基于单片机的多路数字电压表设计.doc
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1、基于单片机的多路数字电压表设计本科毕业论文基于单片机的多路数字电压表设计题 目(中、英文)Design of multi-channel digital voltage meter based on MCU 摘 要近十几年来,单片机技术的发展极为迅速,广泛应用于生产、生活的各个领域。从测量领域来看,一部分电子测量仪表在高速化、精确化方面有了明显的进步。电子测量仪表精确度的高低,直接影响着企业的经济效益。在我国现有经济水平下,使用单片机开发的电子测量仪表,测量精确而且性价比极高,不仅适用于电压、电流、电阻等的测量,还广泛适用于温度、湿度等测量场合。本课题设计的多路数字电压表具有性能稳定、携带方便
2、、显示清晰直观、读数准确,大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件,大大的提高了测量的精确度。关键词:数字电压表;AT89C51;ADC0808AbstractIn recent years,the technology of SCM has got a jolly rapid development and been widely used in every field of our life and production.Judging from the measure realm,some electronical measuring instruments have remarkab
3、le improvments in its speed and accuracy.the accuracy of electronical measuring instruments directly affect enterprises economic effectiveness.In the current economic level of our country,electronical measuring instruments developed by SCM have high accuracy as well as high cost performance,not only
4、 can be used to measure Voltage、Current and Resistance,but also be widely used in measuring temperature、humidity or some other Measurement situations.This topic design of multi-channel digital voltage meter has the advantages of stable performance, easy to carry, shows the clear and intuitive, accur
5、ate readings, greatly reducing the measurement error events caused by human factors, greatly improves the precision of measurement. Key words: Digital Voltage;AT89C51;ADC0808目 录1 引言12 多路数字电压表的总体设计12.1 设计内容12.2 设计方案23 硬件设计3.1 单片机控制模块33.2 振荡电路模块53.3 A/D转换模块53.4 显示模块93.5 按键模块104 软件设计114.1 C语言与汇编语言114.2
6、 主流程图设计114.3 A/D转换子程序125 软件调试135.1 仿真电路图145.2 显示结果及误差分析145.21 显示结果145.22 误差分析166. 结论17元件清单17参考文献18谢 辞18程序附录19基于单片机的多路数字电压表设计咸阳师范学院2013届本科毕业毕业论文(设计) 1 引言 单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)。随着单片机技术的飞速发展,各种单片机蜂拥而至,单片机技术已成为一个国家现代化科技水平的重要标志。单片机可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特
7、征。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化。现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛。本次课程设计的课题是“基于单片机的多路数字电压表的设计”。主要考核我们对单片机技术,编程能力等方面的情况。观察独立分析、设计单片机的能力,以及实际编程技能。 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。通过单片机,采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加
8、以显示的仪表,使测得的结果更为精准。 2 多路数字电压表的总体设计2.1 设计内容 设计和调试一种基于单片机的多路数字电压表。要求具有如下功能: (1) 输入电压为4路; (2) 电压测量范围为0-5V; (3) 测量的最小分标率为0.0196V,测量误差为0.02V; (4) 能通过显示器显示当前通道和通道电压值,有效位数为小数点后两位;2.2 设计方案本课题设计的数字电压表的实现是基于单片机原理。首先,在Proteus软件环境中进行硬件电路图的设计,然后在Keil软件环境中进行系统的软件编程,并进行程序源文件的编译和调试,最后生成.hex文件。此.hex文件是硬件电路运行实现的源代码来源。
9、把.hex文件加载到AT80C51单片机芯片,然后在Proteus软件环境中运行硬件电路,数字多用表就可以正常显示了。本课题设计的数字多用表主要由: 时钟模块、A/D转换模块、数据处理模块、按键模块显示模块,这四大模块组成。总体结构如图1所示,先用A/D转换器对各路电压值进行采样,得到相应的数字量,再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值,然后通过单片机进行数据处理,最后通过显示器显示出被测电压值,另外可以通过按键选择通道。显示电路 AT89C51 单片机 时钟电路 输入电路转换电路 复位电路 按键电路 图1 基于单片机的多路数字电压表电路的原总体结构图根据设计要求,采用的方案如下
10、:硬件部分实现数据的采集、编译,A/D转换以及显示的功能,包括单片机电 路模块、A/D转换器模块、显示模块、按键电路模块;软件部分实现控制芯片,使各部件能够正常的运行,同时实现仿真的功能,主要设计思想是利用软件进行仿真,通过仿真得到实验的结果。多路数字式电压表应用系统主要利用A/D转换器,先用A/D转换器对各路电压值进行采样,得到相应的数字量,再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值,然后把模拟值通过显示器显示出来。通过按键选择循环显示,也可单路显示,单路显示可通过按键选择显示通道数。 3 硬件设计3.1 单片机控制模块单片机是集成在一个芯片上的计算机,又称单片微控制。单片机是计算
11、机、自动控制和大规模集成电路技术相结合的产物,融计算机结构和控制功能于一体。它尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:具有数据处理能力的CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种输入输出电路(I/O口)、定时器/计时器等功能。随着技术的发展,单片机片内集成的功能越来越强大,并朝着SOC(System on Chip)方向发展。本次论文设计单片机采用高性能的AT89C51系列芯片,AT89C51是8位单片机中一个最基本,最典型的芯片型号。它主要由以下几部分组成:中央处理器;内部数据存储器; 内部程序存储器;并行I/O口;定时/计数器;中断控制电路;
12、振荡器和时钟电路。这些部件通过内部总线连接起来,构成了一个完整的微型计算机。如图2所示: 图2 AT89C51单片机引脚P0口:P0口地址为80H,位地址为80H87H。各位口线是有完全相同但又相互独立的逻辑电路。P0口的逻辑电路主要由D触发器构成的锁存器,FET(场效应管)构成的输出驱动电路,用于引脚数据输入缓冲的缓冲器,一个多路转接开关(MUX)构成。8位口线的锁存器位构成一个口的锁存器,所谓的口地址就是锁存器的地址。锁存器的功能是使数据在口中保留一段时间。MUX的一个输入来自锁存器,另一个输入为“数据/地址” 。输入转接由控制信号控制,设置多路转接开关的原因是P0口既可以作为通用I/O口
13、进行数据输入/输出,又可以作为单片机系统的地址/数据线使用。设置多路转接开关可以方便的实现转换。 P1口:P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口地址为90H,位地址为90H97H。P1口只能作为通用数据I/O口使用所以在电路结构上与P0口有些不同。第一,因为它只能传送数据,所以不再需要多路转接开关(MUX);第二,驱动电路中有上拉电阻。其上拉电阻并不是真正的电阻,而是一个能起到上拉电阻作用的有两个场效应管构成的电路。P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口地址为A0H,位地址为A0HA7H。P2口既可作为系统高位地址线使用,也可作为通用I/O口使用,所以P2口
14、的电路逻辑与P0口类似,也有一个多路转接开关。但多路转接开关的一个输入端不再是地址/数据,而是单一的地址,因为在构造系统总线时,P2口只能作为高位地址而不能作为数据线使用。当P2口作为高位地址线使用时,多了开关倒向地址端;而当通用I/O口使用时,多路开关倒向锁存器的Q端。P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的地址为B0H,位地址为BOHB7H。虽然P3口可以作为通用I/O口使用,但在实际应用中我们更多的使用的是他的第二功能信号。RST:当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效,用于完成单片机的复位操作。ALE(地址锁存控制信号):在系统扩展时,ALE用于控
15、制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。/PSEN(外部程序存储器读选通信号):程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两个PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号不出现。/EA(访问程序存储器控制信号):当EA信号为低电平时,对ROM的读操作是针对外部程序存储器的;当EA信号为高电平时,对ROM的操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储
16、器。XTAL1和XTAL2(外接晶体引线端):当使用芯片内部时钟时,XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容;当使用外部时钟时,用于接入外部时钟脉冲信号。3.2 振荡电路模块AT89C51芯片中的高增益反相放大器。其输入端为引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。通过两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容器,C1和C2一般取30pF左右.石英晶体为一感性元件,与电容构成振荡回路,为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件,从而构成一个稳定的自激振荡器。本文中C1和C2各取1nF,晶体的振荡频率取12MHz,电路图如下图所示: 3.3 A/D转换模块 本设计采用的A/D转换器
17、为8位的ADC0808转换器。ADC0808是8位逐次逼近式,可实现8路模拟信号的分时采用,片内有8路模拟选通开关,以及相应的选通地址锁存与译码电路。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行所存和译码,其译码输出用于通道选择。8位A/D转换器是逐渐逼近式,有控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。其主要性能如下:(1)分辨率为8位(2)精度小于1/2LSB(3)单一+5V供电,模拟输入电压范围为05V(4)具有锁存控制的8路输入模拟开关(5)可锁存三态输出,输出与TTL电平兼容(6)功耗为15mW(7)不必进行零
18、点和满度调整(8)转换速度取决于芯片外接的时钟频率(9)时钟频率范围101280kHZ,典型值为640kHZ,约为1002) 内部结构和外部引脚ADC0808的内部结构和外部引脚分别如图3和图4所示。图2 ADC0808内部结构框图图3 ADC0808外部引脚图1)IN0IN78:8位模拟量输入引脚,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通IN0IN7中的一路。2)D7D0:8位模拟量输入引脚,为三态可控输出,可直接和CPU数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位,D0为最低位。(3)ADDA、ADDB、ADDC:模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。地址信号与选中通
19、道对应关系如图5所示。地 址选中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 图5 地址信号与选中通道的关系(4)VR(+)、VR(-):正、负参考电压输入端,用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时,VR(+)=5V,VR(-)=0V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。 (5)ALE:地址锁存允许信号输入端,当输入为高电平时,对地址信号进行锁存。在使用时,该信号通常常和START信号连在一起,以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。 (6)START:A/D转换启动信号输入
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