基于51单片机的简易数字电压表的设计要点.pdf
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1、五邑大学 单片机课程设计报告 基于 51单片机的简易数字电压表的设计 学院:信息工程学院 专业:交通工程(交通控制与管理) 班 姓名 学号 指导老师: 完成日期: 2015 年 01 月 05 日 1 目录 1 引言1 2 设计方案1 3 元器件3 4 实际电路8 5 单片机程序10 6 电路板制作15 7 总结16 8 附录16 9 参考文献17 2 数字电压表设计 1 引言 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。数字电压表简称DVM ,它是采
2、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、测量速度快等特而 得到广泛应用。 传统的指针式刻度电压表功能单一,进度低,容易引起视差和视觉疲劳, 因 而不能满足数字化时代的需要。 采用单片机的数字电压表, 将连续的模拟量如直 流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,从而精度高、抗干扰能力强, 可扩展性强、集成方便,还可与PC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,由各种单片机和A/D 转换器
3、构成的数字电 压表作全面深入的了解是很有必要的。 目前,数字电压表的内部核心部件是A/D 转换器,转换的精度很大程度上影 响着数字电压表的准确度, 因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成 本这两个方面。 本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容,本系统主要包括三大模 块:转换模块、数据处理模块及显示模块。其中,A/D 转换采用 ADC0808 对输入 的模拟信号进行转换, 控制核心 AT89C51再对转换的结果进行运算处理, 最后驱 动输出装置 LED显示数字电压信号 2 设计方案 2.1 设计要求 以单片机为核心,设计一个数字电压表。采用中断方式,对2 路 05V的 模拟电压进行循
4、环采集, 采集的数据送 LED显示,并存入内存。 超过界限时指示 灯闪烁。为了稍微增加一点难度,我加入测量温度的功能。 3 2.2 设计思路 根据设计要求,选择AT89C51单片机为核心控制器件。 A/D转换采用 ADC0808 实现, 与单片机的接口为P1口和 P2口的高四位引脚。 电压显示采用 4 位一体的 LED数码管。 LED数码的段码输入 , 由并行端口 P0 产生:位码输入,用并行端口P2低四 位产生。 2.3 设计方案 将被测电压输入 ADC0808 的电压输入端口,进行采集。接着,将采集到的模 拟信号转换为数字信号。 然后,通过控制单片机的内部程序,让单片机系统按照 规定的时序
5、来采集ADC0808 输入的数字信号,并通过算法计算出被测电压的值。 最后,单片机再将计算好的电压值,按照一定的时序送入LED数码管中, 让其显 示。同时,设置监测电路,当电压达到预定值时,进行报警提示。 2.4 流程图 图 1:设计方案流程图 3 元器件 3.1 A/D 转换模块 一个 n 位的逐次逼近型 A/D转换器只需要比较n 次,转换时间只取决于位数 和时钟周期,逐次逼近型A/D 转换器转换速度快,因而在实际中广泛使用。 4 3.1.1 逐次逼近型 A/D 转换器原理 逐次逼近型 A/D 转换器是由一个比较器、 A/D 转换器、存储器及控制电路组 成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次
6、开始逐位试探比较。 转换过程如下: 开始时,寄存器各位清零,转换时,先将最高位置1,把数据送入 A/D 转换 器转换,转换结果与输入的模拟量比较,如果转换的模拟量比输入的模拟量小, 则 1 保留,如果转换的模拟量比输入的模拟量大,则 1 不保留, 然后从第二位依 次重复上述过程直至最低位, 最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制 数字量 5 。其原理框图如图2 所示: 图 2 逐次逼近式A/D 转换器原理图 3.1.2 ADC0808 ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式A/D 转换器,带有使能控制端,与微机 直接接口,片内带有锁存功能的8 路模拟多路开关,可以对8 路 0-5
7、V 输入模拟 电压信号分时进行转换,由于ADC0808 设计时考虑到若干种模 / 数变换技术的长 处,所以该芯片非常适应于过程控制,微控制器输入通道的接口电路,智能仪器 和机床控制等领域 5 。 ADC0808 主要特性 :8 路 8 位 A/D 转换器,即分辨率 8 位;具有锁存控制的8 路模拟开关;易与各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;转换 时间:128s;转换精度: 0.2%;单个+5V电源供电; 模拟输入电压范围0- +5V, 无需外部零点和满度调整;低功耗,约15mW 6 。 3.1.3 ADC0808 的外部引脚特征 ADC0808 芯片有 28 条引脚,采用双列
8、直插式封装,其引脚图如图3 所示。 图 3 ADC0808 引脚图 顺序脉冲发生器逐 次 逼 近 寄存器 ADC 电压 比较器 输入电压 输入数字量 5 下面说明各个引脚功能 : IN0-IN7 (8 条) :8 路模拟量输入线,用于输入和控制被转换的模拟电压。 地址输入控制( 4条) : ALE:地址锁存允许输入线, 高电平有效,当 ALE为高电平时,为地址输入线, 用于选择 IN0-IN7 上那一条模拟电压送给比较器进行A/D 转换。 ADDA,ADDB,ADDC:3位地址输入线,用于选择8 路模拟输入中的一路,其对 应关系如表 1 所示: 表 1 ADC0808通道选择表 地址码对应的输
9、入通 道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START :START 为“启动脉冲”输入法,该线上正脉冲由CPU送来,宽度应 大于 100ns,上升沿清零 SAR, 下降沿启动 ADC工作。 EOC: EOC 为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D 转换已结束,数字量 已锁入三态输出锁存器。 D1-D8 :数字量输出端, D1为高位。 OE :OE为输出允许端,高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。 REF+ 、REF-:参考电压输入量,给电阻阶梯
10、网络供给标准电压。 Vcc、GND: Vcc 为主电源输入端, GND 为接地端,一般REF+ 与 Vcc 连接在一 起,REF-与 GND 连接在一起 . CLK: 时钟输入端。 3.1.4 ADC0808 的内部结构及工作流程 ADC0808 由 8 路模拟通道选择开关,地址锁存与译码器,比较器,8 位开关 树型 A/D 转换器, 逐次逼近型寄存器,定时和控制电路和三态输出锁存器等组成, 其内部结构如图 4 所示。 图 4 ADC0808 的内部结构 6 其中: (1)8 路模拟通道选择开关实现从8 路输入模拟量中选择一路送给后面的比较 器进行比较。 (2)地址锁存与译码器用于当ALE 信
11、号有效时,锁存从ADDA 、ADDB 、ADDC 3 根地址线上送来的3 位地址,译码后产生通道选择信号, 从 8 路模拟通道中选择 当前模拟通道。 (3)比较器, 8 位开关树型 A/D 转换器,逐次逼近型寄存器,定时和控制电路 组成 8 位 A/D 转换器,当 START 信号有效时, 就开始对当前通道的模拟信号进行 转换,转换完成后, 把转换得到的数字量送到8 位三态锁存器, 同时通过引脚送 出转换结束信号。 (4)三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量,当OE信号有效时, 把转换的结果送出。 ADC0808 的工作流程为: (1)输入 3 位地址,并使 ALE=1,将地址存入地
12、址锁存器中,经地址译码器从8 路模拟通道中选通1 路模拟量送给比较器。 (2)送 START一高脉冲, START的上升沿使逐次寄存器复位,下降沿启动A/D 转换,并使 EOC 信号为低电平。 (3)当转换结束时,转换的结果送入到输出三态锁存器中,并使EOC 信号回到 高电平,通知 CPU已转换结束。 (4) 当 CPU 执行一读数据指令时, 使 OE为高电平,则从输出端 D0-D7读出数据。 3.2. LED 数码管 3.2.1 LED 基本结构 LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、 价格便宜、 与单片机 接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示
13、字 段的显示器件。 在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器由8 个发光 二极管组成显示字段,其中7 个长条形的发光二极管排列成“日”字形,另一个 圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用,其通过不同的组合可 用来显示各种数字。 LED引脚排列如下图5 所示: 图 5 LED 数码管引脚排列 为了简化数字式直流电压表的电路设计,在LED 驱动电路的设计上,可以 7 利用单片机 P0 口上外接的上拉电阻来实现, 即将 LED 的 A-G 段显示引脚和 DP 小数点显示引脚并联到P0 口与上拉电阻之间,这样,就可以加大P0 口作为输 出口德驱动能力,使得LED 能按照正
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