。被测量模拟量变为数字量之后，并不能通过数码管直接显示出来，而需要单片机加以处理形成段码才能显示出来。而且，A/D电路的时钟与输入输出都需要单片机与其对接予以控制。故选择含有内部闪存的89C51完成此工作。该芯片无论从性能还是价格上都是非常合适的。数字信号转换为段码并显示出来需要有程序和其它接口电路配合。在程序上，A/D采集程序采用多次取值并求和求平均的方法得出双字节数据，然后通过双字节转换BCD码子程序得出BCD码。硬件显示上选用动态扫描法，即数码管位选端连入单片机的某一组I/O口，片选端连入另一组I/O口，配合显示子程序实现显示。此外，主程序和其它程序用中断方式进行组合。显示所需的数码管，选用7段共阳极数码管，由于精度要求为5%，故本设计显示部分由四个数码管组成。由于单片机各个I/O口的驱动能力有限，故应设计驱动电路。本设计中的驱动电路主要与显示部分有关。数码管的片选端需要连接上拉电阻和三机管以增强驱动能力，位选端也选5择连接上拉电阻以增强驱动能力。1.2电源部分：本设计各芯片，数码管及单片机外围电路需要5V的直流电源，故需要一个稳定的5V直流稳压源。根据模拟电子技术基础的知识，本设计选择含有7805三端集成稳压器的电源电路。电路中选择二极管整流桥整流，电容进行滤波，并选用220V-9V变压器进行变压。综上，本次设计选用89C51单片机作为核心，TLC2543作为A/D转换芯片，数码管作为显示器，7805稳压器为主的直流稳压电路做为电源，配合采集，转换，显示程序共同实现可测量0-10V直流电压的数字式电压表。系统总设计框图见图1单片机直流稳压电源数码管TLC2543A/D转换芯片数据采集端图1-1系统框图62系统硬件电路设计2.1单片机芯片2.1.1单片机芯片选择AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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。1．主要特性：与MCS-51兼容,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-24Hz，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。2．管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，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”7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。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出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口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是A