自动选档数字电压表的设计毕业设计.docx

1、自动选档数字电压表的设计毕业设计自动选档数字电压表的设计诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除文中专门加以标注和致谢中所罗列的内容之外，论文中创新处不包括其他人已经发表或撰写过的研究功效，也不包括为取得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书罢了经利用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同窗对本课题所做的任何奉献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。假设有不实的地方，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日自动选档数字电压表的设计自动化专业 0902班 学号1指导教师 王凌摘 要数字电压表自诞生以来被普遍

2、应用于工控，教学及社会生产中,需要测量电压电流值的各类场所。本文研究基于单片机的自动选档数字电压表的设计，本设计的数字式电压表，具有可自动选档，有效性高，测量精准等特点。通过对现有的各类方案分析，采纳以单片机为中央处置器，接收到电信号后，利用芯片及设计电路完成A/D转换功能，通过对电信号的转换由LCD显示结果，完成测量进程。本文给出了具体的硬件设计电路和软件结构，文中给出了系统硬件线路的设计要点和电路结构和软件的设计要点。本文设计的数字电压表，其硬件电路所用元件较少、本钱低、调剂简单；软件程序采纳C语言编写，可读性强。通过理论研究、原理设计和整机调试，实验结果说明，本设计达到了可自动选档,测量

3、精准等初步要求。关键词： 数字电压表 单片机 LCD A/D转换The design of a Digital Voltmeter of function of Automatic selected stallsAbstractDigital Voltmeter since its created that has been widely used in a variety of palce,such as industrial, teaching and social production where is that voltage and current values measured.T

4、his article is about the design of a Digital Voltmeter of function of Automatic selected stalls,the microcontroller-based Digital Voltmeter of the function that is Automatic selected stalls,high availablity and precise measurement. Analysis on the various programs,put the Microcontroller as the cent

5、ral processor received electrical signal , A/D conversion function achieved by using the chip and circuit design, when the transformed electrical signal displayed by the LCD ,the measurement process is this paper, a detailed description of the design of the system hardware circuit design and structu

6、re, as well as the design of software ,all of about that is given. The digital voltage meter designed in this paper, have less components in the hardware part, lower cost and easier testing; software used C programming language which is strong readability. After theoretical research, principle desig

7、n and debugging, the experimental results suppose it is feasible of choosing this program .Key words: Digital Voltmeter Microcontoller LCD A/D conversion 前 言 1第1章 整体设计 4第节 设计指标 4第节 设计方案的论证 4第节 系统整体设计 6第节 小结 7第2章 系统的硬件结构 8第节 硬件系统的设计原那么 8第节 单片机及外围电路设计 9第3章 软件程序设计 27第节 软件设计要求 27第节 程序流程 28第节 小结 28第4章 制作

8、与调试 29第节 电路板的制作 29第节 调试 29第5章 数字电压表的抗干扰设计 31第节 硬件系统抗干扰设计硬件 31第节 软件系统的抗干扰设计 32第节 小结 32结 论 34附 录 35参考文献 45致 谢 47前 言21世纪是一个数字化的时期，各式各样的数字化产品如雨后春笋般显现并被应用在科学研究、工业和生产生活等各领域，发挥着无可比拟的作用。而此刻，数字电压表作为现代工业和生产生活中重要工具，它不但开拓了电子测量领域的先河，而且正朝着高准确度、智能化、低本钱的方向进展，成为人们青睐的测量工具之一。而且，数字电压表在生产工艺、外观设计、平安及靠得住性等方面也在不断改良和完善。因此，对

9、数字电压表的研究具有十分重要的意义。以往的指针式电压表功能较单一、指示精度低，不能知足此刻人们在生产生活中的需求，于是数字式电压表在如此的背景下诞生。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它指的是采纳数字化测量技术，把持续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不持续、离散的数字量形式并加以显示的仪表。在电量的测量中，电压、电流和频率是最大体的三个被测量。其中，电压值的测量是最为常常被需要的。而且随着高新电子技术的进展，电压值的测量在转向高精度进展，由此看来数字电压表是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

10、等特点而倍受人们青睐，数字式电压表确实是基于这种需求而进展起来的。目前数字电压表的设计和研发,已经有多种类型和样式，类如由数字电路和芯片组成的、基于单片机操纵的、基于FPGA操纵的、基于CPLD操纵的等等。基于单片机（Microcontoller）操纵的数字电压表，以单片机和A/D转换器为要紧元件，组成了数字电压表的要紧硬件电路。如此的电压表电路设计简单，所用的元件较少，本钱低，调剂工作可实现自动化，而且还能够方便地进行8位A/D转换量的测量，远程测量结果传送等功能。较之以往传统的电压表加倍灵活便利，传统电压表系统功能固定，难以更新扩展，而这些缺点在新型数字电压表上面都已被克服。从数字电压表的

11、进展来看，从1952年美国NLS公司生产的四位电子管数字电压表到此刻已显现的8位数字电压表，能够测量的参数增加到直流电压、交流电压、电流、阻抗等多种电量单位。由于测量自动化程度不断提高，数字电压表还能够和PC机相结合，实现远程测量和对数据的传输处置等功能。目前世界上美国FLUKE 公司在直流和低频交流电量的校准领域居于国际先进水平。比如该公司生产的“4700A”多功能校准器和“8505”微机数字多用电压表，可用8位显示，直流精度可达到十百万分之五，读数分辨力01pV，带有A/D转换模式、数据输出接口型IEEE-488，具有比率测量软件校准和有交流电阻、电流选件。还有高精度电压标准器“5400A

12、”、“5200A”、“5450A ”等数字仪表，都是作为一级计量站和国家级计量站利用的标准仪表。还有英国的7055数字电压表采纳脉冲调宽技术。日本横河公司生产的2501型采纳三次采样等等。在现代电子科技的高速进展进程中，微型化、集成化、高密度化和设备的高精度化已经成为一种长期的趋势，这就要求咱们力求利用更精准的设备。而基于现代工业的生产及实践需求，新型数字电压表的进展趋势也能够从以下五个方面可见一斑：(1)普遍采纳新技术，不断开发新产品 。随着科学技术的进展，新技术的普遍应用，新器件的不断显现。第一是A/D转换器：20世纪90年代世界各国接踵研发了新的A/D转换技术。如四斜率A/D转换技术、余

13、数再循环技术、自动校准技术、固态真有效值转换技术、约瑟夫森效应基准源、智能化专用芯片等，这些新技术使数字电压表向高准确度、高靠得住性及智能化、低本钱方向进展。另外，集成电路的进展使电压表只在外围配置少量元器件，即可组成完整的智能仪表，能够完成贮存、计算、比较、操纵等多项功能。(2)普遍采纳新工艺。新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向进展。估量在不久的以后，更多的数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所组成，给电路设计、安装调试和维修带来极大方便。(3)多从显示仪表。为完全解决数字仪表不便于观看持续转变量的技术难题；“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行样式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式

14、仪表便于观看被测量的转变进程及转变趋势这两大优势。 (4)提高平安性。仪器仪表在设计和利用中的平安性，对生产厂家和广大用户都相当重要。一方面厂家必需为仪表设计平安爱惜电路，并使之符合国家标准；另一方面用户必需平安操作，时刻注意仪表上的各类平安警告指示。 (5)操作简单化。 集成电路的进展使电压表只在外围配置少量元件，即可组成完整的智能仪表，能够完成贮存、计算、比较、操纵等多项功能。这使的按键变少，操作简单。可是数字电压表并非能完全取代指针式的电压表，在反映电压的持续转变和转变趋势方面不如指针表的直观。为克服这种缺憾，20世纪90年代初，一种“数字/光柱”的双重显示仪表已经显现，并成功地应用于生

15、产实践中。数字电压表的设计是生产许多数字化仪表产品的核心与基础。以单片机式数字电压表技术为核心，能够扩展成各类通用数字仪表、专用数字仪表及各类非电量的数字化仪表（如：温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。可是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件组成，可是这种设计方式灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能知足日趋进展的电子工业要求。而应用单片机技术为核心设计的数字式电压表，其各方面性能优良，正是此刻社会生产生活中所需要的。由此看来，设计这种以单片机为基础，具有自动选档功能

16、、灵活性好、结构简单、平安靠得住的数字式电压表将是很成心义的。 第1章整体设计第节 设计指标设计一个具有自动选档功能的数字电压表，其设计指标大体如下：1. 电压测量范围：0-220V。2. 维持测量精度小数点后三位。3. 输出数据用LCD液晶显示。4. 用TLC1549实现数字量的转换。5. 核心操纵部件采纳单片机操纵，充分利用单片机资源。第节 设计方案的论证单片机操纵系统的论证现代数字电压表的设计多采纳单片机来作为设计系统的中央处置器。因为单片微理器的优良性，其集成度高，系统结构简单，应用灵活，处置功能强，运算速度快，这一系列优势，使单片机为数字电压表设计基础的操纵系统容易实现体积小，性能好

17、，设计灵活性高，价钱廉价，易于产品化等多方面指标。 目前的单片机种类繁多，有8位机的Intel MCS-51系列，PIC系列等，而16位单片机有Intel MCS-96系列等。在本次设计中，8位单片机就能够知足电压表系统的设计需求。由STC公司推出的C51、C52两个系列单片机功能壮大，在多种电子仪表设计中普遍取得应用。其中的STC89系列8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，专门是STC公司推出的89C52低功耗高性能的8位COMS单片机。它内部集成了8k的flash程序存储器，这种flash存储器能够反复擦除1000次之多，使程序调试超级方便。同时STC89C52具有256字节

18、内部RAM, 32位输出/输入口线，3个16位按时器/计数器，6个中断源2级中断处置能力，具有低功耗空闲和掉电两种节电模式。从软硬件系统设计的各方面考虑，选用STC89C52单片机作为电压表系统的中央处置器，完全能够知足整个系统的设计需要。1.2.2 A/D转换电路的论证此刻市场上的A/D转换芯片种类繁多。按转换位数分有8位，10位，12位，16位。按A/D转换大体原理的特点，A/D转换芯片分为积分型，逐次逼近型，并行比较型/串并行型，-调制型，电容阵列逐次比较型以及压频变换型。积分型AD工作原理是将输入电压转换成时刻(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由按时器/计数器取得数字值。其优势是

19、用简单电路就能够取得高分辨率，但缺点是由于转换精度依托于积分时刻，因此转换速度极低。逐次比较型AD是由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑组成，从MSB开始，顺序地对每一名将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优势是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价钱很高。并行比较型AD采纳多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称flash(快速)型。由于转换速度极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价钱也高，只适用于视频AD转换器等速度专门高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型

20、AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，因此称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这种AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。从设计指标来看，通过比较压频变换型、电容阵列逐次比较型、-型等集中典型AD 转换器，来论证咱们从转换精度的角度动身应采纳电容逐次比较型的转换器。因此，我选用德州仪器制造的TLC1549芯片，由于TLC1549采纳CMOS工艺，内部具有自动

21、采样维持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时最大总误差仅为1 LSB mV)，因此可普遍应用于模拟量和数字量的转换电路中。 LCD显示电路的论证在现代数字产品的研究与生产中，字符型液晶显示模块被普遍应用于智能仪表、通信、办公自动化及军工等领域。在国际上已经标准化，但不管显示屏规格如何转变，其电特性和接口形式都是统一的。因此只要设计出一种型号的接口电路，在指令设置上略加改动即可利用各类规格的字符型液晶显示模块。和数码管相较，字符型液晶显示模块的利用加倍灵活，显示程序比较通用，可移植性强，读数视觉成效好，显示字符类型也多种多样，例如，在电压超过量程时，字符型液晶

22、显示模块能够轻松的显示“Over”,而数码管实现起来却比较麻烦。因此，在本设计中显示电路采纳LCD-1601液晶显示屏。LCD-1602晶显示屏是以假设干个5 7/8或5 10/11点阵块组成的显示字符群，每一个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。主操纵驱动IC为HD44780及其他公司全兼容IC如：NT3881 NOVATEK KS0066 SAMSUNG SPLC78A01 SUNPLUS。具有字符发生器ROM，可显示192种字符，160个5 7点阵字符和32个5 10点阵字符。具有64个字节的自概念字符RAM ，可自概念8个5 8点阵字符或4个5 11点阵字符。具有80个

23、字节的RAM。标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。模块结构紧凑轻巧装配容易。单+5V电源供电，低功耗、长寿命、高靠得住性。综上所述，选用LCD-1602显示模块能够完全知足数字电压表的数显需求。第节 系统整体设计 STC89C52显示电路/转换电路交直流输入电路稳压电源电路图 系统整体设计框图系统整体设计框图如下图，整个系统的工作原理：输入的电压经交直流输入电路，将采样电压发送到TLC1549,然后由TLC1549将模拟电压转换成数字量输出送至单片机处置。单片机通过软件操纵对数据进行处置，进行信号的挑选及运算，完成选档进程，数据从P2口输出，送入显示电路显示。其中，被测电压由交

24、直流输入电压转换成稳固模电信号，稳压电源电路为单片机，AD转换器，LCD等元器件提供+5V工作电源电压。第节 小结在电压表系统中,硬件电路设计和软件程序的设计中都采纳了分模块设计，这种设计方式能清楚的显示出电路的功能与结构，为设计的进程和以后的调试维修提供了专门大的方便。专门是在软件的设计中，这种方式提高了程序的可移植性，为以后的功能扩展提供了空间。而软件的设计相关将在第三章介绍。第2章 系统的硬件结构第节 硬件系统的设计原那么一个以单片机为处置器的系统中硬件电路的设计包括有两部份：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I /O口、按时/计数器、中断系统等容量不能知足应用系统

25、的要求时，必需在片外进行系统扩展，选择适合的芯片并设计相应的电路。二是系统配置，即依照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计相应的接口电路。在本系统中，STC89C52单片机内部的功能单元已经能够知足系统设计需要，不需要系统扩展。按系统功能需求，需要配置工作电源、LCD显示等。系统的扩展和配置设计遵循以下原那么：1尽量选择典型电路，采纳符合单片机的常规用法。为整个系统硬件设计的标准化、模块化打下良好的基础。2单片机的系统扩展与外围设备配置的水平应充分知足应用系统的功能要求来设计，并留有适当的余地，以便二次开发。在本系统当选用有32个I/O口线的STC8

26、9C52，当前设计中别离选用了其中的24个I/O口线，留有8个I/O口为以后系统扩展留有空间。3硬件结构应结合软件设计方案结合考虑。硬件结构与软件方案会彼此阻碍，为了使整个系统整合统一，需要考虑到：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必需注意，由软件实现的硬件功能，其相应时刻要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时刻。因此，选用软件方案时要考虑这些因素。4系统中的相关的原器件要尽可能做到性能的彼此匹配。如在本系统中，选择CMOS芯片单片机组成低功耗系统时，系统中所有芯片都应该选择低功耗的产品。选用芯片必需是同一个系列，假设是CMOS系列那么尽可能不选用TTL系列的芯片。5靠得

27、住性及抗干扰设计是硬件系统设计中尤其注意的地址，它包括芯片、器件选择、印刷电路板布线等。6该系统设计的有元器件必需知足5伏的工作电压，而且通过硬件的设计知足所有元器件的电源电压的需求。第节 单片机及外围电路设计单片机系统单片机是整个数字电压表系统的核心。在考虑经济性和知足需求前提下，本系统选用STC公司生产的8位89C52单片机作为整个系统的操纵中心。STC89C52的命令与MCS-51系列产品完全兼容且具有以下的一些特点：18K的FLASH存储器。1000次擦写周期。2三级加密程序存储器。3看门狗按时器。4全静态操作：0Hz-33MHz。532个可编程I/O口线。63个16位按时器/计数器。

28、78个中断源。8低功耗空闲和掉电两种节电模式。9. 全双工UART串行通道。10.掉电后中断可唤醒。11.双数据指针。12.掉电标识符。STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微操纵器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。利用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash许诺程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式操纵应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口

29、线，看门狗按时器，2个数据指针，三个16位按时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。低功耗空闲模式下，CPU停止工作，许诺RAM、按时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电爱惜方式下，RAM内容被保留，振荡器冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为至。图 STC89C52引脚图STC89C52引脚图如图，引脚说明如下：P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0

30、口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，现在能够作为输入口利用。作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，将输出电流（IIL）。 另外，和别离作按时器/计数器2的外部计数输入（T2）和按时器/计数器2 的触发输入（T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： T2（按时器

31、/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 T2EX（按时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向操纵） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，现在能够作为输入口利用。作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口利用很强的内部上拉发送1。在利用 8位地址（

32、如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些操纵信号。 P3口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，现在能够作为输入口利用。作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）利用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些操纵信号。 端口引脚 第二功能： RXD(串行输入口) TXD(串行输出口) INTO(外中断0) INT1(外中断1) TO(按