数字电压表设计说明书讲解

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1、1 引言 2 1 系统总体设计及方案 3 1.1 设计题目、内容、要求.3 1.2 概述.3 1.3 系统原理及基本框图.4 1.4 方案说明.4 1.5 方案论证.4 1.5.1 显示部分.4 1.5.2 A/D 转换部分 .5 2 电路设计 5 2.1 输入电路.5 2.2 A/D 转换电路 .5 2.3 双积 A/D 转换器的工作原理 5 2.4 A/DC0808 的转换流程图 7 2.5 液晶显示部分 .7 2.6 设计调试及性能分析 .8 2.6.1 调试与测试.8 2.6.2 性能分析.8 26.3 程序的编写及电路的实现8 3 芯片及软件介绍 9 3.1 ADC08083 9 3

2、.1.1 引脚功能（外部特性）.9 3.1.2 内部结构 .9 3.2 89C51 10 3.2.1 主要特性10 3.2.2 管脚说明10 3.3 74LS161 11 3.4 KEIL C51 软件介绍12 3.5 ISIS 6 PROFESSIONAL软件介绍.12 4 警报系统的设计13 5 数字电压表设计电路 .14 5.1 数字电压表完整的设计电路图14 5.2 电路的仿真 15 6 设计总结 .16 附录 .17 参考文献 .21 课程设计说明书课程设计说明书 2 引言引言 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，单片机亦可 以在一片芯片集成 CPU、存储器、定时

3、器|计数电路，这就很容易将计算机技术和 测控技术结合，组成智能化测量控制系统。 在电路设计中我们时常会用到电压表，过去大部分电压表还是模拟的，虽然 精度较高但模拟电压表采用用指针式，里面是磁电或电磁式结构，所以响应较慢。 为适应许多高速信号领域目前已广泛使用数字电压表。本设计是基于 Atmel51 单 片机开发平台和自动控制原理的基础上实现的一种数字电压表系统。该系统采用 Atmel89C52 单片机作为控制核心，以 ADC0809 为数据采样系统，实现被测电压的 数据采样用系列比较器检测输入电压的范围，并通过继电器阵列实现了输入量程 的自动转换；使用共阴极数码管显示被测电压. 然而在高速发展

4、的当今社会，高速信号处理的需求越来越多，由于模拟电压 表响应速度较慢已经不适用与高速信号领域，取而代之的将是数字电压表。但数 字电压表由于存在采样误差，精度不是很高。不过目前可以通过技术手段来缩小 误差。使其精度达到与模拟电压表一样精确甚至更高。可见将来数字电压表必将 取代模拟电压表。现在有越来越多的数字测量仪器的出现但原理皆与数字电压表 殊途同归，因此研究数字电压表有着很大现实意义.本章将重点介绍单片 A/D 转换 器以及有它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。 课程设计说明书课程设计说明书 3 1 系统总体设计及方案系统总体设计及方案 1.1 设计题目、内容、要设计题目、内容、要求求

5、 设计题目：数字电压表的设计。 设计内容及要求： （1）可以测量 05V 的 8 路直流电压。 （2）在 LED 数码管上显示测量电压值，显示范围为 0.00V5.00V，一位 LED 数码 管显示路数。 （3）通过控制键可以改变显示模式，8 通道轮流显示或单路选择显示。 （4）设定每一路的上限值，超过界限值时警报喇叭发声，以示警告。 （5）其他功能，创新部分。 1.2 概述概述 数字电压表（Digital Voltmeter）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

6、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。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电 量及非电量测量技术提高到崭新水平。 1.3 系统原理及基本框图系统原理及基本框图 A/D 转换 A/D 转换 89c51 单片机 89c51 单片机 输入电路 课程设计说明书课程设计说明书 4 如图 1.1 所示，模拟电压经过滑动变阻器切换到不同的分压电路后，送到 A/D

7、转换器进行 A/D 转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据，通过 P1 口传输送到 LED 中显示。 1.4 方案说明方案说明 系统首先通过按键逐路选择八路通道中的一路或是循环显示，将该路某一路电压 送入 ADC0808 相应通道，单片机软件设置 ADC0808 开始 A/D 转换，转换结束 ADC0808 的 EOC 端口产生高电平，同时将 ADC0808 的 EO 端口置为高电平，单片机 将转换后结果存片内 RAM。系统调出计算子程序，将保存结果转化为 0.00-5.00V 分别保存在片内 RAM;系统调用显示子程序，将转化后数据查表，输出到 LED 显示 电路，将相应电压显示出

8、来，程序进入下一个循环。 1.5 方案论证方案论证 1.5.1 显示部分显示部分 系统通过对 LED 灯的动态显示及不停的轮流给数码管位选端加驱动电压，因为在 给其中一个数码管位选段加驱动电压的时候它才能变亮，而其他的是暗的，由于 数码管暗下来需要一定的时间，人眼具有视觉暂留特点，同时系统又给其它的施 加驱动电压，所以我们看到的就是稳定的亮着的数字了。 1.5.2 A/D 转换部分转换部分 通过 A/D 转换器将输入的模拟信号转换成数字信号，然后进行处理。为了达到这 一目的，使用调试简单，能与微处理机或其他数字系统兼容的 A/D 转换器 ADC0808 芯片。ADC0808 是采样分辨率为 8

9、 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 LED 显示 图图 1.11.1 系统基本流程图系统基本流程图 课程设计说明书课程设计说明书 5 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 是 ADC0809 的简化版本，功能基 本相同。一般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D 转换，实际使用时采用 ADC0809 进行 A/D 转换。 2 电路设计电路设计 2.1 输入电路输入电路 输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到 A/D 转换器所要求的电压值。 本电路设计所用电压为 0-5V，其

10、大小通过滑动变阻器调节。 2.2 A/D 转换电路转换电路 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本 设计采用双积 A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰 能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转 换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。 2.3 双积双积 A/D 转换器的工作原理转换器的工作原理 如图 2.1 所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进 积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出。 图图 2.12.1 双积分双积分 A/DA/D 转换器工

11、作原理图转换器工作原理图 课程设计说明书课程设计说明书 6 IN7 IN5 IN6 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0 A B C EOC OE OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF(+) 12 VREF(-) 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U2 ADC0808U2(CLOCK) 此时间间隔，则

12、计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压 进行同样的处理。 2.4 A/DC0808 的转换流程图的转换流程图 其软件中实现其数字量电压转换为三位模拟量电压的部分程序如下： MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV A,P0;读取 AD 转换结果 CLR P2.7 图图 2.2 双积双积 A/D 转换器转换器的波形图的波形图 数字量电压值输入 89C51 启动 ADC0808 等待转换是否结束 将结果转换成 BCD 码并输出 图图 2.3 A/DC0808 的转换流程图的转换流程图 图图 2.3 A/DC0808 的转换电路图的转换电路图 课程设计说明书课程设计说明书

13、7 MOV B,#51;AD 转换结果转换成 BCD 码 DIV AB MOV R1,A；A 中为电压数值第一位，存放在 R1 中 MOV A,B MOV B,#2 MUL AB MOV B,#10 DIV AB；A 中存放电压数值第二位，并存放入 R2 中 MOV R2,A MOV R3,B；余数 B 中存放电压数值第三位 2.6 设计调试及性能分析设计调试及性能分析 2.6.1 调试与测试调试与测试 采用 Keil uVision4 编译器进行源程序编译及仿真调试，同时进行硬件电路板的 设计制作，烧好程序后进行软硬件联调，最后进行端口电压的对比测试，要求测 试对比中标准电压值采用数字万用表

14、测得。 简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在 0.02V 以内。 2.6.2 性能分析性能分析 由于单片机为 8 位处理器，当输入电压为 5.00V 时，输出数据值为 255（FFH） ，因 此单片机最大的数值分辨率为 0.0196V（5/255） 。这就决定了该电压表的最大分辨 率（精度）只能达到 0.0196V。测试时电压数值的变化一般以 0.02 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。 简易电压表测得的值基本上均比标准值偏大 0.010.02V。这可以通过校正 0809 的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用 7805

15、 的供电电源作为基准电压， 电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。 ADC0808 的直流输入阻抗 1M，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试 ADC0808 可直接在 2MHz 的频率下工作，这样可省去分频器 14024。 课程设计说明书课程设计说明书 8 26.3 程序的编写及电路的实现程序的编写及电路的实现 在本次课设中使用 ISIS 6 Professional 软件进行对电路进行绘制、模拟及仿真， 使用 keilc51 软件编写单片机 89C51 的程序，以下将对 SIS 6 Professional 软件 及 keilc51 软件进行介绍。 3 芯片芯片及软件介绍及软件

16、介绍 3.1 ADC0808 3.1.1 引脚功能（外部特性）引脚功能（外部特性） ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下： 15，2628（IN0IN7）：8 路模拟量输入端。 8，14，15，1721：8 位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： AD 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其 启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。 7（EOC）： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电 平（转换期间一直为低电平） 。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 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。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 12（VREF（+） ） 、16（VREF（-） ）：参考电压输入端。 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC