单片机课程设计电压表

单片机原理及接口技术课程设计报告设计题目：电压表设计学号：姓名：指导教师：信息与电气工程学院二零一四年六月哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告1电压表设计本文介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。该设计主要由A/D转换模块、数据处理模块及显示模块。A/D转换模块主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量，然后再传送到数据处理模块。数据处理模块则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着ADC0809芯片的工作。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此数字电压表可测量模拟输入电压值，并通过12864液晶显示出来。电压表的设计是采用数字化的测量技术，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。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，由于精度高，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。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心可以扩展成各种通用数字仪表，专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表已被广泛的用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，展示出强大的生命力。新型数字电压表以其高准确度、高可靠性、高分辨率、高性价比等优良特性备受人们的青睐。数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛的用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域。它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，有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前，数字万用表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本设计A/D转换器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。1.设计任务结合实际情况，基于AT89C51单片机设计一个电压表。应满足的功能要求为：按键换量程（小数点的位置），使用ADC0809，串行静态显示（十进制），数值转换（小数运算BCD转换）。主要硬件设备：单片机实验开发系统：矩阵键盘，开关量输入模块，液晶显示器，ADC0809模数转换芯片哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告22.整体方案设计电压表设计以AT89C51单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的接口功能，构成整个硬件系统。该系统主要由时钟电路复位电路ADC0809模块和12864液晶模块等几部分组成。各模块的主要功能如下：(1)时钟电路的功能是为单片机提供时钟信号(2)复位电路的功能是使单片机处于某种确定的初始状态(3)A/D转换器的功能是把需要测量的模拟电压信号转换成0~255的数字电压信号，然后送入单片机。系统的整体设计方案设计图如图2-1所示。AT89C51时钟电路复位电路ADC0809模块液晶显示模块按键换量程图2-1系统的整体方案设计图3.系统硬件电路设计3.1时钟电路AT89S51单片机各功能部件的运行都以时钟控制为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。单片机时钟信号产生有两种方式：一是内部时钟电路，二是外部时钟电路，本设计使用内部时钟电路，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚接石英晶体，作为单片机内部振荡电路的负载，构成中自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号，C3和C4可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。晶体的频率越高，系统的时间频率越高，单片机的运行速度也就越快。其与单片机的接口电路如图3-1所示。哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告3XTAL220XTAL121ALE33EA35PSEN32RST10P0.0/AD043P0.1/AD142P0.2/AD241P0.3/AD340P0.4/AD439P0.5/AD538P0.6/AD637P0.7/AD736P1.0/T22P1.1/T2EX3P1.24P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79P3.0/RXD11P3.1/TXD13P3.2/INT014P3.3/INT115P3.4/T016P3.7/RD19P3.6/WR18P3.5/T117P2.7/A1531P2.0/A824P2.1/A925P2.2/A1026P2.3/A1127P2.4/A1228P2.5/A1329P2.6/A1430U3AT89C55X212MHzC330pFCAP10C430pFCAP10图3-1时钟电路3.2复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给AT89S51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使AT89S51复位。AT89S51的复位是由外部的复位电路实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计采用的是上电复位电路。上电自动复位电路是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，信号随着Vcc对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。因此，为了保证系统可靠的复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。如图3-2C322uFR91k图3-2复位电路3.3ADC0809模块本设计所用A/D转换电路采用通用的ADC0809模数转换芯片，它是一种8位数字输出的逐次逼近式A/D转换器件，由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，有CBA的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100us左右，它具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到AT89C51哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告4单片机的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0~5V的模拟信号进行转换。ADC0809应用说明：ADC0809内部带有输出锁存器，可以与ＡＴ８９Ｃ５１单片机直接相连。初始化时，使ＳＴ和ＯＥ信号全为低电平。在ＳＴ端给出一个至少有１００ｎｓ宽的正脉冲信号。是否转换完毕我们根据ＥＯＣ信号来判断。当ＥＯＣ变为高电平时，这时给ＯＥ为高电平，转换的数据就输出给单片机了。其与单片机的接口电路如图3-3所示。OUT121ADDB24ADDA25ADDC23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22U2ADC080968%RV31k68%RV01kRV0(3)RV3(3)图3-3ADC0809与单片机的接口电路3.412864液晶显示模块(1)汉字和英文显示原理在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。对于显示英文操作，由于英文字母种类很少，只需要8位（一字节）即可。而对于中文，常用却有6000以上，于是我们的DOS前辈想了一个办法，就是将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告5来表示汉字，即汉字的内码。而剩下的低128位则留给英文字符使用，即英文的内码。那么，得到了汉字的内码后，还仅是一组数字，那又如何在屏幕上去显示呢？这就涉及到文字的字模，字模虽然也是一组数字，但它的意义却与数字的意义有了根本的变化，它是用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状，如英文的'A'在字模的记载方式如图1所示而中文的“你”在字模中的记载却如图2所示：根据芯片的不同取模的方式不同，有多种取模方式：单色点阵液晶字模，横向取模，字节正序，单色点阵液晶字模，横向取模，字节倒序，单色点阵液晶字模，纵向取模，字节正序，单色点阵液晶字模，纵向取模，字节倒序等等。而PROTUES中的AMPIRE12684为纵向取模，字节倒序液晶(2)图形显示先设页地址再设列地址页地址范围0xb8~0xbf列平地址范围0x40~0x7f绘图RAM的地址计数器（AC）只对列地址自动加一,当列地址=0x7F时会重新设为0哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告6DDRAM的坐标地址与资料排列顺序如下图：本实验所用12864液晶显示器CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X64哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告74.系统程序设计4.1主程序流程图系统主程序流程图如图4-1所示。开始系统初始化LCD初始化定义变量键盘扫描，确定档位液晶显示界面ＡＤＣ０８０９采集模拟信号液晶显示电压值与ＡＤＣ采样值以及档位扫描键盘，ＡＤＣ采样键盘值与ＡＤＣ采样值与上次是否相同液晶显示新的ＡＤＣ采样值和档位ＮＹ图4-1主程序流程图哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告85.系统调试5.1Proteus软件仿真调试(1)调试过程启动计算机，打开Proteus仿真软件，进入仿真环境。将写好的程序存入单片机中，点击运行。即可观察程序运行情况，也可以通过暂停键暂停程序，通过结束键随时结束程序。(2)调试时遇到的问题及解决方法1)在第一次调试时，我忘记了给ADC0809的CLK引脚提供时钟信号，结果ADC输出的值都是0，然后我找到ADC0809的时序图进行分析，最终，我发现了我所忽视的问题，然后在proteus的元件库中找到了一个信号发生器用来给ADC0809提供时钟信号。ADC0809输出正常。2)在第一次调试时，我们的液晶屏显示全部是黑屏，经过仔细排查，最终确定是元件电路图出现的问题，最终我将液晶的数据口的标号去掉，用导线一根一根的与单片机的I/O口相连，才使液晶屏显示正常。原来是我的标号使用错误导致的液晶屏显示不正常。3)在ADC0809采集正常、12864液晶显示正常以后，我们发现ADC0809采集的数据不正常，会出现大幅度波动，并且显示的测得电压有时候不正确。这是因为ADC0809是逐次比较型AD，所以它的精度是不准确的，一般情况下逐次比较型AD是不能用作仪表用AD的，仪表级运放一般都是运用双积分型AD。但是因为硬件外设的限制，我们只能用ADC0809。因此，我们在算法上进行了优化，采用连续取样三次取平均的平均值算法。在我们采用了平均值算法以后，ADC的采样值稳定了许多也准确了许多。(3)调试运行结果哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告9档位4CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X64档位3哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告10CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X64哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告11档位2CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X64档位1CS11CS22GND3VCC4V05RS6R/W7E8DB09DB110DB211DB312DB413DB514DB615DB716RST17-Vout18LCD1AMPIRE128X645.2硬件调试哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告12(1)调试过程安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到模块的单片机插座中，打开模块电源，插上仿真器电源插头。将写好的.C文件通过Keil软件生成.hex文件。打开STC-ISP软件，打开程序文件，改变和电