基于51单片机的数字电压表设计.docx
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基于51单片机的数字电压表设计
目录
摘要I
1绪论1
1.1数字电压表介绍1
1.2仿真软件介绍1
1.3本次设计要求2
2单片机和AD相关知识3
2.151单片机相关知识3
2.2AD转换器相关知识4
3数字电压表系统设计5
3.1系统设计框图5
3.2单片机电路5
3.3ADC采样电路6
3.4显示电路6
3.5供电电路和参考电压7
3.6数字电压表系统电路原理图7
4软件设计8
4.1系统总流程图8
4.2程序代码8
5数字电压表电路仿真15
5.1仿真总图15
5.2仿真结果显示15
6系统优缺点分析16
7心得体会17
参考文献18
1绪论
1.1数字电压表介绍
数字电压表简称DVM，数字电压表基本原理是将输入的模拟电压信号转化为数字信号，再进行输出显示。
而A/D转换器的作用是将连续变化的模拟信号量转化为离散的数字信号，器基本结构是由采样保持，量化，编码等几部分组成。
因此A/D转换是此次设计的核心元件。
输入的模拟量经过A/D转换器转换，再由驱动器驱动显示器输出，便得到测量的数字电压。
本次自己的设计作品从各个角度分析了A/D转换器组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。
通过自己的实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到液晶学过的知识。
其实也为建立节约成本的意识有些帮助。
本次设计同时也牵涉到了几个问题：
精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都是要慎重考虑的，这些也是在本次设计中的收获。
1.2仿真软件介绍
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是:
（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
（2）支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
（3）提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
（4）具有强大的原理图绘制功能。
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
1.3本次设计要求
本次设计的作品要求制作数字电压表的量程为0到10v，由于用到的模数转换芯片是ADC0809，设计系统给的供电电压为+5v，所以能够测量的电压范围为-0.25v到5.25v之间，但是一般测量的直流电压范围都在这之上，所以采用电阻分压网络，设计的电压测量范围是0到25v之间，满足设计要求的最大量程5v的要求。
同时设计的精度为小数点后三位，满足要求的两位小数的精度，在不考虑AD芯片的量化误差的前提下，此次设计的精度能够满足一般测量的要求。
2单片机和AD相关知识
2.151单片机相关知识
51单片机是对目前所有兼容intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的８为单片机之一。
单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器／计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。
51系列单片机内包含以下几个部件：
一个８位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；
4KB的ROM程序存储器；
一个128B的RAM数据存储器；
寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；
32条可编程的I/O口线；
两个16位定时／计数器；
一个可编程全双工串行口；
５个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
51系列单片机如下图：
图151单片机引脚图
2.2A/D转换器相关知识
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式Ａ/Ｄ转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
（1）主要特性：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
（2）内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
图2ADC0909引脚
3数字电压表系统设计
3.1系统设计框图
此次设计的是数字电压表，要求的电压范围是0~5v，而设计扩展的量程为0~25v。
系统设计主要包括四个部分：
分别是电源模块、AD模数转换部分、51单片机最小系统部分、1602液晶显示部分。
首先由单片机初始化ADC0809模数转换芯片和1602液晶显示，当外接被测电压后，ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号输入到单片机的I/O口，通过单片机处理后将电压的大小显示在1602液晶上面。
如下是本次设计作品的框图：
图3系统框图
3.2单片机电路
单片机最小系统如下图所示，各个引脚都已经标出，而且四个I/O口都已经用排阵引出，方便外接I/O扩展用。
图4单片机最小系统
3.3ADC采样电路
由于ADC0809是带地址锁存的模数转换器件，ADDA、ADDB、ADDC为模拟通道选择，编码为000~111分别选中IN0~IN7。
ALE为地址锁存信号，其上升沿锁存ADDA、ADDB、ADDC的信号，译码后控制模拟开关，接通八路模拟输入中相应的一路。
CLK为输入时钟，为AD转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为640KHz。
START为AD转换启动信号，正脉冲启动ADDA~ADDC选中的一路模拟信号开始转换。
OE为输出允许信号，高电平时候打开三态输出缓存器，是转换后的数字量从D0~D7输出。
EOC为转换结束信号，启动转换后EOC变为低电平，转换完成后EOC编程高电平。
图5ADC模数转换
3.4显示电路
以下是1602液晶引脚的接线图，中间没有接线的为数据控制端口。
1602字符型通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样：
图61602引脚图
3.5供电电路和参考电压
由于此次系统的芯片工作电压为+5v，所以用常用的三端稳压器LM317和LM337构成的电源系统供电，其中ADC0809要提供一个准确的参考电源才能正常的工作，而LM317正好能够达到要求。
图7系统供电部分
3.6数字电压表系统电路原理图
如下是此次数字电压表系统的总原理图，其中的连线用网络标号表示出来，省去了连线的麻烦，而且是总图的可读性增强。
图8数字电压表总原理图
4软件设计
4.1系统总流程图
此次设计的数字电压表系统比较简单，就设置了一个量程为0~25v，所以没有用到按键控制，也没有其他的功能，因此程序比较简单，在输入模拟信号时采用电阻分压，最终的采样输入电压只有实际输入电压的十分之一，所以在编写程序中要编写一段数据调整程序，如下为系统总流程图：
图9系统流程图
4.2程序代码
/********电压表********/
#include
#include//库函数头文件，代码中引用了_nop_（）函数
/*ADC初始定义*/
sbitstart=P3^0;//转换开始控制
sbitoe=P3^2;//输出允许控制
sbiteoc=P3^1;//转换结束信号
sbitclock=P3^3;//转换时钟
sbitP0_2=P0^2;//蜂鸣器
sbitP0_5=P0^5;
sbitP0_6=P0^6;
sbitP0_7=P0^7;
/*1602液晶初始定义*/
sbitRS=P0^0;//读控制
sbitRW=P0^3;//写控制
sbitE=P0^1;//使能端
unsignedcharda0,da1,da2,da3,da4;
unsignedinttemp;
unsignedintd1,d2,d3;
unsignedchardat;//数字电压量
unsignedcharlcdd[]="0123456789";
voidlcd_w_cmd（unsignedcharcom）;//写命令函数
voidlcd_w_dat（unsignedchardat）;//写数据函数
voiddisplay（unsignedchardat）;//显示函数
unsignedcharlcd_r_start（）;//读状态函数
voidint1（）;//LCD初始化函数
voiddelay（unsignedchart）;//可控延时函数
voiddelay1（）;//软件实现延时函数，5个机器周期
/*显示函数部分*/
voiddisplay（unsignedchardat）
{
temp=5*dat;//量程扩大五倍
da0=temp/51/10;//十位
da1=temp/51%10;//个位
d1=temp%51;
d1=d1*10;
da2=d1/51;//十分位
d2=d1%51;
d2=d2*10;
da3=d2/51;//百分位
d3=d2%51;
d3=d3*10;
da4=d3/51;//千分位
lcd_w_cmd（0x0c）;//设置光标不显示、不闪烁
delay（20）;
lcd_w_cmd（0xc0）;//第二行起始显示地址0x80
delay（20）;
delay
（2）;
lcd_w_dat（'V'）;//显示字符串‘volatageis’
lcd_w_dat（'o'）;
lcd_w_dat（'l'）;
lcd_w_dat（'a'）;
lcd_w_dat（'t'）;
lcd_w_dat（'a'）;
lcd_w_dat（'g'）;
lcd_w_dat（'e'）;
lcd_w_dat（''）;
//显示电压的大小
lcd_w_dat（lcdd[da0]）;//十位
lcd_w_dat（lcdd[da1]）;//个位
lcd_w_dat（'.'）;//小数点
lcd_w_dat（lcdd[da2]）;//十分位
lcd_w_dat（lcdd[da3]）;//百分位
lcd_w_dat（lcdd[da4]）;//千分位
lcd_w_dat（'V'）;//单位
}
/*主函数*/
voidmain（）
{
P0_2=1;//关蜂鸣器
P0_5=P0_6=P0_7=0;//选择000第一通道
int1（）;//LCD初始化
while
（1）
{
start=0;
start=1;//获得上升沿复位
start=0;//获得下降沿启动转换，同时ALE开锁存
do
{
clock=~clock;//时钟信号
}
while（eoc==0）;//等待转换结束，eoc=1结束
oe=1;//三态锁存缓冲器打开
dat=P1;//数字电压信号输出
oe=0;//三态锁存缓冲器关闭
display（dat）;
}
}
/*延时函数*/
voiddelay（unsignedchart）
{
unsignedcharj,i;
for（i=0;ifor（j=0;j<20;j++）;
}
/*延时函数1*/
voiddelay1（）
{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
/*LCD初始化函数*/
voidint1（）
{
lcd_w_cmd（0x3c）;//设置工作方式
lcd_w_cmd（0x0c）;//设置光标
lcd_w_cmd（0x01）;//清屏
lcd_w_cmd（0x06）;//设置输入方式
lcd_w_cmd（0x80）;//设置初始显示位置
}
/*LCD读状态函数*/
//返回值：
返回状态字，最高位D7=0，LCD控制器空闲；D7=1,LCD控制器忙
unsignedcharlcd_r_start（）
{
unsignedchars;
RW=1;//RW=1，RS=0，读LCD状态
delay1（）;
RS=0;
delay1（）;
E=1;//E端时序
delay1（）;
s=P2;//从LCD的数据口读状态
delay1（）;
E=0;
delay1（）;
RW=0;
delay1（）;
return（s）;//返回读取的LCD状态字
}
/*LCD写命令函数*/
voidlcd_w_cmd（unsignedcharcom）
{
unsignedchari;
do
{//查LCD忙操作
i=lcd_r_start（）;//调用读状态字函数
i=i&0x80;//与操作屏蔽掉低7位
delay
（2）;
}
while（i!
=0）;//LCD忙，继续查询，否则退出循环
RW=0;
delay1（）;
RS=0;//RW=0，RS=0，写LCD命令字
delay1（）;
E=1;//E端时序
delay1（）;
P2=com;//将com中的命令字写入LCD数据口
delay1（）;
E=0;
delay1（）;
RW=1;
delay（255）;;
}
/*LCD写数据函数*/
voidlcd_w_dat（unsignedchardat）
{
unsignedchari;
do
{//查忙操作
i=lcd_r_start（）;//调用读状态字函数
i=i&0x80;//与操作屏蔽掉低7位
delay
（2）;
}
while（i!
=0）;//LCD忙，继续查询，否则退出循环
RW=0;
delay1（）;
RS=1;//RW=1，RS=0，写LCD数据
delay1（）;
E=1;//E端时序
delay1（）;
P2=dat;//将dat中的显示数据写入LCD数据口
delay1（）;
E=0;
delay1（）;
RW=1;
delay（255）;
}
5数字电压表电路仿真
5.1仿真总图
为了验证此次设计原理图的正确性，在制作实物之前用专业软件做了仿真，在Proteus软件中设置AT89C51单片机的晶振频率为12MHz。
本电路EA接高电平，没有扩展片外ROM。
如下图是此次系统仿真的总原理图部分：
图8仿真总图
通过用protues软件的仿真发现此次设计的系统原理图能够实现电压的正确测量，而且电压的误差较小，1602液晶屏能够正确显示出测量出来的结果。
5.2仿真结果显示
如下图为此次仿真的测量电压的结果的截图：
图9仿真结果显示
6系统性能分析
通过理论分析和电路仿真，现在对此次课程设计的数字电压表系统设计结果进行总结。
通过仿真我们可以看到仿真结果和理论分析是相符合的，也即此次设计的系统能够在一定的条件下达到课程设计目的，实现对外接电压的测量，电路结构简单，但是可以看出在系统的稳定性及可靠性方面做得不够。
具体体现在以下几个方面：
（1）数字电压表系统中对于外界被测电压的变化反应不够灵敏，变化比较慢，主要是因为ADC模数转换芯片的转换速率不够；
（2）数字电压表系统测量的外界电压不够准确，跟用示波器或者高精度的电压表测量的结果有偏差，主要是因为ADC芯片的位数不够；
（3）而且ADC的参考电压不准确也会造成测量结果的不准确；
（4）另外很重要的影响因素是因为AD芯片的测量输入电压最大为5v，而设计的是25v，量程扩大了五倍，运用的是电阻分压网络，如果用精密电阻可以做到很高的精度，而设计中用的是5%误差的碳膜电阻，温度系数高，而且不稳定，这是很重要的一个影响因素。
针对上述问题，理论上可以用一下方法进行改进：
（1）在换用高精度的ADC芯片能够改善测量精度的问题，一般用12位AD既能满足要求；
（2）制作高精度电压参考源，通过提高ADC模数转换芯片的参考电压的精度来提高测量的电压精度；
（3）运用高精度的金属膜电阻构成分压网络，能够最大限度提高精度；
（4）通过查阅书籍可以找到ADC0809的误差系数和碳膜电阻的温度系数，然后在编程的时候进行软件的补偿和参数校正，能够最优化的用软件来补偿硬件的误差问题，这个在编程思想中是很重要的。
虽然时间紧迫，最终按照仿真成功的原理图焊接实物，并调试，调试成功！
而且在老师的指点下，使系统得到了最大优化的提高。
7心得体会
通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务是设计、组装并调试一个数字电压表测量系统。
需要我们综合运用单片机等课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。
在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。
动手能力得到很大的提高。
从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的高频电路知识。
在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。
但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。
把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
这对今后从事技术工作无疑是个很好的训练。
通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。
同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。
还有就是每次在组团做试验都会感觉特别的充实，我们可以按照自己设计的电路去完成，老师也不是死板的要求我们怎么怎么，而是给了我们尽可能大的自己决定的余地，这次的元器件都是按照我们设计出来的电路参数给定的，而且每位老师都很耐心的为我们解决试验中所出现的问题，最后真心的感谢老师对我们课程设计的建议和帮助，我们才得以圆满的完成这次课程设计！
参考文献
[1]李群芳,张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：
电子工业出版社，2008
[2]李群芳.单片机原理接口与应用.北京：
清华大学出版社，2005
[3]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：
国防工业出版社，1999
[4]高峰.单片微机应用系统设计及使用技术.北京：
机械工业出版社，2007
[5]彭伟.单片机c语音程序设计实例基于protues仿真.北京：
电子工业出版社，2007
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