说明书正文HJB课设.doc
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武汉理工大学《智能仪器课程设计》说明书
1绪论
数字电压表简称DVM，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，其精度高、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。
本系统用单片机AT89S51构成智能化数据采集和电压监控系统,具有精度高、速度快、性能稳定和电路简单且工作可靠等特点,具有很好的使用价值。
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。
本课设用ADS7825制成数字电压表可以测量0～5V的输入电压值，ADS7825进行模数转换然后送给单片机处理，用数码显示器进行测量结果的显示。
以便于与其它设备进行数据交换，便于实现智能化控制。
该系统以单片机为核心具有如下功能：
1）能对2-4v范围变化的模拟信号进行连续采样（模拟信号中有尖峰脉冲干扰和50Hz工频干扰）和实时数字显示，采样频率为10Hz，保存最近的50个连续采样值；2）当采样值小于2v时第1个报警灯闪烁，大于4v时第2个报警灯闪烁；3）能对存在的系统误差进行线性插值校正；4）能和上位机进行串行通信，根据上位机的要求随时将采样数据上传；5）能产生占空比为20%幅度为5v的50Hz脉冲波供外设用。
本章重点对它的硬件和软件部分进行详细介绍
2方案设计
2.1A/D采样模块的选择
方案一：
利用ADS7825芯片来进行A/D转换，，它是4通道，16位模数转换器，由单一5V电源供电，数据采样及转换时间不超过25us，它的最大优点就是数据可以并行输出，又可串行输出，所以转换速度比较快，使用也很方便。
方案二：
MAX197是一种单电源，工作电压为5V，并行12位A/D转换器，其采样速率可以达到100ksps，采样有效动态范围可增至16位。
具有8个采集通道，可独立设置多种输入范围：
±10V、±5V、0V至10V或0V至5V，且任何通道的故障都不影响其他通道的变换结果。
由于该芯片在片内已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围元件极少，因此,用MAX197构成的数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和可扩展功能多的优点。
经比较，为了更好实现电路要求、采集精度适合，AD采样模块采用方案一。
2.2显示模块的选择
方案一：
采用液晶1602显示，它属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
但它微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
方案二：
采用数码管显示，数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一点，它在单片机里可以用作静态显示和动态显示，只要我们输入段码和位码，我们就可以在相应的数码管显示我们想要的数值,不断的循环移位显示，并且保证间隔时间很短，就可以动态显示了。
根据性价比和编程方便的需要，综合考虑我选择方案二
2.3总设计方案与系统框图
根据设计要求，该系统采用51内核的8位机作为控制核心，A/D转换器采用ADS7825，它是16位转换，因为要求电压显示精度要1mv，所以8位转换明显不够，所以就采用了16位转换的，数字量经过CPU处理后，转化为十进制数，这就是我们要显示出来的电压值，我们采用动态显示，把4位数字量循环显示出来，同时我们还可以利用51的定时器在P3.6引脚输出满足条件的方波，利用RS232端口可以实现单片机与PC机之间的串口通信，把单片机采集到的50个数据进行实时传送和显示。
输入AD转换的模拟信号，50hz工频干扰利用带阻滤波器消除，脉冲干扰信号采用数字滤波用软件编程加以去除，零点误差和增益误差利用软件编程进行校正。
本设计的系统框图如下图2-1所示:
LED数码显示
滤波电路
/
模拟量输入通道
A\D转换
/
单片机
PC上位机
RS232串口
方波输出
显示
报警显示
图2-1系统总设计框图
3硬件部分设计
3.1单片机系统介绍以及报警显示方波输出
本设计采用的单片机芯片为AT89C51，提供以下标准功能：
4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
由于我们平时学习已经对它有很深的了解，所以在这里我就不对它的各个引脚功能进行详细说明。
如下图3.3所示，我们把P0口做为数码显示通道，把P1口作为A/D转换后的数字量输入通道,P3.0和P3.1作为上位机串口通信的接收发送通道，P3.2和P3.3作为报警LED灯亮灭通道，P3.6作为所需方波输出通道，P2口作为数码管位选通道以及AD芯片的控制信号。
工作原理：
A/D转换后的数字量从P1口输入，由于AD为16位转换，所以数字量分高8位和低8位进行接收，在芯片中进行处理后把模拟量电压的段码从P0口输出给数码管，其中P2.0~P2.3作为数码管的位选信号端，就可以实现动态显示。
P3.2和P3.3口我们可以用软件编程来实现报警灯的亮灭，当电压值小于2.000V时我们让P3.2口置1，这时报警灯1亮，当电压值大于4.000V时，我们让P3.3口置1，这时报警灯2亮。
要想输出符合要求的方波，我们可以编程来实现，同时还需要硬件电路实现，当P3.6口为高电平时，光电耦合器不工作，这时通过上拉电阻得到电压值5V,当P3.6口为低电平时，光耦合导通，这时输出电压为0，占空比为20%，周期为50HZ，只要利用单片机的定时器和中断编程就可以得到。
图3.1单片机芯片及电路图
3.2滤除５０Ｈｚ工频干扰的滤波电路设计
滤除50HZ工频干扰的滤波电路设计，采用具有滤波，放大，反馈，调节功能的可调Q值双Ｔ有源带阻滤波电路,在有源带阻滤波电路基础上,又增加了具有反馈功能的运算放大器U2:
A和具有调节功能的电位器RW。
其中，电位器RW具有调节电路的品质因数Q的作用，Q值越大，阻带宽度越窄，选频特性越好．滤除50HZ工频干扰的滤波电路如图3.2所示，在５０Ｈｚ带阻滤波电路设计中，带阻滤波器的中心频率f0＝1/2πRC,所以令C4＝C5＝0.01uF，则R4=R5≈318.4KΩ，C11＝0.02uF，R6≈159.2KΩ．调整电位器RW，使阻带中心频率在50HZ处，并且阻带带宽在２Ｈｚ以内，以达到在输出电压V0中完全滤除50HZ工频信号及其二次谐波干扰的目的．
图3.250HZ工频干扰滤波电路
3.3系统A/D转换电路介绍
由于设计要求规定电压分辨率要达到1mv，因为8位AD的分辨率为1/2^8大于0.001，所以不满足条件，所以我选择16位的AD转换器ADS7825，分辨率为1/2^16小于0.001下面对这个芯片做介绍
ADS7825是美国B-B公司生产的4通道,16位模数转换器。
它由单一5V电源供电,数据采样及转换时间不超过25μs,可输入-10.0～10.0V的模拟电压。
AD转换后的数据既可并行输出,也可串行输出,数据转换模式还可设置为4通道间连续循环转换,使用极其方便。
下面对该芯片引脚做详细说明，如下图3.1所示：
AIN0～AIN3:
4个模拟通道,可接受-10.0～10.0V的模拟输入电压。
PAR/SER:
该管脚为高电平时,数据在D0～D7脚并行输出;为低电平时,数据在SDATA脚串行输出。
BYTE:
并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。
BYTE=1时,输出低8位D0～D7,BYTE=0时,输出高8位D0～D7。
R/C:
读数/启动转换,该管脚被一下降沿触发将保持前次的采样并启动下一次模数转换;上升沿触发,则允许读数。
BUSY:
状态标志位,只读管脚。
在AD转换过程中,该管脚输出始终保持低电平。
转换结束,数据锁存到输出寄存器后,该管脚输出高电平。
当数据作并行输出时,必须使BUSY=1,才可读数。
CONTC:
选择转换模式。
CONTC=0时,必须用CS及R/C来逐次启动AD转换;CONTC=1时,采样和读取数据在4个通道之间自动循环进行。
SYNC:
串行数据输出帧同步信号。
SYNC为输出管脚,仅在数据作串行输出时使用。
输出正脉冲时,其后沿标志着一帧数据的最高位开始输出。
TAG:
该脚仅在多个ADS7825联合工作、数据作串行输出且用外部时钟工作时才起作用。
当电路中使用单个ADS7825时,可在TAG脚接低电平。
当电路中ADS7825联合工作时,可将前一级ADS7825的SDATA脚接至后一级ADS7825的TAG脚。
第一级ADS7825的TAG脚接地,最后一级ADS7825的SDATA脚输出数据,这样,最后一级ADS7825的SDATA脚将由后级至前级依次输出各个ADS7825的转换数据。
图3.3ADS7825芯片模数转换电路
3.4零点误差和增益误差校正电路
如右图所示，它是八通道的模拟输入开关，我们利用CPU对它的控制可以进行通道输入的设置，分别在输入端接入零位电压和标准电源E,测出滤波器后的电压分别为y0和y1,得到两个方程，表示为：
0=b1y0+b0
E=b1y1+b0
把这两个方程联立后解得b1=E/（y1-y0）
b0=E/（1-y1/y0）
于是经过校正后的实际模拟电压输入量
X=E（y-y0）/（y1-y0）
图3.4多路模拟开关
自动增益校正原理如下所示：
A
微处理器
A/D转换器
图3.4.2增益自动校正原理图
3.5数码显示部分设计
数码管就采用共阴极的，由单片机P0口输给它段码，高电平有效，每个数码管显示所要的数字，另外由单片机P2.0~P2.3口来作为数码管的位选通，低电平有效，位不断的循环选通，且延时时间很短就形成了动态显示
图3.5数码显示器
3.6上位机通信电路设计
上位机通讯电路本设计采用MAX232芯片进行电平转换，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电，它的作用就是完成TTL电平与RS232电平的转换，即是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。
MAX232引脚分布如图3.6所示，各引脚标号，作用如下：
1载波检测DCD
2接收数据RXD
3发送数据TXD
4数据终端准备好DTR
5信号地SG
6数据准备好DSR
7请求发送RTS
8清除发送CTS
9振铃提示RI
图3.6RS232串口通信电路
4系统软件部分设计
4.1A/D转换子程序
unsignedintGetAdsvalue（）
{
unsignedintDianYa1=0,DianYa2=0,DianYa=0;
Delay（10）;
CS_7825=0;//芯片选通使能
RC_7825=0;
RC_7825=1;//相当于给了一个高电平脉冲启动转换
nop（）;nop（）;nop（）;nop（）;
while（BUSY_7825==1）;//等待转换结束
BYTE_7825=1;
Delay（10）;
DianYa1=ADS_Data;//返回电压寄存器中低八位的值
BYTE_7825=0;
Delay（10）;
DianYa2=ADS_Data;//返回电压寄存器中高八位的值
DianYa=DianYa2*100+DianYa1;
CS_7825=1;
returnDianYa;//返回电压寄存器中的值
}
4.2数码显示以及报警灯子程序
voidDisVoltage（unsignedintV_0804）
{doubleVoltage0=（double）V_0804;
unsignedcharGe=0;//用于存取个位数值
unsignedcharXiao1=0;//用于存取小数点后第一位数值
unsignedcharXiao2=0;//用于存取小数点后第二位数值
unsignedcharXiao3=0;//用于存取小数点后第三位数值
LED1=0;
LED2=0;
Voltage0=（60.9365619412*（Voltage0/65535））*1000;//电压值已经转换并且*1000用于提取小数点后三位
if（Voltage0<2000）
{LED1=1; }
if（Voltage0>4000）
{LED2=1; }
//提取每一位的数值
Ge=（（unsignedint）Voltage0）/1000%10;
Xiao1=（（unsignedint）Voltage0）/100%10;
Xiao2=（（unsignedint）Voltage0）/10%10;
Xiao3=（（unsignedint）Voltage0）%10;
//显示
SMG_WData=0xff;//消隐
SMG_DData=SMG_Dcode[Ge]|0x80;//段码
SMG_WData=SMG_Wcode[0];//位码
Delay（4）;
SMG_WData=0xff;//消隐
SMG_DData=SMG_Dcode[Xiao1];//段码
SMG_WData=SMG_Wcode[1];//位码
Delay（4）;
SMG_WData=0xff;//消隐
SMG_DData=SMG_Dcode[Xiao2];//段码
SMG_WData=SMG_Wcode[2];//位码
Delay（4）;
SMG_WData=0xff;//消隐
SMG_DData=SMG_Dcode[Xiao3];//段码
SMG_WData=SMG_Wcode[3];//位码
Delay（4）;
SMG_WData=0xff;
}
4.3方波输出子程序
voidTimer0（void）interrupt1using1
{
OUT=0;//输出端为0
TR0=0;//关闭计时器0
TH0=0xF1;
TL0=0x9A;//T0重新装入计数初值
}
voidTimer1（void）interrupt3using2
{
OUT=1;//输出端为1
TR0=1;//启动计时器0
TH1=0xB8;//T1重新装入计数初值
TL1=0x00;
}
voidmain（）
{
OUT=0;
TMOD=0x11;//定时器设置工作方式
EA=1;//开总中断
ET0=1;//开中断允许标志位
ET1=1;
TH1=0xB8;//T1置计数初值
TL1=0x00;
TH0=0xF1;
TL0=0x9A;//T0置计数初值
TR0=1;//启动计数器
TR1=1;
while
（1）
{
DisVoltage（GetAdsvalue（））;
}
}
4.4各单元流程图
16进制数字量转换为10进制数
LED1报警灯亮
LED2报警灯亮
提取要显示的个位，十百千分位
位选通0，输入个位段码，延时
位选通1，输入十分位段码，延时
位选通2，输入百分位段码，延时
位选通3，输入千分位段码，延时
小于2000？
大于4000？
开始
选通ADS7825芯片
启动A/D转换
延时等待
BYTE置1，返回电压寄存器低八位
BYTE置0，返回电压寄存器高八位
合并成16位数字量
转换结束即BUSY=1?
开始
返回
图4.4.2数码显示与报警流程图
图4.4.1A/D转换流程图
定时器T0,T1设置工作方式1
置T0计数初值为0F19AH
置T1计数初值为0B800H
开中断允许位ET0和ET1
开总中断EA
启动计数器T0和T1
在主程序运行等待中断
开始
输出端P3.6=0
输出端P3.6=1
开启T0计时，TR=1
关闭T0计时，TR0=0
T0重新装入初值
T1重新装入初值
T0计时4ms后进入中断服务子程序1
T1计时20ms后进入中断服务子程序2
返回
返回
图4.4.3方波产生流程图
设定定时器3工作模式
设定波特率
设定串行口工作方式
启动定时器3
是否被应答?
发送完毕?
发送数据
发送请求
等待
计数变量+1
开始
结束
图4.4.4RS232串口通信流程图
5仿真结果
图5.1电压刚低于4V显示图
图5.2电压刚大于2V显示图
图5.3电压低于2V时报警图
图5.4电压高于4V时报警图
图5.5方波输出图
6课设总结
作为一名测控专业的大三学生，我觉得做智能仪器课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？
我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：
Protel制图、汇编语言、模拟和数字电路知识等。
在学习的过程中带着问题去学,我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一大收获。
同时，我认识到，要做好一个课程设计，就必须做到：
在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。
两周的
升级会员 