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数字电压表课程设计精品
数字电压表的设计
作者姓名****
专业**************
指导教师姓名*****
目录
摘要1
ABSTRACT2
第一章绪论3
1.1单片机简介3
1.2单片机的应用领域4
1.3单片机的发展趋势5
第二章数字电压表6
2.1数字电压表的简介6
2.2用于数字电压表内的AD转化器分类7
2.3数字仪表的发展趋势7
第三章主要硬件功能及介绍8
3.1完成AD转换的ADC08048
3.1.1ADC0804主要规格性能8
3.1.2ADC0804引脚图及接口电路9
3.2系统控制核心AT89C5111
3.2.1AT89C51简介11
3.2.2AT89C51外部管脚分布及功能介绍13
3.3译码驱动芯片74LS47[8]15
第四章直流电压表的系统设计16
4.1数字电压表系统设计框图16
4.2设计目标和功能实现情况16
4.3系统硬件电路设计17
4.3.1电源电路17
4.3.2模/数转换电路18
4.3.3单片机控制电路18
4.3.4显示电路20
4.3.5系统硬件电路....................20
4.4系统软件设计21
4.4.1系统程序设计流程图21
4.4.2系统控制的单片机控制程序23
第五章数字电压表的系统方针系列图25
第六章结束语26
参考文献28
致谢29
摘要
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）。
随着单片机技术的飞速发展，各种单片机蜂拥而至，单片机技术已成为一个国家现代化科技水平的重要标志。
单片机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。
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。
本毕业设计的课题是“简易数字电压表的设计”。
主要考核我们对单片机技术，编程能力等方面的情况。
观察独立分析、设计单片机的能力，以及实际编程技能。
本文利用了单片机在测量技术中的应用，采用AT89C51单片机实现模拟电压信号的检测与显示，构成数字式电压表。
本课题中主要解决数模转换，数据处理和显示控制三个主要模块。
其中的ADC0804用于模拟电压信号转换成单片机用于识别的数字信号，AT89C51主要用于信号的控制和处理显示，74LS47用于译码和驱动显示。
该电路设计简单实用，实现了数字电压表的智能化控制。
关键词：
单片机AT89C51ADC0804数模转换模块74LS47译码驱动电路化控制
ABSTRACT
Isasingle-chipintegratedcircuitchip,theuseofultra-large-scaletechnologywithdataprocessingcapabilities（suchasarithmeticoperations,logicoperations,datatransfer,interrupthandling）ofthemicroprocessor（CPU）.Withtherapiddevelopmentofsingle-chiptechnology,avarietyofsingle-chipopenthefloodgatesofasingle-chiptechnologyhasbecomethecountry'smodernizationlevelofscienceandtechnologyanimportantindicator
Single-chipcanbeindividuallycompletedtherequirementsofmodernindustrialcontrolintelligentcontrolfunctions,whichisthelargestsingle-chipfeatures.Single-chipcontrolsystemtoreplacetheuseofcomplexelectroniccircuitsordigitalcircuitsconsistingofcontrolsystemsoftwarecontrolcanbeachieved,andtoachieveintelligent.SCMareasnowubiquitous,suchascommunicationproducts,homeappliances,smartinstrumentation,processcontrolandspecialcontroldevices,etc.,single-chipapplicationsmoreandmorewidely.
Thesubjectofthisgraduationprojectisa"summaryofthedesignofdigitalvoltagemeter."Wemainlytestsingle-chiptechnology,programmingandotheraspectsofcapacity.Observerindependentanalysisofthecapacityofsingle-chipdesign,aswellastheactualprogrammingskills.
Inthispaper,themeasurementofsingle-chiptechnology,usingAT89C51single-chipanalogvoltagesignaldetectionandshowsthatconstitutedigitalvoltagemeter.Themainsolutiontotheissueofdigital-to-analogconversion,dataprocessinganddisplaycontrolofthreemainmodules.ADC0804whichusedtosimulatethevoltagesignalsintosingle-chipdigitalsignalusedtoidentify,AT89C51usedmainlyforthecontrolandsignalprocessinganddisplay,74LS47decoderanddriverforthedisplay.Thecircuitisdesignedtobesimpleandpractical,toachievethedigitalvoltagemeterintelligentcontrol.
Keywords:
microcontroller；AT89C51；ADC0804ADCmodule；74LS47decodingdrivingcircuits；intelligentcontrol.
第一章绪论
1.1单片机简介[1]
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、计时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微处理器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有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，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
1.2单片机的应用领域[2]
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，以及程控玩具、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、医疗器械了。
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
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，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、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（功率计，传感器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
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。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、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，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
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。
5.单片机在医用设备领域中的应用
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，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
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）。
1.3单片机的发展趋势
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：
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
3.主流与多品种共存
虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
第二章数字电压表
2.1数字电压表的简介[3]
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。
一、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．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用于数字电压表内的AD转化器分类[4]
A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的"心脏"。
目前国内外生产的A/D转换器已达数百种，大致可分为五大类：
①单片A/D转换器；②单片DMM专用IC；③多重显示仪表专用IC；④专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；⑤其他通用型A/D转换器，这种芯片仅能完成模/数转换，不能直接配数字仪表。
1．单片A/D转换器
所谓"单片A/D转换器"，是采用CMOS工艺将DVM的基本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。
它们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成DVM。
若对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，还可构成DVM。
2．单片DMM专用IC
单片DMM专用IC是CMOS大规模集成电路和仪表技术的结晶，使用一片IC即可构成功能完善的自动量程数字多用表。
特别是专配μP的DVM集成电路的问世，为开发具有高性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。
3．多重显示仪表专用集成电路
多重显示仪表包括二重、三重、四重显示仪表，是国际90年代流行产品。
2.3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。
1．广泛采用新技术，不断开发新产品
2．模块化的发展方向
新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。
预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。
表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。
这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。
所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板
上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。
3．多重显示仪表
为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，"数字/模拟条图"双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。
模拟条图大致分成三类：
①液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。
②等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。
③LED光柱，它是由多只发光二极管排列而成。
这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。
4．安全性
仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。
一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。
仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。
以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。
5．操作简单化。
第三章主要硬件功能及介绍
3.1完成AD转换的ADC0804[5]
3.1.1ADC0804主要规格性能
所谓AD转换器就是模拟和数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号的器件。
信号输入端可以是传感器或转换器的输入端，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛应用。
ADC0804的主要规格为：
（1）高阻抗状态输出
（2）分辨率：
8位（0~255）
（3）存取时间：
135ms
（4）转换时间：
100ms
（5）总误差：
-1~+1LSB
（6）工作温度：
ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40度~85度
（7）模拟输入电压范围：
0V~5V
（8）参考电压：
2.5V
（9）工作电压：
5V
（10）输出为三态结构
3.1.2ADC0804引脚图及接口电路
ADC0804引脚图如下：
图3-1ADC0804引脚图
引脚功能及应用特性如下：
1.CS、RD、WR（引脚1、2、3）：
是数字控制输入端，满足标准TTL逻辑电
平。
其中CS和WR用来控制A/D转换的启动信号。
CS、RD用来读A/D转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0~DB7各端上出现8位并行二进制数码。
2.CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：
ADC0801~0805片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHZ，转换速度为100μｓ。
若采用外部时钟，则外部fCLK可从CLKI端送入，此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHZ～1460KHZ。
3.INTR（引脚5）：
INTR是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。
如果将CS和WR端与INTR端相连，则ADC0804就处于自动循环转换状态。
CS＝0时，允许进行A/D转换。
WR由低跳高时A/D转换开始，8位逐次比较需8×8=64个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要66～73个时钟周期。
4.在典型应用fCLK＝640KHZ时，转换时间约为103μｓ～114μｓ。
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