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1、 . 编号信息职业技术学院毕业论文题 目基于单片机的数字电压表的设计学生学 号系 部电气工程系专 业机电一体化班 级指导教师顾问教师二一二年十月 / 摘要本文介绍了一种基于单片机的简易数字电压表的设计。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块与显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着ADC0809芯片工作。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，且测
2、量精度和可靠性较高。此数字电压表可以测量0-5V的1路模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。 关键词：单片机 数字电压表 A/D转换 AT89C51 ADC0809目 录第一章绪论3第二章 设计背景42.1单片机42.1.1单片机的简介42.1.2单片机的应用领域42.2数字电压表62.2.1数字电压表的特点6第三章设计目的与功能要求73.1设计目的73.2功能要求7第四章总体设计84.1系统设计84.2设计方案84.3总体设计框图9第五章设计原理图95.1设计原理图10第六章硬件电路设计116.1 信号调理模块116.1.1电压极性检测电路116.1.2电压围粗测电路1
3、16.1.3量程切换电路116.2单片机模块126.2.1芯片的介绍和选择126.3 A/D转换模块166.3.1芯片的介绍和选择166.3.2原理图186.4显示模块186.4.1 LED数码管186.4.2 LED数码管与单片机接口设计20第七章总体电路设计227.1总体电路设计22第八章软件设计238.1汇编流程图238.2汇编程序248.3程序说明26第九章总结27参考文献28第一章 绪论电子电压表主要用于测量各种高、低频信号电压，它是电子测量中使用最广泛的仪器之一。根据测量结果的显示方式与测量原理不同，电压测量仪器可分为两大类：模拟式电压表(AVM）和数字式电压表（DVM）。模拟式电
4、压表是指针式的，多用磁电式电流表作为指示器，并在表盘上刻以电压刻度。数字式电压表首先将模拟量经模数（A/D）转换器变成数字量，然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。众所周知，模拟电压表精度较高，曾经有很广阔的市场，现在依然有不少工程师依然在使用模拟电压表。的确模拟电压表在显示测量值方面精度校准，然而却也存在问题。模拟电压表采用用指针式，里面是磁电或电磁式结构，所以其响应速度较慢。然而在高速发展的当今社会，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
5、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。第二章 设计背景2.1单片机2.1.1单片机的简介单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、
6、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直
7、到目前基于8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以与鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。 汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。2.1.2单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域
8、没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以与程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以与各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理与过程控制等领域，大致可分如下几个畴：智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，
9、广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。家用
10、电器现在的家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。医用设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等等。模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路
11、中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。汽车电子单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分
12、广泛的用途。2.2数字电压表2.2.1数字电压表的特点数字电压表(DVM )是将被测的电压模拟量自动转换成开关量，然后进行数字编码、译码，以数字形式显示出来的一种电测仪表，它具有如下主要特点:(1)准确度高:目前可达到10-6数量级，因此用它代替直读仪表，可大大提高测量精度。(2)灵敏度高:一般可做到10微伏至1微伏，目前已有10-9伏数量级的仪表。(3)输入阻抗高:一般可达1000兆欧以上，而且工作时零电流很小，一般可达10-10安。(4)测量速度快:采样速度一般每秒种为几十次到上万次，甚至可达百万次。(5)读数准确:因是数字显示，所以读数准确，可以消除人为的读数误差。(6)使用方便用途广:
13、开机预热预调后即可使用，可配接打印机自动记数.还可配接相应的转换器，用来测量交流电压、直流电流、电阻和温度等参量。第三章 设计目的与功能要求3.1设计目的通过制作简易的数字电压表，加深对所学专业知识的认识，提高分析，解决工程实际问题的能力，提高对单片机的应用能力，提高收集文献，资料的能力，从而达到综合运用所学的专业知识进行电子产品设计，制作与调试的能力。3.2功能要求以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4位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。 尽量使用较少的元器件。第四章 总体设计4.1系统
14、设计主要分为两部分：硬件电路与软件程序。硬件电路包括：单片机与外围电路，模拟信号采集电路，A/D转换电路，数码管显示电路，各部分电路的衔接。软件的程序可采用C语言或汇编，这里采用汇编语言，详细的设计思路在后面介绍。4.2设计方案数字电压表的设计方案很多，但采用集成电路来设计较流行。其设计主要是由模拟电路和数字电路两大部分组成，模拟部分包括A/D转换器，基准电源等;数字部分包括振荡器，数码显示，计数器等。其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，它是数字电压表的一个核心部件，对它的选择一般有两种选择方案：1.采用双积分A/D转换器MC14433，它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。但芯片只能完成A/D转换功能，要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。2.逐次逼近式A/D转换器。它的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它们通常具有8路模拟选通开关与地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示。这样电路设计简单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。这里采用这种方案。显示部分可以采用各类数码管或用LCD显示器显示。在此简化采用4位八段共阴极数码管对A/D转换变换后的结果加以显示。4.3总体设计框图图4-31 总体
