简易数字电压表的设计说明.docx

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简易数字电压表的设计说明

简易数字电压表的设计

学院：

通信与电子工程学院

班级：

电子071

组长：

***

同组成员：

******

日期：

2010年5月10日

一、设计题目：

简易数字电压表的设计

二、设计目的

自动化专业的专业实践课程。

本课程的任务是使学生通过“简易数字电压表的设计”的设计过程，综合所学课程，掌握目前自动化仪表的一般设计要求，工程设计方法，开发及设计工具的使用方法，通过这一设计实践过程，锻炼学生的动手能力和分析，解决问题的能力；积累经验，培养按部就班，一丝不苟的工作个对所学知识的综合应用能力。

三、设计任务及要求

设计电压表并实现简单测量。

具有以下基本功能：

⑴可以测量0~5V的8路输入电压值；

⑵可在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示；

⑶测量最小分辨率为0.019V；

⑷.测量误差约为±0.02V；

⑸带有一定的扩展功能；

第一章摘要···············································4

第二章智能仪表目前的发展状况··························4

第三章设计目的············································6

第四章设计要求············································6

第五章设计方案与比较论证································6

5.1单片机电路设计··············································6

5.2电源方案····················································8

5.3显示方案····················································9

5.4A/D采样方案················································10

5.5串口通讯方案···············································12

5.7高压，短路报警·············································14

5.8键盘·······················································14

第六章方案设计··············································15

6.1硬件设计····················································15

6.2软件设计····················································16

第七章性能测试···············································18

电压测试······················································18

第八章结果分析···············································19

第九章设计体会··············································19

参考文献························································20

附录··························································20

元器件清单················································20

程序清单····················································20

第一章摘要

本报告介绍了基于AT89S52单片机为核心的、以AD0809数模转换芯片采样、以1602液晶屏显示的具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。

在实现基础功能要求之上扩展了串口通讯、时钟功能、高压报警、短路测试、电阻测量、交流电压峰峰值和周期测试等功能，使系统达到了良好的设计效果和要求。

关键词：

AT89S52单片机模数转换液晶显示扩展功能

ABSTRACT：

ThereportdescribestheAT89S52basedonthemicrocontrollerasthecore,AD0809digital-to-analogconverterchipsampling,to1602LCDdisplaywithvoltagemeasurementfunctionwithacertainprecisionofdigitalvoltagemeter.Inachievingfunctionalrequirementsbasedupontheexpansionofserialcommunications,high-pressurealarm,shortcircuit,electricalresistivitymeasurement,ACvoltageandthepeakofcycletestingandotherfunctions,allowingthesystemtoachievegoodresultsandthedesignrequirements.

Keywords:

AT89S52SCManalog-to-digitalconversionfunctionsLCDexpansion

第二章智能仪表目前发展状况

在自动化控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的发展的。

常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求，它们以经典控制理论和现代控制理论为基础，以控制对象的数学模型为依据。

当今，控制理论已发展到智能控制的新阶段，自动化仪器仪表的智能化就成为必然和必须。

本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器仪表研究、开发热点做概要的分析与表述。

作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的进展，关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动发展，这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。

智能化的自动化仪器仪表应以智能控制理论为基础，体现人的智能行为。

人工智能是智能控制理论的基本组成部分之一，它以知识为基础，它的目标是建造智能化的计算机系统，用来模拟和执行人类的智力功能，如判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等等，进而用自动机模仿人类的思维过程和智能行为。

基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前大致有几方面的进展:

（1）专家控制系统（expertcontrolsystem,ECS）是典型的基于知识控制系统，它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。

它运用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。

专家控制器的结构按控制要求的不同而有所不同。

典型的结构由知识库、推理机、人机接口等组成。

其中，知识的获取、知识库的建立是关键。

人们已经总结出的方法是领域专家和知识专家的有机结合，同时收集、归纳有经验的操作员方面的知识。

然后把获取的知识变成可用的规则，以期在推理过程中得到更高的命中率。

专家控制已在工业控制中得到广泛的应用。

（2）模糊控制器（FC-FuzzyController），也称模糊逻辑控制器（FLC-FuzzyLogicController）。

自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊逻辑在控制领域中的应用产生了模糊控制技术。

由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力，对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决一些用常规控制方法不能解决的问题，因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。

模糊控制器一般由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等几个部分组成。

其中，模糊化、模糊决策、清晰化是主要和基本的部分，“模糊化”将输入量（精确量）变为模糊量，“模糊决策”进行模糊运算，其过程是由推理机进行预估输出推理，得到模糊量输出。

“清晰化”将模糊量输出转化为精确量，提供给系统的驱动器定标后使用。

当前，模糊控制技术在工业控制中得到广泛的应用，尤其在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊控制技术的长处。

模糊控制器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。

    （3）神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高了系统的智能水平。

所谓神经网络控制，简称神经控制，它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等工作。

由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有对任意非线性关系的描述能力，具有通过训练学习归纳全部数据能力，使得它在控制系统中被广泛灵活地应用。

数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，作为智能仪表的一种，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。

举例：

图1CAKJ系列数字电流-电压-功率-因数-频率表

如图1是一个CAKJ系列数字电流-电压-功率-因数-频率表

1、适用围该系列产品是一种高精度的安装式仪表，它可广泛用于电力系统和自动化控制系统中对单相三相电量参数（交直流电流-电压-功率-因数-频率）的测量和显示。

采用大规模集成电路，具有转换精度高、响应速度快、性能稳定等特点，可直接替代指针式仪表。

2、通用技术参数

*精度等级：

数显0.2、0.5级   光柱1.5级

*数显围：

四位半显示0－19999 

*光柱指示：

0－120%

*标称输入：

电流1A、5A；电压100V、220V、380V、450V

*过量程：

持续：

1.2倍，瞬时：

电流10倍/5秒，电压2倍/1秒

第三章设计目的

自动化专业的专业实践课程。

本课程的任务是使学生通过“简易数字电压表的设计”的设计过程，结合所学课程，掌握目前自动化仪表的一般设计过程，锻炼学生的动手能力和分析，解决问题的能力；积累经验，培养按部就班、一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力。

第四章设计要求

1、可以测量0-5V的8路输入电压值；

2、可在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示或液晶显示；

3、测量最小分辨率为0.019V；

4、测量误差约为+0.02V；

5、带有一定的扩展功能；

第五章方案比较与论证

5.1单片机采用AT89S52，它是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

单片机基础电路如下

图2单片机基础电路

功能特性概述：

40个引脚，8kBytesFlash片程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

引脚功能：

·VCC：

电源电压

·GND：

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端使用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，

校验时，要求外接上拉电阻。

·P1口：

P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

第二功能：

P1.0：

T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1：

T2EX（定时/计数2捕获/重新载触发和方向控制）

·P2口：

P2是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的容。

·P3口：

P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能端口引脚

第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定时/计数器0）

P3.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

·PSEN：

程序存储允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

·EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行部程序存储器中的指令。

·XTAL1:

振荡器反相放大器的部时钟发生器的输入端。

·XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

5.2电源方案：

由变压器输入7805的1脚，2脚接地，3脚+5V输出，中间加2个104电容和1000u的电解电容分别为了退耦和稳压。

使+5V更稳定地输出。

下图是电源接线图。

图3电源接线图

5.3显示方案：

方案一：

显示部分（采用共阴4位八段数码管显示。

如图3所示：

）

图4数码管电路图

显示部分与单片机连接图如图3

图5显示与单片机连接图

方案二：

采用液晶1602做为显示电路，功能强大，适合做各类扩展。

其中7-14脚为数据口脚，3脚为背景灯亮度调节脚，EN、RW、RS命令状态字脚。

我们可以通过程序使1602显示各类字符。

图61602显示电路

1602管脚说明

1.Vss电源地；

2.Vdd电源正极4.5~5.5V通常使用5V；

3.Vl对比度调节电源调节围0~5V。

接正电源时对比度最弱，接地对比度最高，但是对比度过高时产生“鬼影”，因此通常使用一个10K电位器来调整对比度，或者直接接一个电阻到地；

4.Rs数据/命令选择高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；

5.R/W读/写选择高电平读取数据，低电平写入数据；

6.E模块使能端写数据需要下降沿触发模块；

7~14.D0~D7三态双向数据口MCUI/O口资源紧可以使用4位数据线D4~D7接口传送数据；

15.Blk背光源地

16.Bla背光源正极需要背光串接一个限流电阻接Vdd，blk接地，实测该模块背光电流50mA左右

比较：

由于用数码管作为显示电路，结构单一，扩展空间太小，显示效果不理想，最终我们放弃了数码管显示。

而采用1602作为显示不但实现了用数码管难以显示的功能，而且适合做各类扩展，使得识字电压表功能更完善，使用效果更好。

5.4AD采样方案

方案1：

采用TLC1543为美国TI公司生产的多通道低价格数模转换器。

我们在程序中通过read1543（）发送通道号，芯片开始A/D转换，转换结束时，EOC输出端表示转换完成，在INT0产生中断，通过外部中断0的服务自程序读取转换结果。

接线如下图：

图5TLC1543采样电路图

TLC1543为串行输入芯片，10位的精度，价格适中。

方案2：

采用8位AD转换器ADC0809，编程简单方便，价格便宜。

采样电路如图6。

图6ADC0809采样电路

比较：

由于时间紧，班级采购只有ADC0809芯片，我们选择了ADC0809作为AD转换器。

图9串口通讯接线图

5.8键盘部分

通过程序的扫描，判断按键，并切换到不同的功能模式中。

实现模式切换后可以实现电压表单路和循环显示所测电压值。

图13键盘硬件程序

第六章方案设计

6.1硬件设计

系统整体电路如下：

图14系统整体框图

图15系统硬件框图

电源部分提供整个系统的电能，单片机部分控制系统，显示部分显示测量结果以及模式状态，模数转换采集电压以及电阻值发送到单片机，如果电压过高超过量程或者测量短路，单片机控制蜂鸣器报警。

通过程序烧录模块可以通过烧录线烧入程序。

通过串口通讯可以实现上位机与电压表的通讯，通过上位机选择，可以切换电压表模式，从而实现上位机功能选择的功能。

6.2软件设计

我们采用C语言编程，通过定时器0计时实现显示时间功能，通过串口中断实现上位机对下位机的模式切换功能。

通过键盘扫描和扫描处理函数，实现键盘的模式切换功能。

同时我们还设计了浮点数显示处理函数，采样函数，交流采集电压峰峰值函数，显示交流周期和峰峰值函数。

这些函数的组合，实现了电压表功能的完善。

第七章性能测试

7.1电压测试

被测量电路图：

图9、被测电路图

1、R1=200欧R2=500欧

在测量如图9所示1点的电压的时候，电压表值为1.406V

理论值为U=（200/（200+500））*5=1.429V

2、R1=4.20K欧R2=4.28K欧

在测量如图所示1点的电压的时候，电压表值为2.089V

理论值为U=（4.2/（4.2+4.28））*5=2.476V

7.2电阻值测试

1、100欧姆的电阻，电压表实测为101欧姆。

2、200欧姆的电阻，电压表实测为199欧姆。

3、4.73K的电阻，电压表实测为4.6347K。

4、6.73K的电阻，电压值实测为6.6578K。

5、10K的电阻，电压表实测为10.1020K。

6、12K的电阻，电压表实测为12.0235K。

7.3短路测试

用白色导线接于IN7，另一端黑色导线接地。

当两导线短接时1602显示为0，同时鸣蜂器报警，没有短接时蜂鸣器不报警。

7.4高压报警测试

把单片机接5.5V，鸣蜂器报警。

7.5串口功能测试

打开串口调试软件，按功能键，观察下位机，按1-8切换到各通道的模式，按9是时间模式，按10-13是特殊功能模式，串口功能正常。

7.6时间功能测试

观察时间的即使与显示功能，然后切换功能模式，再切换到时间模式，观察变化，发现时间照常计时，时间功能正常。

7.7交流峰峰、周期测试

由于没有频率信号发生器，此项扩展功能没有展开测试。

第八章结果分析

（1）电阻值测量我们发现只有0-20k的电阻测量比较准确，而大于20k的电阻就测的很不准了，这可能是因为单片机系统在工作时电阻并不是固定的，而我们电阻测量的原理是基于电阻分压原理，电阻过大就不适合测量了，因为我们的拉地电阻只有500欧姆。

（2）在电压测试功能中，一开始我们发现ADC0809的电压在没有测量值时并不稳定，但是我们通过路边下拉一个500欧姆的电阻，可以把起始电压拉为0，但是电阻不能太小，否则电流会太大。

根据测量结果，实测值比理论值基本上吻合，只是由于精度问题，不能完全相同，但是基本上符合题目的要求。

我们又测量了一节干电池，所测的电压值在1.56V左右，与现有的电压表所测量的也差不多。

（3）在蜂鸣器功能测试中，一开始系统初始化蜂鸣器没有响，这让我们检查了很久，到后来才发现1815的ebc脚弄错了，资料的管脚是从背面看的，检查出错误，我们马上重新焊接，蜂鸣器工作正常了。

（4）在液晶显示电路测试中，一开始我们要显示“madebydemon”但是却显示了一大串英文字符，这让我觉得很奇怪，因为如果别的线接错了，应该不会显示，要显示也是乱码，我检查了下液晶数据接口。

发现DB6没有接好（板子是我原来的已经有点氧化了，并没有焊上去），接好后测试正常。

在调试过程中我们发现了硬件连接的重要性，因为有太多线路要连接而导致容易出现由于粗心而导致的连接错误，这个错误看似简单，但却是在整个系统设计调试过程中最不可忽视的，因此我们在硬件焊接时非常细心，同时其他同学也要密切配合焊接同学的工作，这样一个团结的小组，才能解决所有问题，同时也可以