简易数字电压表设计毕业论文.docx
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简易数字电压表设计毕业论文
简易数字电压表设计毕业论文
一、课题训练容
<1>培养学生收集资料、文献检索的能力,获取新知识的能力；
<2>培养学生工程开发的能力,制定工作计划和协调组织的能力；
<3>培养学生综合运用所学专业知识、理论,解决实际工程问题的能力；
<4>培养学生原理设计、实验分析或理论推导的能力；
<5>培养学生的思想、工作作风及实际能力；
<6>培养学生撰写文档的能力；
<7>培养学生阅读英语文献的能力和翻译的能力。
二、设计〔论文任务和要求
<1>利用8051单片机编制一个简易数字电压表。
要求测量最小分辨率为0.02V。
<2>检测信号的电压围：
1mv—2v。
<3>输入信号的频率围：
10Hz-2000KHz。
<4>查阅相关资料,了解交流毫伏表的各种现实发法极其特点,并着重掌握交流毫伏表的设计及显示等。
<5>熟悉并掌握个芯片的功能极其管脚分。
<6>检测设计电路中所需要的各种电子元器件。
<7>对设计的交流毫伏表进行装接与调试,要求设计的电路达标。
<8>第四周前上交毕业设计开题报告一份。
开题报告容与学校模板要求一致,字数不少于2000字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作。
<9>完成原理设计,合理选择模块,绘制原理图。
完成软件的编写与设计,仿真结果。
<10>学生在此期间应定期与指导教师联系,汇报设计进展情况。
<11>每个学生必须独立完成毕业设计,字数不少于15000字。
四、主要参考资料：
[1]肖子.电子设计指南[M].:
高等教育,2006.
[2]康华光.电子技术基础[M].:
高等教育.
[3]欧阳文.ATMEL89系列单片机的原理与开发实践[M].中国电力.
[4]谭浩强.C程序设计[M].:
清华大学.
[5]周责奎.控制仪表与计算机控制设置[M].化学工业.
[6]青.电路与电子技术基础[M].:
科学技术.
[7]育才.新型AT89S52系列单片机及其应用[M].:
清华大学出版社.
[8]蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].:
高等教育.
[9]尚松.电子测量与仪器[M].电子工业.
[10]苗红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计[J].河海大学分校学报,2002,16.3.
**大学毕业设计〔论文开题报告
课题名称
简易数字电压表设计原理分析及功能实现
院系名称
专业
班级
学生
1、课题研究的目的和意义
数字电压表〔DVM,DigitalVoltmeter是一种利用数模转换原理,将被测电压转换为数字量,并将测量结果以数字形式显示出来的电子测量仪器。
一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器。
控制逻辑电路。
计数器〔或寄存器、显示器、以及电源电路等几个部分组成。
输入电路和A/D转换器称为模拟电路部分,而计数器。
显示器、控制逻辑电路统称为数字电路部分。
因此一台数字电压表除供电电源外,主要由模拟和数字两大部分构成。
数字仪表的特点：
〔1数字显示,读数不存在视觉误差。
〔2精确度一般较高,数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分,所以机械摩擦,变形的影响极小,只要元器件的质量、性能上没问题,数字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表,比如科立恒电子的生产的KM显示表精度都已经达到了0.01%,,代理的CSS系列产品已经达到了十万分之一的精确度,而目前一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易,而数字仪表可轻易达到0.05%,目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。
〔3灵敏度高。
由于有些数字仪表多设有各种放大线路或器件,所以可测量较小的信号,如1mv左右的电压信号,1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频率信号。
〔4>输入阻抗高。
数字仪表一般本身有工作电源,除测量电流外,一般阻抗都可以制得较高,使在测量时对被测物理量影响很小。
〔5>使用方便。
特别是实验室用便携式、台式仪表,可制成多量程〔目前有-1999~9999显示量程的KM表系,多功能仪表〔可测量电流电压频率功率线速转速。
〔6性价比高
〔7抗干扰性能教差,由于数字仪表灵敏度高,其副作用就是抗干扰性能差外磁场和电场等变化容易引起读数变化,为了解决这一现象；科立恒公司,在技术方面投入巨资,应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术,弧型设计面板确保仪表的长期稳定。
〔8数字仪表的精确度,表示方法不同于指针式仪表,数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度,比如KM系列数显仪表,系统精度0.1%<直流>,0.2%〔交流满刻度字。
一般多功能,多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时,精确度也不一样。
2、所属领域的现状,及发展状况：
20世纪50年代初期,仪器仪表取得了重大突破,数字技术的出现使各种数字仪器得以问世,把模拟仪器的准确度、分辨率与测量速度提高了几个量级,为实现测试自动化打下了良好的基点。
60年代中期,测量技术又一次取得了进展,计算机的引入,使仪器的功能发生了质的变化,从个别电量的测量转变成测量整个系统的待征参数,从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。
70年代,计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透,使电子仪器在传统的时域与频域之外,又出现了数据域〔Datdomain测试。
80年代,由于微处理器被用到仪器中,仪器前面板开始朝键盘化方向发展,过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘,选择电压电流等量程或功能的滑动开关,通、断开关键已经消失。
测量系统的主要模式,是采用机柜形式,全部通过IEEE-488总线送到一个控制品上。
测试时,可用丰富的BASIC语言程序来高速测试。
不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。
90年代,仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展。
这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。
突出表现在以下几个方面：
微电子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表的设计：
DSP芯片的大量问世,使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展,使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。
科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。
仪器仪表电流传感器
currentsensor的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件,例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。
其目的是实现仪器仪表的小型化,减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。
另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能,担高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。
仪器仪表不仅供单项使用,而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来,组成各种测试控制管理综合系统,满足更高的要求。
工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表；全面扩大服务领域,推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化,完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变,5年数字仪表比例达到60%以上。
3、课题的研究容和手段
根据数字电压表的特点,本次设计可以有至少两种设计方案——由数字电路及芯片构建、由单片机系统及A/D转换芯片构建
由数字电路及芯片构建方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成,模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器,译码器,逻辑控制器,振荡器和显示器。
由单片机系统及A/D转换芯片构建方案的原理是模数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。
最终通过对两种方案的优势与劣势的验证对比以确定最佳方案。
4、课题的研究方法及步骤：
〔1>确定此课题的研究意义与可行性。
由于频率合成技术的重要性与应用广泛,该课题的研究十分有意义。
〔2>查找关于频率合成技术的发展历史的资料及相关知识,查找关于频率合成技术的应用领域的各项知识进行分析研究。
〔3>总结该研究涉及到的知识并进行温习。
熟悉所应用到的软件。
〔4>动手设计电路原理图,进行电路硬件和软件的设计。
〔5>仿真进行下载与调试。
〔6>理清思路,总结实验,写报告。
5、参考文献
[1]肖子.电子设计指南[M].:
高等教育,2006.
[2]康华光.电子技术基础[M].:
高等教育.
[3]欧阳文.ATMEL89系列单片机的原理与开发实践[M].中国电力.
[4]谭浩强.C程序设计[M].:
清华大学.
[5]周责奎.控制仪表与计算机控制设置[M].化学工业.
[6]青.电路与电子技术基础[M].:
科学技术.
[7]育才.新型AT89S52系列单片机及其应用[M].:
清华大学出版社.
[8]蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].:
高等教育.
[9]尚松.电子测量与仪器[M].电子工业.
[10]苗红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计[J].河海大学分校学报,2002,16.3.
指导教师签名：
2012年月日
摘要
本文是基于单片机的数字电压表设计,将模拟电压量直接转换成数字量,用数码管来显示。
首先,介绍了数字电压表的特点。
其次,介绍了数字电压表的两种设计方案以及在该设计中设计方案和各元器件的选择,并对各元器件做了简单的介绍；然后对设计方案做了整体介绍,其基本原理是,模拟电压量经过A/D转换芯片转换成数字量,送入单片机进行处理。
最后输出的数据在经过线路驱动器送入数码管显示电压大小。
最后介绍了程序流程,并用KEIL和PROTUES联机调试进行仿真。
调试完成之后进行硬件焊接,测试并进行行改进。
关键字：
单片机；A/D转换；数码显示；数据处理；硬件焊接
Abstract
Thispaperisthedigitalvoltmeterdesignbasedonthesinglechipmicrocomputer,thesimulationofvoltagedirectlyconvertedintodigitalquantitywhichisdisplayedbydigitalpipe.Firstly,Itintroducedthecharacteristicsofthedigitalvoltmeter,secondly,itrecommendedtwodesignschemesandhowtochoicethedesignschemeandcomponentsinthedesign,andalsoitintroducedseveralcomponents;Fourthly,itisdoingacompletedesignschemeintroduction,itsbasicprincipleisthatsimulationvoltagequantityconvertedintodigitalquantityafterA/Dconversionchip,andimportedintosinglechipforprocessing.Thelastoftheoutputdataisdisplayedbydigitaltubeafterdecodedirectdrive.Finally,Itintroducedprogramdesigningwiththeassemblylanguage,anddidtheonlineadjustmentsimulationusingPROTUESandKEIL.Afterthecommissioning,iwelded,testedandimprovedthehardware.
Keywords:
microcomputer;A/Dconversion;displayedinnumber;dataprocessing;
hardwareweld
1数字电压表
1.1数字电压表简介
在电量的测量中,电压、电流和频率是最基本的三个被测量,其中电压量的测量最为经常。
而且随着电子技术的发展,更是经常需要测量高精度的电压,所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
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。
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。
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,示出强大的生命力理。
1.2数字电压表的优点
传统的指针式刻度电压表功能单一,精度低,容易引起视觉疲劳,因而不能满足数字化时代的需要。
采用单片机的数字电压表,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,从而精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便,还可与PC实时通信。
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。
以数字电压表为核心,可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。
目前,由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。
最近的几十年来,随着半导体技术、集成电路〔IC和微处理器技术的发展,数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步,从而促使了数字电压表的快速发展,并不断出现新的类型。
数字电压表从1952年问世以来,经历了不断改进的过程,从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化〔IC化,另一方面,精度也从0.01%到0.005%。
1.3数字电压表发展趋势
目前,数字电压表的部核心部件是A/D转换器,转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成
本这两个方面。
A/D转换器分成四种：
计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。
目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器,其中双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高,抗干扰性能好,价格便宜。
但是其转换速度慢,因此这种转换器这种转换器主要用于速度要求不高的场合。
而逐次逼近式A/D转换器转换速度快,但精度相对较差。
因此未来的A/D转换器将兼顾精度和速度,成本也会随着集成电路的发展而降低。
1.4设计平台
1.4.1KEILC51开发平台
KEIL软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件,这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。
KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案,通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。
运行KEIL软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的,如果你使用C语言编程,那么KEIL几乎就是你的不二之选〔目前在国你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件,即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
C51工具包的整体结构较为丰富,其中UVISION与ISHELL分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境,可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件<.OBJ>。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件<.ABS>。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的KEIL仿真器时,注意事项,仿真器标配11.0592MHz的晶振,但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片,不复位目标系统。
仿真芯片
的31脚〔/EA已接至高电平,所以仿真时只能使用片ROM,不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连,故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM〔其CPU的/EA引脚接至低电平的目标系统中使用。
1.4.2PROTELDXP2004设计软件
ALTIUM公司作为EDA领域里的一个领先公司,在原来PROTEL99SE的基础上,应用最先进的软件设计方法,率先推出了一款基于Windows2000和WindowsXP操作系统的EDA设计软件PROTELDXP。
PROTELDXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。
新的可定制设计环境功能包括双显示器支持,可固定、浮动以及弹出面板,强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。
PROTELDXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统,电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。
PROTELDXP运行在优化的设计浏览器平台上,并且具备当今所有先进的设计特点,能够处理各种复杂的PCB设计过程。
通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合,PROTELDXP提供了全面的设计解决方案。
PROTELDXP2004是ALTIUM公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件,该软件能实现从概念设计,顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。
当前比较流行的PROTEL98、PROTEL99SE,就是它的前期版本。
PROTELDXP2004已不是单纯的PCB〔印制电路板设计工具,而是由多个模块组成的系统工具,分别是SCH〔原理图设计、SCH〔原理图仿真、PCB〔印制电路板设计、AutoRouter〔自动布线器和FPGA设计等,覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起,为电路设计提供了强大的支持。
与较早的版本——Protel99相比,PROTELDXP2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化,而且极强化了电路设计的同步化,同时整合了VHDL和FPGA设计系统,其功能大大加强了。
2简易数字电压表设计简介
数字电压表简称DVM,作为智能仪表的一种,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量<直流输入电压>转化成不连续,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,精度高,抗干扰能力强,可扩展性强,集成方便。
目前,由各种单片A/D转换器构成的说字电压表,已经被广泛用于电子及电工测量,工业自动化仪表,自动测量系统等智能化测量领域,显示出强大的生命力。
2.1设计背景
数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造,它刚开始是4位,50多年来,数字电压表有了不断的进步和提高。
数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。
开始是4位数码显示,然后是5位、6位显示,而现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测1-2种参数到能测几十种参数的多用型；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。
数字电压表的体积和功耗越来越小,重量不断变轻,价格也逐步下降,可靠性越来越高,量程围也逐步扩大。
数字电压表出现在50年代初,60年代末发起来的电压测量仪表。
简称DVM,它采用的是数字化测量技术,把连续的模拟量,也就是连续的电压值转变为不连续的数字量,加以数字处理然后再通过显示器件显示。
这种电子测量的仪表之所以出现,一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域,提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求,即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面,也是电子计算机的发展,带动了脉冲数字电路技术的进步,为数字化仪表的出现提供了条件。
所以,数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时,为革新电子测量中的烦锁和旧方式也催促了它的飞速发展。
如今,它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。
如今,数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。
因为传统的模拟指针式电压表功能单一,精度低,读数的时候也非常不方便,很容易出错。
而采用单片机的数字电压表由于测量精度高,速度快,读数时也非常的方便,抗干扰能力强,可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量,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。
数字电压表最初是伺服步进电子管比较式,其优点是准确度比较高,但是采样速度慢,重量达几十公斤,体积大,继之出现了斜波式电压表,它的速度方面稍有提高,但是准确度低,稳定性差,再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构,它不仅保持了比较式准确度高的优点,而且速度也有了很大的提高,但它有一缺点是抗干扰能力差,很容易受到外界各种因素的影响。
随后,在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式,它的唯一的进步是成本降低了,可是准确宽,速以及抗干扰能力都未能提高。
而现在,数字电压表的发展已经是非常的成熟,就原理来讲,它从原来的一二种已发展到多种,在功能上讲,则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看,发展到了集成电路,准确度已经有了很大的提高；读数每秒几万次,而相对以前,它的价格也有了降低了很多。
目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数转换的方法,而数字电压表种类繁多,型号新异,目前国际仍未有统一的分类方法,而常用的分类方法有如下几种:
<1>按用途来分：
有直流数字电压表,交直流数字电压表,交直流万用表等。
<2>按显示位数来分：
有4位,5位,6位,7位,8位等。
<3>按测量速度来分：
有低准确度,中准确度,高准确度等。
<4>按测量速度来分：
有低速,中速,高速,超高速等。
但在日常生活中,数字电压表一般是按照原理不同进行分类的,目前大致分为以下几类：
比较式,电压—时间变换式,积分式等。
在电量的测量中,压电流和频率是最基本的三个被测量。
其中,电压所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
另外,由于数字式仪器具有读数准确方便,精度高,误差小,灵敏度高和分辨率高,测量速度快等特点而倍受用户青睐,数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的,是一种必不可少的电子测量仪表。
2.2设计意义
这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解,自己动手设计数字电压表与仿真,它可以广泛的应用于电压测量外,通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量,测量是一种
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