基于单片机的数字电压表的设计 毕业论文.docx

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基于单片机的数字电压表的设计毕业论文

摘要

单片机是一种集成电路芯片，随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

由于单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点，已经在各个技术领域得到了迅猛发展。

数字电压表（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。

本设计重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。

关键词：

单片机，数字电压表，A/D转换器，电压测量

Abstract

SCMisakindofintegratedcircuitchips,alongwiththecomputerinthesocialsectorpenetrationandMCUapplicationiscontinuouslytothedeepening,andpushingthetraditionalcontroltestonthenewbeneficialupdate.Inrealtimedetectionandautomaticcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenasacorecomponenttouse,onlysinglechipmicrocomputeraspectsknowledgeisnotenough,shouldaccordingtothespecifichardwarestructure,andtheviewofthespecificapplicationofthecharacteristicsoftheobjectsoftwarecombinationtobeperfect.Becausesinglechiphasasimplepractical,highreliability,goodperformancetopriceandtheadvantagesofsmallsize,hadbeenineachtechnologyhasdevelopedrapidlydevelopment.

Digitalvoltmeter（hereinafterreferredtoasDVM）,itisusingdigitalmeasurementtechnique,thecontinuousanalogue（dcinputvoltage）convertedintodigitalformofdiscontinuous,discreteandtoshowappearance.Thetraditionalpointertypevoltmeterandlowaccuracyofsinglefunction,andcan'tmeettheneedsofthedigitalage,thedigitalvoltmeterbysinglechipmicrocomputer,thehighprecisionandstronganti-interference,extensibility,integrationisconvenient,stillcanandPCforreal-timecommunication.Atpresent,byallsortsofsinglepieceofA/Dconverterinthecompositionofthedigitalvoltmeter,hasbeenwidelyusedintheelectronicsandelectricalmeasurement,industrialautomationinstrument,automatictestsystem,intelligentmeasurementfield,showsAstrongvitality.Atthesametime,theexpansionofDVMintogeneralandspecialdigitalinstruments,thepowerandthepowermeasurementtechnologytoanewlevel.ThisdesignemphasisofsingleA/Dconverterandbytheyconstituteofthedigitalvoltmeterbasedonsinglechipmicrocomputerprincipleofwork.

Keywords:

SCMDigitalvoltmeterA/DconverterVoltagemeasurement

1绪论

1.1研究背景及意义

数字电压表（DigitalVoltmeter）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，展示出强大的生命力。

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。

新型数字电压表以其高准确度、高可靠性、高分辨率、高性价比等优良特性倍受人们的青睐。

目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。

与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表（含数字万用表），也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

本设计重点是A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理

数字电压表是诸多数字化仪表的核心和基础，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，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

目前数字万用表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本设计A/D转换器采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。

1.2单片机简介

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口）如图1.1所示，可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

图1.1单片机控制系统的组成

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要我们了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，我们要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。

是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

1.3单片机的应用领域及发展趋势

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及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

（1）在智能仪器仪表上的应用

（2）在工业控制中的应用（3）在家用电器中的应用（4）在计算机网络和通信领域中的应用。

现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

低功耗CMOS化、微型单片化、主流与多品种共存。

1.4研究内容

按系统功能要求，决定控制系统采用AT89S51单片机，A/D转换采用ADC0809.系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行其功能的扩展。

本文采用AT89s51作为核心元件，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

研究设计一个以AT89C51单片机为主控芯片，A/D转换采用ADC0809的数字电压表。

其基本工作原理是将被测电压信号，送入A/D转换器进行转换，然后送到单片机中进行数据处理，处理后得到的电压值再送到LED中显示。

本设计从各个角度分析了由单片机组成的数字电压表的设计过程及个部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机及儿时系统运行起来的原理及方法。

本设计主要分为两部分：

硬件电路及软件程序。

而硬件电路又大可分为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。

2数字电压表

数字电压表简称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。

2.1数字电压表的特点

1．显示清晰直观，读数准确

　　传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种"数字/模拟条图"仪表业已问世。

"模拟图条"（AnalofBargraph）有双重含义：

第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。

这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。

智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。

2．显示位数

显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。

判定数字仪表的位数有两条原则：

①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。

例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。

3．准确度高

准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

4．分辨率高

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。

例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。

需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。

从测量角度看，分辨力是"虚"指标（与测量误差无关），准确度才是"实"指标（代表测量误差的大小）。

5．测量范围宽

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。

6．扩展能力强

在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。

7．测量速度快

数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是"次/S"。

它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。

8．输入阻抗高

数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。

9．集成度高，微功耗

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。

10．抗干扰能力强

51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。

2.2数字仪表的发展趋势

采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。

具体来说测量控制与仪器仪表的国际发展趋势，可以总结为以下主要特点：

1、技术指标不断提高就如奥林匹克运动的口号是更高、更快、更强一样，测量控制与仪器仪表在提高测量控制的技术指标和功能上是永远的追求，测量控制与仪器仪表的技术指标水平是一个国家测量控制与仪器仪表水平的量化标志。

提高产品环境适应性，根据不同用户的要求，有高温、高湿、高尘、腐蚀、振动、冲击、电磁场、辐射、深水、雨淋、高电压、低气压等条件下的适应性。

2、新的科学研究成果和发现如信息论、控制论、系统工程理论，微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术，计算机软、硬件技术，网络技术，激光技术，超导技术，纳米技术等均成为测量控制与仪器仪表科学技术发展的重要动力。

仪器仪表不仅本身已成为高技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技成果集成的装置和系统层出不穷。

　　3、测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。

从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。

　　4、测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。

　　5、便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展随着生产的发展和人民生活水平的提高，人们对自己的生活质量和健康水平日益关注，检测与人们生活密切相关的各类商品、食品质量的仪器仪表，预防和治疗疾病的各种医疗仪器是今后发展的一个重要趋势。

科学仪器的现场化、实时在线化，特别是家庭和个人使用的健康状况和疾病警示仪器仪表将有较大发展。

　　受体制、机制、经济及科技综合水平、管理、人才等条件的制约，企业“多、散、弱”，科技开发能力不强，产品稳定性、可靠性有差距，市场出现高中档产品以三资和进口为主，中低档产品以中资企业为主的局面，而且由于市场规模、人力成本、行业基础等比较优势，一些量大、面广的产品将成为生产和出口的主力。

国内仪器仪表技术应用现状及最新发展速度相对较慢。

目前，我国数字压力表等仪器仪表行业现状门类齐全，有一定行业基础，在发展中国家，属“上游”，但与发达国家差距明显。

3系统总体设计

3.1总体方案设计

系统的总体方案设计如图3.1所示。

包含测量电路，A/D转换电路，单片机数据处理电路，和LED显示电路。

图3.1数字电压表的组成框图

被测得的电压信号送入A/D转换器进行转换，转换后的数字信号送入单片机进行数据处理，最终将数据处理后得到的电压值送到LED中进行显示。

3.2设计原理分析

3.2.1单片机AT89S51

　　AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.2.2AT89S51的特点

　　40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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，片内时钟振荡器此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz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。

3.2.3ADC0809工作原理

　　8路模拟信号由ADC0809的IN0～IN7端输入，AT89S51单片机的ALE端口输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号（产生CLK信号的方法就得用软件来产生）。

A/D转换完成之后，从EOC端返回AT89S51一个转换结束信号，单片机随即用信号将A/D转换的数字输出从D0～D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。

A/D转换过程全部结束。

再经软件程序转换成a～g7段码输出，驱动LED数码管。

各位数码管由位控信号P3.0、P3.1、P3.2、P3.3控制，由74LS245反相驱动将依次巡回点亮数码管。

3.3硬件电路设计

3.3.1复位电路

89C51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

最简单的上电自动复位电路，是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

当时钟频率选用6MHz时，C取22uF，R取1K。

除上电复位外，有时还需要按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的，按键手动电平复位电路如图3.1。

当时钟频率选用12MHz时，C选取22uF，R选择1000欧。

复位电路如图3.2所示，单片机系统常常有上电复位和操作复位两种。

上电复位是指单片机上电瞬间，要在RST引脚上出现宽度大于10ms的正脉冲，才能使单片机进入复位状态。

操作复位是指用户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态。

图3.2复位电路

3.3.2晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

　　一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。

晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。

石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。

如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。

一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。

但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。

其特点是频率稳定度很高。

石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供