简易数字电压表的设计说明.docx
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简易数字电压表的设计说明
简易数字电压表的设计
学院:
通信与电子工程学院
班级:
电子071
组长:
***
同组成员:
******
日期:
2010年5月10日
一、设计题目:
简易数字电压表的设计
二、设计目的
自动化专业的专业实践课程。
本课程的任务是使学生通过“简易数字电压表的设计”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。
三、设计任务及要求
设计电压表并实现简单测量。
具有以下基本功能:
⑴可以测量0~5V的8路输入电压值;
⑵可在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示;
⑶测量最小分辨率为0.019V;
⑷.测量误差约为±0.02V;
⑸带有一定的扩展功能;
第一章摘要···············································4
第二章智能仪表目前的发展状况··························4
第三章设计目的············································6
第四章设计要求············································6
第五章设计方案与比较论证································6
5.1单片机电路设计··············································6
5.2电源方案····················································8
5.3显示方案····················································9
5.4A/D采样方案················································10
5.5串口通讯方案···············································12
5.7高压,短路报警·············································14
5.8键盘·······················································14
第六章方案设计··············································15
6.1硬件设计····················································15
6.2软件设计····················································16
第七章性能测试···············································18
电压测试······················································18
第八章结果分析···············································19
第九章设计体会··············································19
参考文献························································20
附录··························································20
元器件清单················································20
程序清单····················································20
第一章摘要
本报告介绍了基于AT89S52单片机为核心的、以AD0809数模转换芯片采样、以1602液晶屏显示的具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。
在实现基础功能要求之上扩展了串口通讯、时钟功能、高压报警、短路测试、电阻测量、交流电压峰峰值和周期测试等功能,使系统达到了良好的设计效果和要求。
关键词:
AT89S52单片机模数转换液晶显示扩展功能
ABSTRACT:
ThereportdescribestheAT89S52basedonthemicrocontrollerasthecore,AD0809digital-to-analogconverterchipsampling,to1602LCDdisplaywithvoltagemeasurementfunctionwithacertainprecisionofdigitalvoltagemeter.Inachievingfunctionalrequirementsbasedupontheexpansionofserialcommunications,high-pressurealarm,shortcircuit,electricalresistivitymeasurement,ACvoltageandthepeakofcycletestingandotherfunctions,allowingthesystemtoachievegoodresultsandthedesignrequirements.
Keywords:
AT89S52SCManalog-to-digitalconversionfunctionsLCDexpansion
第二章智能仪表目前发展状况
在自动化控制系统中,仪器仪表作为其构成元素,它的技术进展是跟随控制系统技术的发展的。
常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求,它们以经典控制理论和现代控制理论为基础,以控制对象的数学模型为依据。
当今,控制理论已发展到智能控制的新阶段,自动化仪器仪表的智能化就成为必然和必须。
本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展,以及当今对智能仪器仪表研究、开发热点做概要的分析与表述。
作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的进展,关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动发展,这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。
智能化的自动化仪器仪表应以智能控制理论为基础,体现人的智能行为。
人工智能是智能控制理论的基本组成部分之一,它以知识为基础,它的目标是建造智能化的计算机系统,用来模拟和执行人类的智力功能,如判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等等,进而用自动机模仿人类的思维过程和智能行为。
基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前大致有几方面的进展:
(1)专家控制系统(expertcontrolsystem,ECS)是典型的基于知识控制系统,它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。
它运用人工智能技术和计算机技术,根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验,进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。
专家控制器的结构按控制要求的不同而有所不同。
典型的结构由知识库、推理机、人机接口等组成。
其中,知识的获取、知识库的建立是关键。
人们已经总结出的方法是领域专家和知识专家的有机结合,同时收集、归纳有经验的操作员方面的知识。
然后把获取的知识变成可用的规则,以期在推理过程中得到更高的命中率。
专家控制已在工业控制中得到广泛的应用。
(2)模糊控制器(FC-FuzzyController),也称模糊逻辑控制器(FLC-FuzzyLogicController)。
自然界的事物都具有一定的模糊性,模糊逻辑在控制领域中的应用产生了模糊控制技术。
由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力,对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制,能解决一些用常规控制方法不能解决的问题,因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。
模糊控制器一般由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等几个部分组成。
其中,模糊化、模糊决策、清晰化是主要和基本的部分,“模糊化”将输入量(精确量)变为模糊量,“模糊决策”进行模糊运算,其过程是由推理机进行预估输出推理,得到模糊量输出。
“清晰化”将模糊量输出转化为精确量,提供给系统的驱动器定标后使用。
当前,模糊控制技术在工业控制中得到广泛的应用,尤其在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊控制技术的长处。
模糊控制器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。
(3)神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力,提高了系统的智能水平。
所谓神经网络控制,简称神经控制,它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模,或担当控制器,或优化计算,或进行推理,或故障诊断等工作。
由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力,具有对任意非线性关系的描述能力,具有通过训练学习归纳全部数据能力,使得它在控制系统中被广泛灵活地应用。
数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM,作为智能仪表的一种,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,由精度高、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。
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。
举例:
图1CAKJ系列数字电流-电压-功率-因数-频率表
如图1是一个CAKJ系列数字电流-电压-功率-因数-频率表
1、适用围该系列产品是一种高精度的安装式仪表,它可广泛用于电力系统和自动化控制系统中对单相三相电量参数(交直流电流-电压-功率-因数-频率)的测量和显示。
采用大规模集成电路,具有转换精度高、响应速度快、性能稳定等特点,可直接替代指针式仪表。
2、通用技术参数
*精度等级:
数显0.2、0.5级 光柱1.5级
*数显围:
四位半显示0-19999
*光柱指示:
0-120%
*标称输入:
电流1A、5A;电压100V、220V、380V、450V
*过量程:
持续:
1.2倍,瞬时:
电流10倍/5秒,电压2倍/1秒
第三章设计目的
自动化专业的专业实践课程。
本课程的任务是使学生通过“简易数字电压表的设计”的设计过程,结合所学课程,掌握目前自动化仪表的一般设计过程,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、一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力。
第四章设计要求
1、可以测量0-5V的8路输入电压值;
2、可在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示或液晶显示;
3、测量最小分辨率为0.019V;
4、测量误差约为+0.02V;
5、带有一定的扩展功能;
第五章方案比较与论证
5.1单片机采用AT89S52,它是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片含8kBytesISP(In-systemprogrammable)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MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
单片机基础电路如下
图2单片机基础电路
功能特性概述:
40个引脚,8kBytesFlash片程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片时钟振荡器。
此外,AT89S52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件复位。
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。
引脚功能:
·VCC:
电源电压
·GND:
地
·P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对断口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端使用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组端口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活部上拉电阻。
在FLASH编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,
校验时,要求外接上拉电阻。
·P1口:
P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(In)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
第二功能:
P1.0:
T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出
P1.1:
T2EX(定时/计数2捕获/重新载触发和方向控制)
·P2口:
P2是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的容。
·P3口:
P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能端口引脚
第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INT0(外中断0)
P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
·RST:
复位输入。
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。
·ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
·PSEN:
程序存储允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
·EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行部程序存储器中的指令。
·XTAL1:
振荡器反相放大器的部时钟发生器的输入端。
·XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
5.2电源方案:
由变压器输入7805的1脚,2脚接地,3脚+5V输出,中间加2个104电容和1000u的电解电容分别为了退耦和稳压。
使+5V更稳定地输出。
下图是电源接线图。
图3电源接线图
5.3显示方案:
方案一:
显示部分(采用共阴4位八段数码管显示。
如图3所示:
)
图4数码管电路图
显示部分与单片机连接图如图3
图5显示与单片机连接图
方案二:
采用液晶1602做为显示电路,功能强大,适合做各类扩展。
其中7-14脚为数据口脚,3脚为背景灯亮度调节脚,EN、RW、RS命令状态字脚。
我们可以通过程序使1602显示各类字符。
图61602显示电路
1602管脚说明
1.Vss电源地;
2.Vdd电源正极4.5~5.5V通常使用5V;
3.Vl对比度调节电源调节围0~5V。
接正电源时对比度最弱,接地对比度最高,但是对比度过高时产生“鬼影”,因此通常使用一个10K电位器来调整对比度,或者直接接一个电阻到地;
4.Rs数据/命令选择高电平选择数据寄存器,低电平选择指令寄存器;
5.R/W读/写选择高电平读取数据,低电平写入数据;
6.E模块使能端写数据需要下降沿触发模块;
7~14.D0~D7三态双向数据口MCUI/O口资源紧可以使用4位数据线D4~D7接口传送数据;
15.Blk背光源地
16.Bla背光源正极需要背光串接一个限流电阻接Vdd,blk接地,实测该模块背光电流50mA左右
比较:
由于用数码管作为显示电路,结构单一,扩展空间太小,显示效果不理想,最终我们放弃了数码管显示。
而采用1602作为显示不但实现了用数码管难以显示的功能,而且适合做各类扩展,使得识字电压表功能更完善,使用效果更好。
5.4AD采样方案
方案1:
采用TLC1543为美国TI公司生产的多通道低价格数模转换器。
我们在程序中通过read1543()发送通道号,芯片开始A/D转换,转换结束时,EOC输出端表示转换完成,在INT0产生中断,通过外部中断0的服务自程序读取转换结果。
接线如下图:
图5TLC1543采样电路图
TLC1543为串行输入芯片,10位的精度,价格适中。
方案2:
采用8位AD转换器ADC0809,编程简单方便,价格便宜。
采样电路如图6。
图6ADC0809采样电路
比较:
由于时间紧,班级采购只有ADC0809芯片,我们选择了ADC0809作为AD转换器。
图9串口通讯接线图
5.8键盘部分
通过程序的扫描,判断按键,并切换到不同的功能模式中。
实现模式切换后可以实现电压表单路和循环显示所测电压值。
图13键盘硬件程序
第六章方案设计
6.1硬件设计
系统整体电路如下:
图14系统整体框图
图15系统硬件框图
电源部分提供整个系统的电能,单片机部分控制系统,显示部分显示测量结果以及模式状态,模数转换采集电压以及电阻值发送到单片机,如果电压过高超过量程或者测量短路,单片机控制蜂鸣器报警。
通过程序烧录模块可以通过烧录线烧入程序。
通过串口通讯可以实现上位机与电压表的通讯,通过上位机选择,可以切换电压表模式,从而实现上位机功能选择的功能。
6.2软件设计
我们采用C语言编程,通过定时器0计时实现显示时间功能,通过串口中断实现上位机对下位机的模式切换功能。
通过键盘扫描和扫描处理函数,实现键盘的模式切换功能。
同时我们还设计了浮点数显示处理函数,采样函数,交流采集电压峰峰值函数,显示交流周期和峰峰值函数。
这些函数的组合,实现了电压表功能的完善。
第七章性能测试
7.1电压测试
被测量电路图:
图9、被测电路图
1、R1=200欧R2=500欧
在测量如图9所示1点的电压的时候,电压表值为1.406V
理论值为U=(200/(200+500))*5=1.429V
2、R1=4.20K欧R2=4.28K欧
在测量如图所示1点的电压的时候,电压表值为2.089V
理论值为U=(4.2/(4.2+4.28))*5=2.476V
7.2电阻值测试
1、100欧姆的电阻,电压表实测为101欧姆。
2、200欧姆的电阻,电压表实测为199欧姆。
3、4.73K的电阻,电压表实测为4.6347K。
4、6.73K的电阻,电压值实测为6.6578K。
5、10K的电阻,电压表实测为10.1020K。
6、12K的电阻,电压表实测为12.0235K。
7.3短路测试
用白色导线接于IN7,另一端黑色导线接地。
当两导线短接时1602显示为0,同时鸣蜂器报警,没有短接时蜂鸣器不报警。
7.4高压报警测试
把单片机接5.5V,鸣蜂器报警。
7.5串口功能测试
打开串口调试软件,按功能键,观察下位机,按1-8切换到各通道的模式,按9是时间模式,按10-13是特殊功能模式,串口功能正常。
7.6时间功能测试
观察时间的即使与显示功能,然后切换功能模式,再切换到时间模式,观察变化,发现时间照常计时,时间功能正常。
7.7交流峰峰、周期测试
由于没有频率信号发生器,此项扩展功能没有展开测试。
第八章结果分析
(1)电阻值测量我们发现只有0-20k的电阻测量比较准确,而大于20k的电阻就测的很不准了,这可能是因为单片机系统在工作时电阻并不是固定的,而我们电阻测量的原理是基于电阻分压原理,电阻过大就不适合测量了,因为我们的拉地电阻只有500欧姆。
(2)在电压测试功能中,一开始我们发现ADC0809的电压在没有测量值时并不稳定,但是我们通过路边下拉一个500欧姆的电阻,可以把起始电压拉为0,但是电阻不能太小,否则电流会太大。
根据测量结果,实测值比理论值基本上吻合,只是由于精度问题,不能完全相同,但是基本上符合题目的要求。
我们又测量了一节干电池,所测的电压值在1.56V左右,与现有的电压表所测量的也差不多。
(3)在蜂鸣器功能测试中,一开始系统初始化蜂鸣器没有响,这让我们检查了很久,到后来才发现1815的ebc脚弄错了,资料的管脚是从背面看的,检查出错误,我们马上重新焊接,蜂鸣器工作正常了。
(4)在液晶显示电路测试中,一开始我们要显示“madebydemon”但是却显示了一大串英文字符,这让我觉得很奇怪,因为如果别的线接错了,应该不会显示,要显示也是乱码,我检查了下液晶数据接口。
发现DB6没有接好(板子是我原来的已经有点氧化了,并没有焊上去),接好后测试正常。
在调试过程中我们发现了硬件连接的重要性,因为有太多线路要连接而导致容易出现由于粗心而导致的连接错误,这个错误看似简单,但却是在整个系统设计调试过程中最不可忽视的,因此我们在硬件焊接时非常细心,同时其他同学也要密切配合焊接同学的工作,这样一个团结的小组,才能解决所有问题,同时也可以
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