基于51单片机的简易数字电压表的设计单片机-文库吧

【正文】 达 180dB (4) 分辨率高，测量范围宽 数字电压表在最低电压量程上末位 1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分 辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。多量程 DVM一般可测量 0～ 1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。 (5) )输入阻抗高 ，集成度高，微功耗 数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为 10MΩ～ 10000MΩ，最高可达 1TΩ。 并且新型数字电压表普遍采用 CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。 四、设计内容、途径、技术指标 ㈠研究内容及要求： 1. 了解 A/D转换器 ADCO809的基本性能。 2. 掌握单片机的基本应用及伟福编程软件的使用。 3. 掌握 ADC0809与单片机的接口方法及编程方法。 ㈡研究途径： 一片 ADC0809必要的外围器件与 AT80C51进行接口连接，设计一个数字电压表，要求能对 IN0所输入的模拟电压进行识别，将其转换 成相应的二进制数并以发光二级管的形式显示；用万用表测量 IN0输入的模拟电压值，并与转换结果进行对比，计算测量误差。 ㈢技术指标： 1. ADC0809基本性能的实现。 2. 51单片机的各引脚功能的测试。 3. 74LS373与 74LS04的应用。 五、设计工作的 进度 1. 2020年 9月 10日之前查阅资料，完成总体方案的论证、比较、选择。 2. 2020年 10月 1日之前完成各单元电路的设计、计算及电路图绘制。 3. 2020年 10月 25日之前完成设计报告的编写。 4. 2020年 10月 30日之前进行排错、改进，完善设计报告。 5. 2020年 11月 10日进行设计答辩。 5 六、最终目标及完成时间 通过自己的设计，掌握毕业设计的流程，正确的认识并检测元件，连接线路，最终利用 51单片机设计出一个简易数字电压表。 最终的完成时间于 2020年 10月底。 七、 协作单位及要解决的主要问题 协作单位：学院电子实训基地。 所要解决本课题的主要问题是：控制策略的开发，以及硬件的设计、制作 和调试。提供实验设计中所需要的各种器件及工具。 八 、指导教师审核意见 指导教师签名 年 月 日 九 、系毕业设计 (论文 )领导小组意见 组长签名 年 月 日 6 摘 要 随着我国现代化技术建设的发展，电子检测技术日新月异 ,本此设计基于80C51 单片机的一种 8 路输入电压测量电路，该电路采用 ADC0809 A/D 转换元件 ,实现数字电压表的硬件 电路与软件设计。该系统的数字电压表电路简单 , 可以测量 0～ 5V 的电压值 ,并在四位 LED 数码管上轮流显示或单路选择显示。所用的元件较少 ,成本低 ,调节工作可实现自动化。还可以方便地进行 8 路 A/D 转换量的测量 ,远程测量结果传送等功能。 With the construction of modern technology, electronic detection technology advances, the 80C51 microcontroller for this design is based on an 8input voltage measurement circuit that uses ADC0809 A / D conversion ponents, digital voltage meter hardware and software design . The system39。s digital voltmeter circuit is simple, can measure the voltage 0 ~ 5V, and the four turns on the LED digital display or a single select Show. Fewer ponents used in low cost, regulation work can be automated. You can also easily 8 A / D conversion volume measurement, remote measurement transfer functions. 7 关键词 数字电压表 单片机 A/D 转换 AT80C51 Digital voltmeter microcontroller A / D conversion AT80C51 8 引 言 数字电压表简称 DVM，它是采用了数字化测量技术，把连续模拟量（直流输入电压）转换成不连续，离散的数字形式加以现实的仪表。传统的指针是电压表功能单一，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，不可与 PC 进行实时通信。目前由各种单片机 A/D 转换器构成的数字电压表， 已被广泛的应用为电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是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，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉的疲劳，目前数字电压表的核心部件是 A/D 转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、 A/D 转换电路、 LED 显示电路，各部分电路的设 计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用汇编语言编程，利用纬福软件对其编译，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。 第一章 A/D 转换器 1． 1A/D 转换原理 模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在 A/D 转换前，输入到 A/D 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。 A/D 转换器的工作原理 主要介绍以下三种方法： (1). 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比较常见的一种 A/D 转换电路，转换的时间为微秒级。 图 逐次逼近法 原理 逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 转换器，经 D/A 转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Ｖ o，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖ i进行比较，若Ｖ oＶ i，该位 1 被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为 1，将 寄存器中新的数字量送 D/A 转换器，输出的 Ｖ o 再与Ｖ i比较，若Ｖ oＶ i，该位1 被保留，否则被清除。 (2)双积分法 采用双积分法的 A/D 转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。 如图 所示。 基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。 10 双积分法 图 双积分式 A/D 转换的原理框 双积分法 A/D 转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖ i，Ｖ i 采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖ i 极性相反的基准电压ＶＲＥ F，将ＶＲＥ F 输入到积分器，进行反向积分，直到输出为 0V 时停止积分。Ｖ i 越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖ i 所对应的数字量，实现了 A/D 转换 。 (3)电压频率转换法 采用电压频率转换法的 A/D 转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定的 时钟门控制信号组成，如图 所示 : 图 电压频率转换法 原理 电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压 V/I 加到 V/F 的输入端，便产生频率 F 与 Vi 成正比的脉冲，在一定的 时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压 Vi，从而完成 A/D 转换。 11 ADC 性能参数 目前的实时信号处理机要求 ADC 尽量靠近视频、中频甚至射频，以获取尽可能多的目标信息。因而， ADC 的性能好坏直接影响整个系统指标的高低和性能好坏，从而使得 ADC 的性能测试变得十分重要 ， 表征 ADC 性能的参数，由于尚无统一的标准，各主要器件生产厂家在其产品参数特性表中给出的也不完全一致。一般来说，可以分为静态特性和动态特性参数。 1． 2． 1 ADC 静态特性 ADC 的静态特性是指其与时间特性无关的 特性，主要包括以下几类： 1) 分辨率 ADC 的分辨率定位为二进制末位变化 1 所需的最小输入电压与参考电压的比值，即 ADC 能够分辨的最小的模拟量的变化 。 2) 量化误差 量化电平定义为满量程电压（或满度信号值） UFSR 与 2 的 N 次幂的比值，其中 N位被数字化的数字信号的二进制位数。量化电平一般用 Q 表示 。 3) 全输入范围 和 动态范围 全输入范围是指允许输入模拟信号的最大值与最小值之差 ； 动态范围是指全输入范围与 ADC 最小可分辨的量值之比。 4) 偏置误差 和 增益误差 ADC 的偏置误差定义为使最低位被置成 “1” 状态时 ADC 的输入电压与理论上使最低位被置成 “1” 状态时的输入电压之差。 当偏置误差高速为零之后，输出为全 1 时对应的实际输入电压与理想输入电压之差。 12 ADC 动态特性 高速 ADC 的动态特性是指输入为交变简谐信号时的性能技术指标，它是与 ADC 的操作速度有关的特性。 其 主要技术指标如下： 1) 转换时间、采集时间 转换时间是指从信号开始转换到可获得完整的信号输出所用的时间，它是高速ADC 的一项重要指标。 采集时间是指采样保持电路在采样模式下能够保证其在随之到来的保持模式输出在采样保持转换时，相对该时刻存在的输入电 平之间的误差将会限制在一定的误差范围内所需的时间。 2) 频率响应 它是冲击响应的傅立叶变换，其最佳表达方式是幅频与相频曲线，从系统辨识的角度看这是在频域对 ADC 动态线性特性的非参数模型描述。 3) 动态积分非线性误差和动态微分非线性误差 动态积分非线性误差（ INL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC 实际转换特性曲线之间的最大偏差。每个数码的偏差都是由那个数码的中心值来度量的。 动态微分非线性误差（ DNL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC 实际转换特性的码宽（ 1LSB）与 理想代码宽度之间的最大偏差，单位为 LSB。为了保证 ADC 不失码，通常规定在 25oC 时最大 DNL 为 1/2LSB。 4) 信噪比、信噪失真比和有效位数 13 信噪比（ SNR）是信号电平的有效值与各种噪声（包括量化噪声、热噪声、白噪声等）有效值之比的分贝数。其中信号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值（除谐波分量和直流分量外）。 5) 小信号带宽和全功率带宽 ADC 的模拟带宽是指输入扫描频率基波在 ADC 输出端用 FFT 分析得到的基波频谱下降到 3dB 处的带宽（不考虑谐波失真和噪声影响）。根 据输入信号幅值不同，模拟带宽又可以分为小信号带宽（ SSBW，一般指 1/10 满量程）和全功率带宽（ FPBW，指满量程）。 ADC 性能测试 ADC 测试方法主要有两种：模拟方法和数字方法。前者是将 A/D 采集的数字信号经 D/A 转换位模拟信号再用传统的测试方法对其进行测试，优点是易于理解，缺点是许多 A/D 采集卡本身不带 D/A，即或有， D/A 的性能也将影响 A/D 指标的测试； 1． 3 常用 ADC 芯片概述 A/D 转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度 、湿度、位移、声音等非电信号。但在 A/D转换前，输入到 A/D 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号 。 14 第二章 8OC51 单片机引脚 图 80C51 引脚 总线型 DIP40 引脚封装 电源引脚（ 2 个） VCC：接 +5V 电源。 GND：接地端。 外接 晶体引脚（ 2 个） XTAL1：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚接地）。 XTAL2：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号输入端）。 并行输入 /输出引脚（ 32 个） ~：通用 I/O 引脚。 ~：通用 I/O 引脚。 ~：通用 I/O 引脚或数据低 8 位地址总线复用引脚。 ~：通用 I/O 引脚或第二功能引脚（ RXD、 TXD、 INT0、 INT T0、T WR 、 RD）。 15 控制