基于单片机的数字电压表设计(编辑修改稿)

基于单片机的数字电压表设计(编辑修改稿)内容摘要：

有数字的位是整数位； ② 分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。 例如，某数字仪表的最大显示值为 1999，满量程计数值为 2020，这表明该仪表有 3 个整数位，而分数位的分子为 1，分母是 2，故称之为 31/2 位，读作三位半。 3．准确度高 准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。 4．分辨率高 数字电压表在最低电压量程上末位 1 个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。 分辨力随显示位数的增加而提高。 分辨率是指所能显示的最小数 字（零除外）与最大数字的百分比。 例如 31/2 位 DVM的分辨率为1/1999≈ ％。 需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。 从测量角度看，分辨力是 虚 指标（与测量误差无关），准确度才是 实 指标（代表测量误差的大小）。 5．测量范围宽 多量程 DVM 一般可测量 0～ 1000V 直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。 6．扩展能力强 在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（ DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。 7．测量速度快 数字电压表在每秒钟内对被测电压的测 量次数，叫测量速率，单位是 次 /S。 它主要取决于 A/D 转换器的转换速率，其倒数是测量周期。 8．输入阻抗高 数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为 10MΩ ～ 10000MΩ ，最高可达 1TΩ。 9．集成度高，微功耗 新型数字电压表普遍采用 CMOS 大规模集成电路，整机功耗很低。 10．抗干扰能力强 51/2 位以下的 DVM 大多采用积分式 A/D 转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达 100dB、 80～ 120dB。 高档 DVM 还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达 180dB。 2． 2 数字仪表的发展趋势 采用新技术、新工艺，由 LSI 和 VLSI 构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。 1．广泛采用新技术，不断开发新产品 2．模块化的发展方向 新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。 预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。 表面安装技术（ SMT）和表面安装元器件（ SMD）将获得普遍应用。 这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突 破。 所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（ SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。 3．多重显示仪表 为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题， 数字 /模拟条图 双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。 模拟条图大致分成三类： ① 液晶（ LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适 于电池供电的小型化仪表。 ② 等离子体（ PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。 ③LED 光柱，它是由多只发光二极管排列而成。 这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。 4．安全性 仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。 一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国 UL 认证，欧洲 GS 认证， ISO9001 国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的 各种安全警告指示。 仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。 以 DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。 5．操作简单化 第 三 章 系统设计 3． 1 功能要求及设计目标 简易数字电压表可以测量 0～ 5V 的 8 路输入电压值，并在四位 LED 数码管上轮流显示或单路选择显示，测量最小分辨率为 ，测量误差约为177。 3． 2 方案论证 按照系统功能实现要求，决定控制系统采用 AT89C52 单片机， A/D 转换采用ADC0809。 系统 除能确保实现要求的功能外，还可以方便进行 8路其他 A/D 转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。 数字电压表系统设计方框图如图。 图 3． 3 系统硬件电路设计 简易数字电压测量电路由 A/D 转换、数据处理及显示控制等组成， A/D 转换有集成电路 0809 完成。 0809 具有 8 路模拟输入端口，地址线（ 23~25 脚）可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换。 22脚为地址锁存控制 ，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。 6脚为测试控制，当输入一个 2us 宽高电平时，就开始 A/D 转换。 7脚为 A/D 转换结束标志，当 A/D 转换结束时， 7脚输出高电平。 9 脚为 A/D转换数据输出允许控制，当 OE 脚为高电平， A/D 转换数据从该端口输出。 10脚为 0809 的时钟输入端，利用单片机 30 脚的六分频晶振频率再通过分频器二分频得到 1MHz 时钟。 单片机的 P ~ 端口作为四位 LED 数码管显示控制。 端口用作单路显示 /循环显示转换按钮， 端口用作单路显示选择频道。 P0 端口作 A/D转换数据读入用， P2 端口用作 0809 的 A/D转换控制。 上点复位 AT89C52 P0 P2 P1 P3 ADC0809 LED 显示 串口通信 电源电路 图 系统电路图 图 52芯片 与 A/D模块 连接 电路 图 图 2分频电路图 分频器是由两块 74S74 芯片组成的二分频电路，也可由 14024 芯片单独完成。 在本设计中采用了前者。 引脚 3接 89C52 的 30 脚。 由晶振产生的 12MHz 晶振频率，利用单片机 30 脚的六分频晶振频率再通过分频器二分频得 到 1MHz 时钟。 引脚 5连接 0809 的 10脚。 10 脚为 0809 的时钟输入端。 图 晶振电路图 晶振 输入输出电路分别连接单片机 1 19引脚。 18脚 XTAL2是振荡器反相放大器的输出端。 19脚 XTAL1是振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 图 RST引脚连接图 当系统上电时， RST 脚持续 2个机器周期高电平将使单片机复位。 3． 4 系统程序的设计 初始化程序 系统上电时，初始化程序将 70H~77H 内存单元清 0， P2口置 0。 主程序 在刚上电时，系统默认为循环显示 8 个通道的电压值状态。 当进行一次测量后，将显示每一通道的 A/D 转换值，每个通道的数据显示时间为 1s 左右。 主程序在调用显示程序和测试子程序之间循环，主程序流程图见图。 图 主程序流程图 显示子程序 显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。 测量所得的 A/D 转换数据放在 70H～ 77H内存单元中，测量数据在显示时需转换为十进制 BCD 码放在78H～ 7BH 单元中，其中 7BH 存放通道标志数。 寄存器 R3 用作 8 路循环控制， R0用作显示数据地址指针。 模 /数转换测量子程序 数转换测量子程序用来控制对 0809 八路模拟输入电压的 A/D转换，并将对应的数值移入 70H～ 77H内存单元。 其程序流程见图。 开始 初始化 调用 A/D 转换子程序 调用显示子程序 图 A/D转换测量程序流程图 3． 5 性能分析 单片机为 8 位处理器，当输入电压为 时，输出数据值为 255（ FFH），因此单片机最大的数值分辨率为 （ 5/255）。 这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到。 测试时电压数值的变化一般以 的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用 12位、 13 位的 A/D 转换器。 ADC0809 的直流输入阻抗为 1M 欧，能满足一般的电压测试需要。 另外，经测开始 启动测试（ TESTART） A/D 转换结束。 =1。 取数据（ =1） 0809 地址加 1 地址数小于 8。 结束 N Y N Y 试 ADC0809 可直接在 2MHz 的频率下工作，这样可省去分频器。 第 四 章 主要硬件功能及 介绍 系统所采用的硬件为： A/D 转换器 ADC0809 以及单片机 AT89C52。 以下就对两块主要芯 片的功能进行简单的介绍。 4． 1 ADC0809 主要特性 1） 8路 8位 A／ D 转换器，即分辨率 8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100μ s 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。 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 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 D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其他一些电路组成。 因此， ADC0809 可处理 8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。 输入输出与 TTL 兼容。 图 ADC0809内部结构框图 图 ADC0809引脚图 外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图。 下面说明各引脚功能。 IN0～ IN7： 8 路模拟量输入端。 21～ 28： 8位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址输入线，用与选通 8 路模拟输入中的一路。 如表 所示。 表 ADDA、 ADDB、 ADDC真值表 ADDC ADDB ADDA 输入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A／ D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A／ D 转换结束信号，输出，当 A／ D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输 入，高电平有效。 当 A／ D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D 转换完成， EOC 变为高电平，指示 A／ D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 4． 2 AT89C52 AT89C52是 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8位单片机。 片内含 8kbtyes的可反复擦写的 Flash只读程序储存器和 256bytes的随即存取数据储存器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性储存技术生产，与标准 MCS51指令系统及8052 产品引脚兼容。 片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C52 单片机适合与许多较为复杂控制应用场合。 主要性能 与 MCS5。