基于51单片机的简易数字电压表的设计.docx
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基于51单片机的简易数字电压表的设计
课题交流毫伏表设计
系别
专业
年级
姓名
学号
指导教师
第一章引言……………………………………………………………2
1.1摘要…………………………………………………………………………..2
1.2设计目的…………………………………………………………………….2
1.3设计任务及要求…………………………………………………………….2
1.4课程设计过程………………………………………………………………2
第二章系统方案选择和论证………………………………………….3
2.1基本方案论证………………………………………………………………..3
2.2输出部分中各模块的方案选择……………………………………………..3
2.3总体方案设计………………………………………………………………..4
第三章AT89C51的结构………………………………………..…...5
3.1AT89C51的概述……………………………………………………………..5
3.2AT89C51部结构…………………………………………………………5
3.3存储器和特殊功能寄存器的介绍………………………………………….5
3.4时钟电路和复位电路……………………………………………………….7
第4章元器件的选择………………………………………………….7
4..1显示………………………………………………………………………….7
4.2模数(A/D)芯片…………………………………………………………..11
4.3数模AC/DC736芯片………………………………………………………13
4.4OP07………………………………………………………………………….13
第五章电路的设计……………………………………………………..14
5.1 时钟电路…………………………………………………………………….15
5.2 A/D转换程序……………………………………………………………….17
第6章系统的调试……………………………………………………..18
6.1硬件的调试…………………………………………………………………….18
6.2软件调试………………………………………………………………………..19
参考文献………………………………………………………………….20
附录……………………………………………………………………….20
程序清单…………………………………………………………………………….20
元件清单…………………………………………………………………………….25
容摘要
本次设计主要解决AC/DC转换、A/D转换、数据处理及显示控制等几个模块。
控制系统采用AT89C51单片机,A/D转换采用ADC0809。
要求交流毫伏表检测信号的电压围:
1mv—2v,输入信号的频率围:
10Hz-2000KHz,并在LCD1602液晶上显示测量电压信号。
关键词AT89C51单片机;电压测量;A/D转换;LCD1602液晶显示;AC/DC转换;放大;衰减。
1.2设计目的
本课程的任务是通过“交流毫伏表的设计”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。
1.3设计任务及要求
1、设计一个交流毫伏表,检测信号的电压围:
1mv—2v。
2、输入信号的频率围:
10Hz-2000KHz
3、查阅相关资料,了解交流毫伏表的各种现实发法极其特点,并着重掌握交流毫伏表的设计及显示等。
4、熟悉并掌握个芯片的功能极其管脚分。
5、检测设计电路中所需要的各种电子元器件。
6、对设计的交流毫伏表进行装接与调试,要时设计的电路达标。
7、完成设计交实物图极其设计报告。
1.4课程设计过程
1、各组组成员讨论并进行软硬件系统设计,经指导老师同意进行具体方案实施。
2、将可行方案硬件电路焊接在万能板上,并检查。
3、软硬件仿真。
4、独立完成软硬件系统调试。
5、经老师检查并移交成品。
第2章系统方案选择和论证
2.1基本方案论证
本设计硬件电路分为测量部分、输出部分四大部分,测量部分又分为控制模块、放大模、交直流变换模块、AD变换模块、显示模块。
测量部分方案选择
方案一
主要采用AT89C51单片机为核心处理,配合放大电路、A/D电路采集数据,通过液晶显示。
采用AT89C51单片机作CPU,AT89C51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,实现模数转换功能,外接A/D转换器和D/A转换器外围电路。
语音功能还要通过外接语音芯片电路,实现起来比较烦琐。
AT89C51单片机为8位微处理器,在数据处理方面显然逊色于16位机。
方案二
主要采用凌阳16位单片机为核心处理,同时经过放大处理,A/D数据转换,由凌阳配套液晶显示。
采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心,SPCE061A单片机在2.4V-3.6V工作电压围的CPU时钟频率围为0.32-49.152MHz,同时增加了积运算功能,提高了数据处理能力,还配有独特的音频处理功能,丰富的音频函数使语音更加多样化。
通过AD620运算放大器放大信号,再由TLC2543芯片进行A/D转换,达到题目所需效果。
综上所述,本模块采用AT89C51单片机为核心处理,充分利用单片机的优点,使测量数据更加准确,放大电路及A/D数据采集电路为了减小误差使用了DA736、AD0809两种芯片,让电路更加稳定具有更好的保护措
2.2输出部分中各模块的方案选择
采用AT89C51单片机为控制器,控制LCD芯片,使得操作更加方便、高效。
1.1.2最终方案设计思想及框架示意图
2.3总体设计方案
系统总体设计框图
a、控制模块选用AT89C51单片机。
b、放大模块选择OP07芯片实现。
c、A/D转换模块选择ADC0809芯片,从分利用其在仪表中的应用特性。
d、显示模块选择与控制模块相配套的LCD液晶显示。
测量系统框图如图1:
AT89C51
单片机
LCD显示
OP07
放大
AD0809
A/D转换
AC/DC
736
衰减电路
3DJ6DJ6
图1系统总体设计框图
第3章AT89C51的结构
3.1AT89C51部结构概述
1一个8位的CPU
2128B或256B单元数据存储器(RAM)
34KB或8KB片程序存储器(ROM或EPROM)
44个8位并行I/O接口P0~P3。
5两个定时/计数器。
65个中断源的中断管理控制系统。
7一个全双工串行I/O口UART(通用异步接收、发送器)
8一个片振荡器和时钟产生电路。
3.2CPU结构
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
1. 运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。
它可以对半字节(4)、单字节等数据进行操作。
例如,能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算,完成与、或、异或、求反、循环等逻操作,操作结果的状态信息送至状态寄存器。
运算器还包含有一个布尔处理器,用以处理位操作。
它以进位标志位C为累加器,可执行置位、复位、取反、位判断转移,可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作,还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。
2.程序计数器PC
PC是一个16位的计数器,用于存放一条要执行的指令地址,寻址围为64kB,PC有自动加1功能,即完成了一条指令的执行后,其容自动加1。
3.指令寄存器
指令寄存器用于存放指令代码。
CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送如指令寄存器,经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。
3.3存储器和特殊功能寄存器的介绍
1.存储器(Memory)是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。
计算机中的全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
它根据控制器指定的位置存入和取出信息。
2.特殊功能寄存器
特殊功能寄存器(SFR)的地址围为80H~FFH。
在MCS-51中,除程序计数器PC和四个工作寄存器区外,其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。
其中5个是双字节寄存器,它们共占用了26个字节。
各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。
其中带*号的可位寻址。
特殊功能寄存器反映了8051的状态,实际上是8051的状态字及控制字寄存器。
用于CPUPSW便是典型一例。
这些特殊功能寄存器大体上分为两类,一类与芯片的引脚有关,另一类作片功能的控制用。
与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0~P3,它们实际上是4个八位锁存器(每个I/O口一个),每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。
MCS-51共有P0~P3四个这样的并行口,可提供32根I/O线,每根线都是双向的,并且大都有第二功能。
其余用于芯片控制的寄存器中,累加器A、标志寄存器PSW、数据指针DPTR等的功能前已提及。
P0-P3口功能介绍
P0口功能:
P0口具有两种功能:
第一,P0口可以作为通用I/O接口使用,P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。
输出数据时可以得到锁存,不需外接专用锁存器,输入数据可以得到缓冲。
第二,P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器de低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写
P1口功能 :
P1口的功能和P0口de第一功能相同,仅用于传递I/O输入/输出数据。
P2口的功能:
P2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同,即它可以作为通用I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。
P3口功能:
P3口有两个功能:
第一功能与其余三个端口的第一功能相同;第二功能作控制用,每个引脚都不同。
表2.1P3口第二功能
引脚
名称
功能
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
INT0
外中断0输入
P3.3
INT1
外中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通信号
P3.7
RD
外部RAM读选通信号
3..4时钟电路和复位电路
单片机的时钟信号用来提供单片机各种微操作的时间基准;复位操作则使单片机的片电路初始化,使单片机从一种确定的状态开始运行。
1.时钟电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
部振荡和外部振荡方式。
图2部振荡电路
2复位电路
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,根据应用的要求,上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。
图3上电复位
上电复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。
上电后,由于电容C3的充电和反相门的作用,使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时,按下复位键K后松开,也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电复位的操作。
第4章元器件的选择
4.1显示器
LCD显示模块
LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。
其中字段显示与LED显示相似,只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。
字符显示是根据需要显示基本字符。
本设计采用的是字符型显示。
系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。
与传统的LED数码管显示器件相比,液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示容丰富等优点,而且不需要外加驱动电路,现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。
LCD1602可以显示2行16个汉字。
因为数码管是最常用的一种显示器件,它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件,其特点是价格非常的便宜,使用也非常的方便,显示效果非常的清楚。
小电流下可以驱动每光,发光响应时间极短,体积小,重量轻,抗冲击性能好,寿命长。
但数码管只能是显示0——9的数据。
不能够显示字符。
这也是数码管的不足之处。
所以综合上述,也根据本次设计的要求,我们选LCD1602液晶显示器。
图4LCD1602液晶显示器
1602字符型LCD简介
1·字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块。
下面以太阳人电子的1602字符型液晶显示器为例,介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图
图5LCD1602液晶显示器
2·1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别,两者尺寸差别图6
图6
3`LCD1602主要技术参数:
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
4.引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表1引脚接口说明表
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
6`1602液晶模块部的控制器共有11条控制指令,如下表所示
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM)
1
0
要写的数据容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据容
4.2模数(A/D)芯片
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成(见图1)。
多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
ADC0809应用说明
2、AD0809的工作原理
IN0-IN7:
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压围是0-5V,若信号太小,必须进行放
大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采
样保持电路。
地址输入和控制线:
4条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE
线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三
条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的
通道的模拟量进转换器进行转换。
A,B和C为地
址输入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输
入。
通道选择表如下表所示。
CBA选择的通道
000IN0
001IN1
010IN2
011IN3
100IN4
101IN5
110IN6
111IN7
数字量输出及控制线:
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时,所有部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转
换;在转换期间,ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时,表明转
换结束;否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向
单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线呈高阻状
态。
D7-D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,
通常使用频率为500KHZ,
VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。
(1).ADC0809部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。
(2).初始化时,使ST和OE信号全为低电平。
(3).送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。
(4).在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
(5).是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。
(6).当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。
4.3数模AC/DC736芯片
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。
其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为200mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率围可达0~460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%.
AD736采用双列直插式8脚封装,其管脚排列如图所示
各管脚的功能如下:
+Vs:
正电源端,电压围为2.8~16.5V;
-Vs:
负电源端,电压围为-3.2~-16.5V;
Cc:
低阻抗输入端,用于外接低阻抗的输入电压(≤200mV),通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连,通常Cc的取值围为10~20μF.当此端作为输入端时,第2脚VIN应接到COM;
VIN:
高阻抗输入端,适合于接高阻抗输入电压,一般以分压器作为输入级,分压器的总输入电阻可选10MΩ,以减少对被测电压的分流。
该端有两种工作方式可选择:
第一种为输出AC+DC方式。
该方式将1脚(Cc)与8脚(COM)短接,其输出电压为效流真有效值与直流分量之和;第二种方式为AC方式。
该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚,这种方式的输出电压为真有效值,它不包含直流分量。
COM:
公共端;
Vo:
输出端;
CF:
输出端滤波电容,一般取10μF;
CAV:
平均电容。
它是AD736的关键外围元件,用于进行平均值运算。
其大小将直接响应到有效值的测量精度,尤其在低频时更为重要。
多数情况下可选33μF.
4.4OP07op07的功能介绍:
Op07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
特点:
超低偏移:
150μV最大。
低输入偏置电流:
1.8nA。
低失调电压漂移:
0.5μV/℃。
超稳定,时间:
2μV/month最大
高电源电压围:
±3V至±22V
第五章电路的设计
按系统功能实现要求,决定控制系统采用AT89C51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案框图如图。
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系统硬件电路的设计
单片机控制模块的作用是为控制各单元电路的运行并完成数据的换算或处理,主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。
5.1 时钟电路
单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的,在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路,电路中电容器
和
对振荡频率有微调作用,通常取(30±10)pF石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。
时钟电路如图3-1所示。
图3-1 系统时钟电路
图3-2 系统复位电路
复位电路
单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。
复位信号是高电平有效,高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。
单片机的复位方式可由手动复位方式完成。
电阻、电容器的参考值
=10KΩ、
=10uF、
=0.01uF。
复位电路如图。
系统软件电路设计
在接通电时,系统默认主程序主要负责各个模块的初始化工作:
设置定时器、寄存器的初值,启动A/D转换,读取转换结果,处理量程转换响应,控制液晶实时显示等主程序流程图见图。
开始
初始化
调用A/D转换子程序
调用显示子程序
主程序流程图
5.2 A/D转换程序
A/D转换程序的功能是采集数据,在整个系统设计中占有很高的地位。
当系统设置好后,单片机扫描转换结束管脚P2.6的输入电平状态,当输入为高电平则转换完成,将转换的数值转换并显示输出。
若输入为低电平,则继续扫描。
程序流程图如图所示。
A/D转换程序流程图
2)LC
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