数字电压表的设计毕业论文.doc

目 录第一部分 设计任务与调研3第二部分 设计说明10第三部分 设计成果26第四部分 结束语28第五部分 致谢29第六部分 参考文献30第一部分 设计任务与调研1数字电压表设计方案选择设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。由此结合设计要求选择由单片机系统及数字芯片构建。这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。2单片机的选择 在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类8的单片机呢。在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的8单片机。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU，内存，总线系统等。而目前常用的单片机的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。本设计中选用51系列的AT89C52，它是低电压、低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路，并与MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将A/D转换器、显示器和语音芯片等通过I/O口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现册电压的功能。3显示器的选择 本次设计中有显示模块，设计要求显示最后电压的数字值和电压的单位。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。1602液晶满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602液晶显示器件。4 1602液晶的参数资料我们选择了1602液晶做为本设计的显示模块的显示器件。以下是1602液晶的各方面参数：4.1接口信号说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端6E使能信号8-14D0-D7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极4.2基本操作时序1. 读状态：输入：RS=0，RW=1，E=1。输出：D0-D7为状态字2. 写状态：输入：RS=0，RW=0，D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无3. 读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1。输出：D0-D7为数据。4. 写数据：输入：RS=1，RW=0，D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无4.3状态字说明STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止 0：允许5模数（A/D)转换芯片的选择在本设计中，模数（A/D）转换模块是一个重要的模块，它关系到最后数电压表电压值的精确度。所以，A/D芯片的选择是设计过程中一个很重要的环节。5.1常用的A/D芯片 常用的A/D芯片有AD0809，AD0832，TLC2543C等几种。下面简单介绍一下这三种芯片。AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、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。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。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。AD0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。TLC2543C是12位开关电容逐次逼近A/D转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。综合上述几种A/D转换芯片的特点，前两种芯片的性能和精度都不如第三种芯片。在本设计中，我们的目标是设计高精度的电压表，因此在此，我们选择精度为12位的TLC2543芯片。5.2模数(A/D)芯片TLC2543的资料（2） 综合本设计的各方面考虑，我们选了TLC2543模数转换芯片。下面就介绍此芯片的各方面资料。TLC2543芯片的封装引脚图和引脚说明如下： 引脚说明：引脚号名称I/O说明1-9，11，12AIN0-AIN10I模拟输入端。15CSI片选端。17Data inputI串行数据输入端。16Data outO用于A/D转换结果输也的3态串行输出端19EOCO转换结束端10GND接地端18I/O clkI输入/输出时钟端14REF+I正基准电压端13REF-I负基准电压端20VCC正电压端第二部分 设计说明1总体设计1技术要求：1） 最高量程为：220V。2） 被测电压的电压值小于1V时，有自动换以MV为单位显示。3） 通过按键可以显示5秒的平均电压的电压值。2设计方案：根据上述，我们选择单片机与A/D转换芯片结合的方法实现本设计。使用的基本元器件是：AT89C51单片机，TLC2543模数转换芯片，1602液晶显示器，开关，按键，电容，电阻，晶振，标准电源等等。设计的基本框图如下：单片机系统模块1602液晶显示模块A/D转换模块输入电路模块按键模块3硬件电路系统模块的设计根据上述选择的各元器件，各电路模块的电路图如下描述。3.1单片机系统单片机最小系统包括晶振电路，复位电路，电源。其原理图如下： 此模块中，单片机的晶振是12MHZ，C1和C2的电容是10UF，C3可选1-10UF。R1电阻为1K。3.2输入电路由于输入电路的电压比基准电压（2V）高很多，因此在输入电路必须加电压衰减器。衰减电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。则完整输入电路如下： 通过计算，可知设计衰减器用的电阻R2，R3和R4分别为：9M，900K，100K控制档位的开关是双开关的，目地是能够使单片机CPU自动识别档位，即可用相应的档位的数据转换的算法计算出正确的电压值。被测电压输入端、整理过的模拟电压输入端，开关与单片机的连接如图所示。3.3A/D转换芯片与单片机的连接此设计中选择的是A/D转换芯片的通道0，A/D芯片的数据输入口连接单片机的P1.3口，数据输出口连接单片机的P1.4口，芯片使能端连接单片机的P1.5口，脉冲端连接单片机的P1.6口。3.41602液晶与单片机连接此模块液晶的RS，RW和E端分别连接单片机的P1.2，P1.1和P1.0口；液晶的数据各端口连接单片机的P0口。4系统软件的设计4.1汇编语言和C语言的特点及选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少，执行效率高。执行速度快。但它依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。5系统的调试完成了系统的硬件设计，制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。调试分了硬件和软件调试。5.1硬件调试 硬件调试的主要任务是排除硬件故障，其中包括设计的错误和工艺性故障等。1、检查所设计的硬件电路板所有的器件和引脚是否正确，尤其是电源的连接是否正确；检查各总线是否有短路的故障。检查开 关/按键是否正常，是否连接正确，为了保护芯片，应先对各IC座电位进行检查，确认无误后再插入芯片。2、将40芯片的仿真插头插入单片机插座进行调试，检查各接口是否满足设计的要求，有正常的程序测试硬件电路的好坏。5.2软件调试软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序的错误，同时也能发现硬件的故障。软件调试是一个模块一个模块进行的。首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功能，接口电路的控制是否正常。最后调试整个程序。尤其注意的是各模块间能否正确的传递参数。检查液晶显示模块程序。在主程序中调用display()和dislay_zifu()函数，观察在1602液晶上是否能够显示相应的字符。如果不能，则在相关的子程序中设计断点，反复调试直到能够显示。检查按键模块程序。本设计的按键模块程序是用状态机的方法，可以在key_state1状态下加一个任务，如显示一个字符在液晶上。观察是否正确显示。第三部分 设计成果1设计成果总体流程（1）主程序的总体流程如下图： 开始对液晶，定时器初始化A/D转换数据转换显示瞬时电压值键盘判断显示5秒的平均电压值3秒后清屏 主程序的总体流程图（一）1、 按照硬件电路对单片机位定义。2、 编写延时模块程序。3、 编写驱动1602液晶显示模块程序。4、 编写驱动A/D转换模块程序。5、 编写键盘扫描模块程序。第四部分 结束语由于本设计使用的是高效的51系列单片机作为核心的测量系统，以及高精度，高速度，高抗干扰的A/D转换器。使得本直流电压表具体精度高，灵敏度强，性能可靠，电路简单，成本低的特点。因为平时所需要测量的被测电压的电压值不是一个定值，多多少少都有一些微小的变化。因此本设计为之增加了可测5秒内平均电压的电压值。大大的提高了测量的准确性。使直流电压表有着较高的智能水平。此设计是单片机应用系统的开发性实验。通过此设计可知在单片机系统开发过程应注意以下事项。1）硬件的选择。选择适合设计目地的元器件是一个重要的方设计环节。不能以元器件是否是最高性能作为选择元器件的标准。往往高性能器件的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件，能够满足设计需要作为标准选择元器件。2）因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计，所以系统和硬件和软件必须紧密配合，协调一致。应不断调整硬软件设计，以提高系统工作效率。单片机的应用如今已经是在工业，电子等方面展示出了它的优越性，利用单片机在设计电路逐渐成了趋势，它与外围电路再加上软件程序就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计更多精彩。对于数字电压表而言，功能将会越来越强大。第五部分 致谢本设计在龙瑜导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。本次设计从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在设计的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业设计的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到设计的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在此我向专业所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢。第六部分 参考文献【1】 陈洪中。数字电压表。水利电力出版社，1989年。【2】 周立功.单片机实验与实践.北京：北京航空航天大学出版社。【3】 吴国经.单片机应用技术.北京：中国电力出版社，2003. 年。【4】 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006年。【5】 谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社,2005年。【6】 侯振鹏.嵌入式C语言程序设计.北京：人民邮电出版社，2006. 年。【7】 李光飞 李良儿.单片机C程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005年。【8】 孙传友，孙晓斌，感测技术与系统设计，北京：科学出版社2005年。