基于单片机数字电压表的硬件设计

基于单片机数字电压表的硬件设计内容摘要：

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 3 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。 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。 新型数字仪表的发展主要有五个方向： ，不断开发新产品 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。 4 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。 ③ LED 光柱，它是又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。 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 第 2 章 系统硬件设计 功能要求 数字电压表可以测量 0～ 5V 的输入电压值，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。 方案论证 核心芯片的选择 AT89C52 单片机价格低廉，输入输出口丰富，无需再另外扩展，简化了外围电路。 256 B内部 RAM， 8 kB 内部 ROM， 程序存储空间大，防止由于字模过多而造成存储空间不够。 另外由于前期开发需要多次的写入、擦除，而 89C52 可以完成 1000 次写／擦，故满足要求。 模数转换芯片的选择 ADC0809 是 8位的 A／ D转换芯片，为逐次逼近型。 由单一的 +5 V 电源供电，片内带有所存功能的 8路模拟多路开关，可对 8 路 0～ 5 V 的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需 100μs ；片内的地址译码和锁存电路，将单片机的三条地址信号译码生成选择八路模拟通道。 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可以直接接到单片机的数据线上。 按系统功能实现要求，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，还可以方便地进行 8 路其它 A/D 转换量 的测量 、 远程测量结果传送的扩展功能。 实验证明，采用 AT89C52 开发的系统性能可靠、成本较低、软件设计灵活简单、硬件接口功能丰富，具有扩展性好、通用性强等优点。 数字电压表系统设计方案框图如 图 21所示： 6 AT89C52P0P2P1P3ADC0809LED 显示器上电复位串口通信电源电路 图 21 数字电压表系统设计方案 系统硬件电 路的设计 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，电路原理图如图 22所示。 A/D 转换由集成电路 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 2S 宽高电平脉冲时，就开始 A/D 转换。 7脚为转换结束标志，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 脚为高电平时， A/D 转换数据从该端口输出。 10 脚为 0809 的时钟输入端。 单片机 P ～ 的端口作为四位数码管显示控制； 端口用作串行口输入端， 端口用作串行口输出端； 端口用作单路显示 /循环显示转换按钮， 端口用作单路显示时选择通道； 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。 7 图 22 数字电压表电路原理图 第 3 章 系统 主要 硬件 模块 介绍 本系统主要包括三大模块 :AT89C52 控制模块、 A/D 转换模块 、 LED 显示模块。 这三大模块的共同作用最后完成数字电压表的设计。 AT89C52 控制模块 控制模块是由 AT89C52 单片机 来实现数据的处理和控制的。 AT89C52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)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 MCS51指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 此外， AT89C52 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 8 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 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。 AT89C52 的主要性能 AT89C52 具有如下特点： （ 1） 与 MCS_51 产品兼容； （ 2） 具有 8K 字节可在系统编程的 Flash 内部程序存储器，可擦 /写 100 次； （ 3） ～ 的工作电压范围 ； （ 4） 全静态操作： 0HZ～ 24MHZ； （ 5） 三级程序存储器加密； （ 6） 256 8bit 内部 RAM； （ 7） 32根可编程 I/O 线； （ 8） 三个 16 位定时器 /计数器； （ 9） 8个中断源； （ 10） 全双工异步串行通信通道； （ 11） 低功耗空闲和掉电保护； （ 12） 通过中断中止掉电方式； （ 13） 看门狗定时器； （ 14） 两个数据指针； （ 15） 时钟频率 0～ 33MHZ； （ 16） 全双工 UART 串行中断口线； （ 17）灵活的 ISP 字节和分页编程。 AT89C52 的引脚结构及功能 (1)AT89C52 引脚结构图如下图 31所示： 9 图 31 AT89C52 引脚结构图 (2)此设计用到的主要管脚及功能 XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 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。 VCC（ 40 脚）和 VSS（。