数字电压表(报告书).doc

数字电压表(报告书)

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2

个人收集整理 勿做商业用途

广西交通职业技术学院
毕业设计

题 目： 数字电压表
专 业： 电子信息工程技术
班 级: 电子信息工程技术2010班
姓 名： 陈
学 号： 2010405009
指导教师
姓名及职称： 宋春胜

起 止 日 期：2011 年12月31日至 2012 年1 月 13日

AD574数字电压表设计
摘 要
本设计主要是基于AD574芯片为核心的数字电压表，主要由A/D转换电路、单片机最小系统电路和LED数码显示电路组成.AD574将采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，通过AT89S52进行软件处理，单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过软件程序算出被测电压值,驱动数码管显示电压。本设计具有四个档位的电压量程，测量精度能够达到0.03以内，并具有超量程报警功能，本系统在电路构建及功能实现上都比较完善.电路中采用到的AD574芯片是美国模拟数字公司推出的单片机高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容即可构成一个完整的A/D转换器。本系统成本合理，功能实用.
关键词：AD574、A/D转换、AT89S52、LED数码显示

12

目录
1．任务需求 1
1。1 任务概述 1
1。2 设计意义和前景 1
2. 项目方案论证与比较 1
2.1 A/D转换电路比较设计 1
2.2 主控电路方案比较 2
2.3 显示电路比较设计 2
3．硬件系统与比较 2
3.1 项目设计总体方案 2
3。2　项目功能模块划分及说明 2
3。2。1 AD转换电路模块 3
3.2.2 单片机主控电路 5
3。2。3 LED显示电路 5
4．软件系统总体方案 7
4。1 软件流程图 7
4。2 软件子程序划分及说明 7
4。2.1 主程序 7
4。2.2 单极性及报警程序 8
4。2。2 双极性及报警程序 8
5．系统测试与分析 10
6。心得体会 11
7。致谢词 11
8。参考资料 11

1．任务需求
①利用12位并行A/D转换芯片AD574设计并制作一个数字电压表。
②电压表的测量档位要求具有：0—5V和—10V-+10V 两种档位。
③测量精度要求至少达到0.01V,测量结果要求用四个数码管显示。
④设计时要求充分考虑节约硬件成本，以及整个电路作品的美观和使用方便性
⑤设计并制作出电路相应的PCB模块板,并用PCB板将电路调试成功。
1.1 任务概述
AD574数字电压表由A/D转换电路，主控电路和显示电路组成。0—20V和-10V— +10V 两种档位的切换,可利用自锁开关来控制来实现；而电压值的显示及测量精度为0.01的要求，可通过AD转换芯片AD574将电压进行模数转换来实现,经AT89S52软件处理驱动数码管显示.
1。2 设计意义和前景
随着电子科学技术的发展，电子测量为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高,而电压的测量甚为突出，因为电压的测量为普遍。本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机电压技术结合A/D转换芯片A/D574构建了一个直流数字电压表.本文首先简要介绍了设计电压表的主要方式以及单片机系统的优势然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程,以及硬件系统的设计,并给出了硬件电路的设计细节，包换各部分电路的走向、芯片的选择以及方案可行性分析等。
2. 项目方案论证与比较
2。1 A/D转换电路比较设计
方案一：AD574是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性构成的混合集成转换显片，转换时间最大约为35US,具有外接元件少，功耗低,精确度较高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容即可构成一个完整的A/D转换器。程序编写简单.
方案二:ADC0809是CMOS的8位转换器，片内有8路模拟开关，可控制8个模拟量中的一个进入转换器中。ADC0809的分辨率为8位，转换时间约100US.转换的过程和控制、显示部分可以控制。缺点是不能直接输入模拟的负电压。
通过比较发现，AD574芯片精确度比AD0809芯片的精确度高，而且转换时间较快，所以用AD574芯片来做A/D转换电路是比较可靠的。
2。2 主控电路方案比较
方案一：以AT89S52为核心的单片机控制方案,通过相应的程序，并通过I/O来进行电平识别,再由单片机输出相应的程序，并将相应数值通过数码来显示，运用这个方案来实现题目的要求,其硬件电路的设计简单，程序结合电路进行调试，这样就可以实现作品的功能。
方案二:采用数字电路实现输出电压的控制方案，通过锁存器的锁存显示等。用这种方法来实现，其优点是不用编程，但其不足的之处是电路复杂，焊接工程量大,一旦焊接错误，就会给检查硬件带来很大的麻烦，而且调试也相对麻烦。
通过比较发现，用单片机来制作数字电压表，硬件电路比较简单，容易明白,且成本相对较低;而用数字电路来制作数字电压表，电路相对比较复杂,成本相对较高。综合考虑，最终选择方案一。
2。3 显示电路比较设计
方案一：采用LED七段数码管，采用三极管9012做为位码驱动,电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易，成本较低。
方案二：采用LCD1602显示，用单片机可实现数据显示，显示内容较为丰富，较为美观,但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵，且题目要求的显示内容也较少,所以没有采用此方案。
通过比较,综合设计要求和成本考虑,采用LED数码管显示比较合理。
3．硬件系统与比较
3.1 项目设计总体方案
模拟电压输入
AD574芯片采样、A/D数模转换

AT89S52
最小系统电路

数码显示电路

图1-1系统框图
如图1-1所示，本设计主要分为两部分：硬件部分及软件程序.硬件电路包括A/D转换电路、单片机系统电路和LED显示电路。各部分电路的设计及原理将会项目功能模块划分详细介绍；软件部分则使用C语言编程，利用Keil uVision2软件对其编译。具体设计及算法将在软件系统总方案部分介绍.
3.2　项目功能模块划分及说明
硬件电路中的A/D转换电路，将被测电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，通过AT89S52进行软件处理,单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过软件程序算出被测电压值,驱动数码管显示电压.
3。2.1 AD转换电路模块
AD574主要功能引脚介绍如下：
[1].pin1(+V)：+5V电源输入端。
［2］. Pin2(12/8)：数据格式选择，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
［3］。 Pin3(CS）:片选信号，低电平有效。
[4]。 Pin4（A0)：字节地址短周期控制端，与12/8端用来控制启动转换启动的方式和数据输出格式。在12/8接地的情况下，高电平时高8位数据有效,低电平时低4位有效,中间4位为零,高4位为高阻态；在R/C为低的情况下，高电平启动12位转换，低电平启动8位转换。
［5］。 Pin5(R/C）：读/启动信号，高电平读数据，低转换。
［6］. Pin6（CE)：片使能，高电平有效
[7]。 Pin7（V+）：正电源输入端，输入+15V电源
[8]。 Pin8（REF OUT):10V基准电源电压输出端
[9］。 Pin9（AGND)：模拟接地
［10］. pin10(REF IN）：基准电压输入端
［11］. pin11(V-)：负电源输入，输入-15V电源
[12］. pin12(V+)：正电源输入端,输入+15V
［13］. Pin13(10V IN)：10V量程模拟电压输入端
[14］. Pin14（20V IN）:20V量程模拟电压输入端
［15]. Pin15(DGND)：数字接地
[16］。 pin16-pin27(DB0-DB11）-—--12条数据总线。通过这12数据总线向外输出A/D转换数据.
［28］. Pin28（STS）：工作状态指示信号端，当STS=1时,表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明转换结束，通过信号可以判断A/D转换器的工作状态.其引脚图如图1-2。

图1-2 AD574 芯片引脚图
AD574控制端标志意义如表2.1。
表2.1 控制逻辑真值表
CE
CS
RC
12/8
A0
工作状态
0
x
x
x
x
禁止
x
1
x
x
x
禁止
1
0
0
x
0
启动12位转换
1
0
0
x
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
x
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位输出有效

AD574是12位逐次逼近型的A/D，芯片内有三态输出缓冲器，输出可以直接连到到单片机I/O口，输入控制信号有CE，CS,RC，10,12/8。
在CE=1，CS=0同时满足时，AD574才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/C=0时,A/D转换，当R/C=1时读取数据。12/8和A0端用来控制启动转换方式和数据输出格式。启动AD574时，如果A0为“0”，表示设定AD574为12位A/D，如果A0为“1”，表示AD574设定为8位A/D。当R/C=1,也即A/D转换结束后读取数据时,如果A0为“0"，表示允许转换结果为12位中的高8位,如果A0为“1”，表示允许输出低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。引脚12/8如接数字地,数据以2个8位字的方式分两次输出，如接+5V，数据以一个12位字的方式并行输出。
AD574完成一次A/D转换的时间约为15~35微妙，它提供的STS信号可以用来被单片机查询A/D是否完成。转换开始时，STS从“0”到“1"，转换过程中，它保持“1”，转换结束时，它从“1”到“0”,“1”到“0”的下降沿通知单片机A/D已结束，可以读取A/D转换的结果.
AD574由三组电源供电，即 正负15V和+5V，由于它对从电源线引入的噪声十分敏感，几毫伏的电源噪声就会引起A/D转换几位的误差,所以在应用过程中应特别注意电源的滤波和稳压，电路采用了抗干扰措施：①在芯片的7脚和9脚、9脚和11脚以及1脚和15脚之间接入由一个10UF的电解电容和一个0。01 F瓷片电容并联而成的去耦网络。②在印制PCB板设计时让模拟量输入电路与数字电路尽量分开。③芯片的数字地（15脚）和模拟地（9脚)就近接在一起。AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接方式：应该将高8位DB4~DB11接到单片机的I/O的P3。0—P3。7，低4位DB0～DB3接到单片机I/O口的P3.4—P3.7。如果接错的话就不能读取正确的转换结果,而且还很容易烧坏芯片。其电路接法如图1-3.

图1—3 A/D转换电路
3。2.2 单片机主控电路
如图I—4所示，单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V、接地组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲.在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经1uF的电容接至电源正极,实现上电自动复位,另一方面经开关S8接电源.其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序,除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动,因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分.另外EA管脚接到正电源端。 至此,一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。如图1-4所示.

图1-4 主控电路
3。2。3 LED显示电路
根据设计要求并综合各方面因素,可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，显示电路如下图I—2-7所示。设计中采用的是4段LED数码管来显示电压值.LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由4个发光二极管组成,其中3个按‘8’字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。把4个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法.当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。其8段分别命名为a b c d e f g dp。例如，要显示“0",则a b c d e f g dp分别为：00000011B,若要显示多个数字,只要让若干个数码管的位码循环为高电平就可以了。其电路如图1—5.

图1—5 显示电路
4．软件系统总体方案
N
开始
启动A/D转换
数据处理
转换是否结束
结束
初始化
数码管显示
4。1 软件流程图

Y

图1—7 软件流程图
4。2 软件子程序划分及说明
4.2.1 主程序
void main()
｛
while（1）
｛
AD574_init（）;
AD574_read（）；
if(ABC==1)display（)；///单极性
else display1();///双极性
｝
}
4。2.2 单极性及报警程序
void display()///单极性
｛
uint temp，count;
uchar i,table[4］;
temp=(H_temp＊16）+（L_temp/16)； //H_temp左移4位,L_temp右移4位 将数据按顺序拼接
H_temp=0;L_temp=0；
temp=temp；///校准的地方.
count=temp/0。4095;
num++;
sum=sum+count；
if（num==30）
{
count_show1=sum/30;
num=0；sum=0;
}
table［0]=count_show1/1000；
table［1］=count_show1%1000/100；
table［2]=count_show1％100/10；
table［3］=count_show1%10;;//不显示任何东西
for（i=0;i〈4;i++）
{
if（i==0)｛P0=duanma[table［i］］&0x7f;} //加小数点
else P0=duanma［table［i]];
P2=weima［i]； //P2口接位码
delay（50);
P2=0xff;
}
if(count_show1〉9990） //单极性报警（超出9。990V或19。98V 会自动报警）
｛
baojing=0；
｝
else
{
baojing=1；
｝
｝
4.2。2 双极性及报警程序
void display1()///双极性
{
uint temp，count；
uchar i，table［4］,fuhao;
temp=(H_temp＊16)+(L_temp/16)；
H_temp=0；L_temp=0;
if（temp>2048)
{
temp=temp—2048；///校准的地方。
table[0］=10;//符号位 不显示任何东西
fuhao=1；
}
else
｛
temp=2048-temp;///校准的地方。
table［0]=11；//符号位 显示 符负号
fuhao=0；//负数
}
count=temp/0.4095;
num++；
sum=sum+count；
if(num==30)
｛
count_show1=sum/30；
num=0；sum=0;
} // 双极性10V量程
table［1]=count_show1/1000;
table[2]=count_show1%1000/100;
table［3]=count_show1％100/10；
for（i=0；i<4;i++)
｛
if(i==1)｛P0=duanma[table[i]]＆0x7f;} //加小数点
else P0=duanma[table［i]]；
P2=weima［i］； //P2口接位码
delay(50);
P2=0xff;
｝
if(count_show1>4990) //双极性报警（超出-4。99V或-9。98V会自动报警）
｛
baojing=0；
}
else
{
baojing=1；
｝
5．系统测试与分析
AD574数字电压表的调试过程并不简单，第一次调试的时候，数码管并不显示任何数据,初步分析，硬件和软件都可能存在问题。先检查硬件电路，编写一段比较简单的数码管显示程序,将程序倒入电路，以此来判断主控电路和显示电路是否正常工作。结果发现主控和显示电路都没有问题。接下来检查A/D转换电路,用数字电压表的蜂鸣档对电路进行检测，经检测，A/D转换电路连接无误。结论得出是软件的问题。
第二次调试，利用软件结合硬件电路，分步调试，以实现其功能。第一步，调试单极性量程为0-10V和0—20V的电压范围，这一步并不是很顺利，给电路通电后,发现一个严重的问题，就是显示的电压在某一个电压内误差很小，在某一个范围内，显示出来的电压值或偏大或偏小。在这个问题上纠结了许久，一直以为是软件的问题，经一步步分析，发现程序并没有错误，怀疑是芯片工作不正常,换上AD574芯片后,问题得到解决.经分析，芯片的第25脚可能已被损坏，所以导致数据显示不正确.第二步,调试双极性量程为±5V和±10的电压范围,这一步对显示程序进行了微处理，能正确显示正负电压。第三步，单双极性的切换，电路采用了自锁开关来对档位进行转换,另外,利用P1.1对电平进行判断，当P1.1为高电平且开关未被按下时,电路为单极性，当P1。1为低电平且开关被按下时,电路为双极性。这一步调试顺利成功。第四步,调节精确度,对AD574芯片的第10脚外接的微调进行调节，让10脚输出一个10V的基准电压，另外，通过软件提取电压平均值，通过这一步和调试，电压误差减小到电低.最后，根据,显示的电压值,对超量程进行报警，即当模拟电压输入超出AD574量程范围时，由单片机进行判断,进入报警状态.在调试过程中，随机抽取了测量出来的电压值.记录的电压数据如表2.2.文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途

表2.2 测量数据

单双极性
电压
量程选择

实际电压（V)

测量结果 （V)

单极性

0～10V
4.50
4。507
5.02
5。030
8。15
8。156
9.90
9。915

0～20V
12。00
12。012
15。08
15.120
18。32
18.380
18.63
18.670

双极性

±5V
3。85
3。85
3.44
3。45
-3。93
—3。95
—4.99
—4。98

±10V
3.34
3.34
8.15
8.16
-6。28
-6.34
-9.93
—9.96
6.心得体会
这次的毕业设计是大学三年来最后一次作品,也是我花费精力最多的一次作品.选题的时候不够慎重，没和同学商量好要怎样选题，一意孤行，结果自己一个人做一道题目，这回做作品的时候连找个同学讨论都没有.接下来在做作品过程中，遇到的问题比较多,但通过老师耐心指导和同学的帮助，作品的问题一个个的得到解决.
在整个系统的设计与制作的过程中,我深刻体会到只有坚持不懈，不惧困难，认真对待每一件事才能取得最后的成功.成功的喜悦是无法用言语来表达的。通过这次的毕业设计，我不但增强了专业知识，还懂了一个道理，遇到问题的时候，要多思考，多提问,这样才能解决问题。
7。致谢词
两年多的时光匆匆而过,即将结束人生的学习生涯，在这里结识了老师同学，一切犹如昨天。在这最后的毕业设计中，感谢学校领导和老师的关心教育，及在这次毕业设计对我悉心教导的老师,尽管您们很忙，但还是在百忙中抽出时间，对我的作品进行分析和指导。同时，也要感谢这次毕业设计帮助过我的同学。
再次感谢老师同学，没有你们帮助，我的毕业设计不可能那么顺利地完成。最后，祝愿我们的老师桃李满天下,同学的前程似锦!
8。参考资料
［1］手把手教你学单片机C程序设计。 周兴华编. 北京航空航天大学出版社.2007。10
[2］单片机原理与应用. 王效华/张咏梅编. 北京交通大学出版社.2007.5
[3]数字电子技术实践。 杨翠峰/王永成编。 大连理工大学出版社。2010。6
[4］Protel 99 SE 实用教程。 顾滨/赵伟军编. 人民邮电出版社社.2008。6
9. 元器件清单
名称
数量
阻值
电压
AD574
1个

ADS89S52
1个

电阻
8个
240

电阻
3个
4.7K

电阻
5个
1K

电阻
1个
100

电阻
1个
8。2K

变位器
3个
100K

晶振
1个
12M

继电器
3个

5v
开关
1个

1个

瓷片电容
3个
104

瓷片电容
2个
30p

电解电容
4个
10uf
25v
三极管
3个
9013

三极管
4个
9014

排阻

下载线接口
1个

数码管
1个
4个数码管

插针