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1、 创新设计说明书设计题目：简易数字电压表的设计机 械 工 程 学 院专业： 机械设计制造及其自动化班级 ： 11010112设计者：姓名 代长城 学号 1101011225王巍 1101011227王锡鹏 1101011228指导老师：时间：2014 年 6 月 18 日 简易数字电压表设计方案1、设计目的21 世纪人类进入信息化、数字化时代，传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC 实时通信。数
2、字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和 A/D 转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。目前，数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。2、工作原理及性能分析2.1工作原理当外界输入一个模拟量，A/D 转换采用 ADC0832 对输入的模拟信号进行转换，将模拟信号转换成数字信号，控制核心 AT89S52 再对转换的结果进行运算处理，最后驱动 1602LCD 显示数字电压信
3、号。本设计应用 Proteus7 及 KEIL51 软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus7 软件画出电路模型，关于这个软件的使用通过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用 KEIL51 软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的 hex 文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试，测试的第一路对比见图 5.1 中标准电压值采用 Proteus7 软件中的模拟电压表测得。图 5.1从图中可以看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在 0.02V 以内，这与采用 8 位 A/D 转换器所能达到的理论误差精度相一致，在一般
4、的应用场合可以完全满足要求。2.1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 0.02V 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。简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大 0.01-0.02V。这可以通过校正 0832 的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用 USB 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。三、
5、设计方案3.1 设计要求 以 MCS-51 系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。采用 1 路模拟量输入，能够测量 0-5V 之间的直流电压值。电压显示用 1602 液晶显示。 尽量使用较少的元器件。 3.2 设计思路根据设计要求，选择 AT89S52 单片机为核心控制器件。A/D 转换采用 ADC0832 实现。电压显示用 1602 液晶显示。3.3 硬件设计方案硬件电路设计由 6 个部分组成; A/D 转换电路，AT89S52 单片机系统，LCD显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图 1 所示。 时钟电路 复位电路A/D 转换电路 测量电压输入
6、LCD 显示系统AT89C51 P2 P1P 3 图 1 数字电压表系统硬件设计框图3.3.1 单片机的介绍40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，256 bytes 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，片内时钟振荡器。AT89S52 单片机是一种低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，内置 8KB 可在线编程闪存。该器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的 80C51 指令集
7、兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过 SPI 串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的 8 位 CPU 与可在线下载的 Flash 集成在一个芯片上，AT89S52 便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图 3.1 所示。图 3.1 AT89S52结构框图 图 3.2 AT89S52此外，AT89S52 设计和配置了震荡频率可为 12MHZ 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
8、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。主要功能特性： 兼容 mcs-51 指令系统 4k 可反复擦写(1000 次）isp flash rom 32 个双向 i/o 口 4.5-5.5v 工作电压 2 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33mhz 全双工 uart 串行中断口线 256x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 按照功能，AT89S52 的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功
9、能 I/O 口、控制和复位等。1.多功能 I/O 口AT89S52 共有四个 8 位的并行 I/O 口：P0、P1、P2、P3 端口，对应的引脚分别是 P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共 32根 I/O 线。每根线可以单独用作输入或输出。P0 端口，该口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。在作为输出口时，每根引脚可以带动 8 个 TTL 输入负载。当把“1”写入 P0 时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0 可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0 口拥有内部上拉电阻。在对 Flash 存储器进
10、行编程时，P0 用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。P1 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P1 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash 编程和程序校验时，P1 口接收低 8 位地址。另外，P1.0 与 P1.1 可以配置成定时/计数器 2 的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器 2 的触发输入端（P1.0/T2EX） ，如图 3.3
11、所示。端口引脚 复用功能P1.0 T2（定时器/计算器 2 的外部输入端）P1.1 T2EX（定时器/计算器 2 的外部触发端和双向控制）P1.5 MOSI（用于在线编程）P1.6 MISO（用于在线编程）P1.7 SCK（用于在线编程）图 3.3 P1 口管脚复用功能 P2 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位的外
12、部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址，在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中 P2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不会改变。在对 Flash 编程和程序校验期间，P2 口也接收高位地址或一些控制信号。 P3 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P3 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在 AT89S52 中，同样 P3 口还用于一些
13、复用功能，如表 3.2 所列。在对Flash 编程和程序校验期间，P3 口还接收一些控制信号。端口引脚 复用功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（外部中断 1）P3.4 T0（定时器 0 的外部输入）P3.5 T1（定时器 1 的外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）图 3.4 P3 端口引脚与复用功能表2.RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持 98 个振荡周期的高电
14、平。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO 位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对 Flash 存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE 是振荡器频率的 6 分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个 ALE 脉冲。在需要时，可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置为“1” ，从而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时 ALE 才被激活。
15、在单片机处于外部执行方式时，对ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。4.PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当 AT89S52 在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期 PSEN 被激活 2 次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活会被跳过。5.EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为 0000HFFFFH 的外部程序存储器中读取代码，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。但是，如果锁定位 1 被编程，则 EA 在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA 应接到 Vcc。在对Flash 存储器编程时，这条引脚接收 12V 编程电压 Vpp。6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。3.3.2 ADC0832 介绍ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用 ADC0832 可是使我们了解 A/D 转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 主要特点 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容； 5V 电源供电时输入电压在
