1、长沙理工毕业论文11级毕业论文题目名称直流数字电压表的设计年级_指导教师_学生姓名_学生专业工业自动化_长沙理工毕业论文题目名称直流数字电压表的设计考籍号指导教师学生姓名_专业名称工业自动化长沙理工毕业论文目录摘要1绪论2一、总体设计思路311总体电路构成312单元电路设计42系统硬件电路421硬件电路422A/D转换器723电压表显示电路924选择器件1025总体电路103系统软件设计1132系统程序144调试与性能分析1641加入仿真辅助信号1642加载程序16结束语21致谢22参考文献23长沙理工毕业论文1摘要数字电压表（DIGITALVOLTMETER）简称DVM，它是采用数字化测量技
2、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，不能满足现代测量的需求，采用单片机的数字电压表，它的精度高、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，有各种单片A/D转换器构成的数字电压表，以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测量领域，与此同时，也能把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。该系列产品是一种高精度的安装式仪表本设计为简易直流数字电压表,A/D转换器部分采用普通元器件构成模拟部分，利用MCS51单片机借助软件实现数字显示功能，自动校零、LED显示等功能时采用AT89C5
3、1单片机编程实现直流电压表量程的自动转换。关键词AT89C51,A/D转换，电压测量长沙理工毕业论文2绪论尽管单片机不断向纵深发展，但目前乃至今后若干年，8位机仍旧是实际应用中的主导产品。MCS51系列是目前8位单片机的主流机型，在实时控制、智能化仪表等方面应用最广。因此，本设计将主要介绍MCS51系列单片机。MCS51系列单片机以片内有无程序存储器及存储的形式，分为3种基本产品8051，8751和8031。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在军事、娱乐、海洋开发、工农业生产、社会服务等各个领域。在家庭方面，相关于
4、电器方面都离不开电压表的使用。在电子显示方面也采用电压表的测量。数字电压表灵活多变的测量方式，使用方便特别是大型的电机,在使用安装、检测时必然所需要的。是电压表的应用才使得电子、电气行业成为有方圆的规矩。在国内外，微控制系统主要采用单片机作为控制核心。因此，单片机的发展将有助于简单实用电子产品的开发。在本设计中，采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功能很强大。与此同时单片机技术在社会各领域中得到了广泛的应用。在直流数字电压表系统中，单片机更是取代了由齿轮调节延迟时间的表盘旧式市发展速度，成为日后此系统中的核心部分。由于单片机具有一些突出的优点体积小、重量轻、电源单一、功能强、价格
5、低；数据大都在单片机内部传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以单片机被广泛的应用于测控系统、数据采集、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接口、计算机通信以及单片机的多级系统等领域。本文主要讲的是单片机，课题名称为简易直流数字电压表的设计，它使我们学会了如何使用单片机控制我们日常生活中的多设备设施的应用。通过本课题的设计以后，使我了解到了单片机的许多方面的应用。长沙理工毕业论文31总体设计思路11总体电路构成1要求简易直流数字电压表可以测量05V的2路输入电压值。2轮流显示或单路选择显示。3测量最小误差约为005V。4另加测量温度值。5数字电压表数字面板表的具体应用电路是何止千万的，只要
6、掌握了一些最基本的应用，就可以举一反三地越来越熟练，熟就能生巧，就能按照您的构思去得心应手地用好它。6尽管数字电压表的输入阻抗可以达到1000兆欧姆，但是，这个阻抗仅仅是对输入信号而言的，与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别因此，千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中以免造成损失或者危险。7数字电压表数字面板表属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果，因此，上面所有例子中，其使用的电阻要求精度均不能低于1，在分流、分压和标准电阻链中，最好能够使用05或者01精度的电阻。电路中使用的电容器也要求使用一种俗称为CBB的电容，除各别地方之外，一般是不能使用瓷介电容的。8不要
7、在电路本身没有送上工作电源的时候就加上信号，这很容易损坏芯片。断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。输入放大与量程转换电路A/D转换电路单片机控制电路LED数字显示器电源长沙理工毕业论文4图11总体结构框图本系统由输入放大与量程转换电路、A/D转换电路、单片机计数控制电路、LED数字显示器构成。电路内部总体结构框图如图11所示。12单元电路设计1输入放大与量程自动转换电路的设计输入放大与量程自动转移电路的主要自用是提高输入阻抗和完成量程转换，本设计采用MCS51集成运算放大器构成同相比例放大电路，以提高电路的输入阻抗，以达到题目要求，模拟开关以滑动变阻器为主，在单片机的控制下形成不同的通断组合，实
8、现量程的自动转换和自动校零功能。2A/D转换器的设计A/D转换器具有抗干扰能力强的特点，在采用零点校准的前提下，其转换精度也可以做得很高，但显著的不足是转换速度较慢，并且分辨率越高，其转换速度也就越慢，因此本设计采用了A/D转换器，可以较好的改善转换速度慢的缺点，它的转换速率分辨率的乘积比传统的双积分式A/D转换器提高至少两个数量级。3单片机计数、控制电路设计通过对A/D转换器的方案分析，本设计采用的单片机编程实现A/D转换，脉冲的计数功能由单片机实现，所以对单片机的速度提出了较高的要求，基本要求分辨率为11位，转换速度不低于2次/S，发挥部分要求分辨率15位，采用MCS51单片机实现控制和脉
9、冲计数，采用16MHZ晶振，完全能满足分辨率15位和转换速度2次/S的要求。4显示电路显示是电路采用数码管显示器，可显示各种字体的数字、字母，还可以自定义内容，增加了显示的美观性与直观性，是重要的是提供了友好的人机界面。同时LED8段数码管有静态显示和动态显示两种方式。静态显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地或接正电源。每一个字段都要独占一条I/O口只要有断码输出，显示器就可以显示出所要显示的字符，如果CPU不改写，则一直保持下去。动态显示方式下各位数码管的段选线相应并连在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的为选线有另外的I/O口控制。2系统硬件电路21硬件电路本次设计是以单片机AT
10、89C51芯片、A/D转换器为核心设计了一个简易的电压测电压电路，在硬件方面，通过一个可变电阻调节输入电压的变化来反映所检测到的电压变化。此变化的电压通过ADC0809的一个通道（INO）送入并进行A/D转长沙理工毕业论文5换后的数字靓仔单片机AT89C51中进行处理，在转换成相应的实际电压值，最后通过四位LED数码管显示，精确到十分位，LED采用的是动态扫描显示，使用74HC02P芯片进行驱动，软件方面采用汇编编程。使得整个系统完成一个简易的数字电压表的功能。MCS51单片机的结构与工作原理（1）MCS51单片机（此处以8051为例）芯片的基本组成如图21所示。图218051芯片的内部组成框
11、图现简要介绍图中各组成部分。1）中央处理器（CPU）。它是单片机的核心，包括运算器和控制器两个主要组成部分，用于实现运算和控制功能。运算器主要包括算术逻辑运算部件（ALU）、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。其主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作及长沙理工毕业论文6数据传送等。控制器主要由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。其主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲和提供控制信号等。2）数据存储器。MCS51系列单片机芯片数据存储器共有128个存储单元，用于存放可读写的数据。为了与外部扩展的数据存储器相区别，通常
12、称芯片内部的数据存储器为内部数据存储器，简称内部RAM。3）程序存储器。8051芯片内部有4KB掩膜ROM，8751芯片内部有4KBEPROM，用来存放程序和原始数据。通常称之为内部程序存储器或内部ROM。4）定时器/计数器。MCS51共有两个16位的定时器/计数器，以实现定时和计数功能。5）并行I/O口。MCS51共有四个8位的I/O口（即P0、P1、P2和P3），用以完成数据的并行输入/输出。6）串行I/O口。MCS51有一个全双工串行口，以实现单片机和其他计算机或设备之间的串行数据传送。7）中断控制系统。MCS51共有5个中断源，分高和低两个优先级别。（2）MCS51的信号引脚MCS51
13、是标准的40引脚双列直插式集成电路，其引脚排列如图22所示。图22MCS51引脚图长沙理工毕业论文71）主电源引脚VSS（20脚）地线VCC（40脚）5V电源2）外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1（19脚）当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，此脚应接地。XTAL1（18脚）当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，外部信号由此脚输入。3）控制、选通或电源复用引脚RST/VP0（9脚）复位信号输入；VCC掉电后，此脚可接上备用电源，在低功耗条件下保持内部RAM中的数据。ALE/PROG（30脚）ALE即允许地址锁存信号输出，当单片机访
14、问外部存储器时该脚的输出信号用于锁存P0的低8位地址，其输出的频率为时钟振荡频率的1/6。PROG为编程脉冲输入端，当选用8751单片机时，由此脚输入编程脉冲。PSEN（29脚）访问外部程序存储器选通信号，低电平有效，用于实现外部程序存储器的读操作。/VPP（31脚）EA为访问内部或外部程序存储器选择信号，EA0，单片机只访问外部程序存储器，故对8031此脚只能接地；EA1，单片机访问内部程序存储器，固对8051和8751此脚应接高电平，但若程序指针PC值超过4KB（OFFFH）范围，单片机将自动访问外部程序存储器。4）多功能I/O引脚P0口（3239脚）P0数据/地址复用总线端口。P1口（1
15、8脚）P1静态通用端口。P2口（2128脚）P2动态端口。P3口（1017脚）P3双功能静态端口。除作I/O端口外，它还提供特殊的第二功能，其具体含义为P30（10脚）RXD串行数据接收端。P31（11脚）TXD串行数据发送端。P32（12脚）INT0外部中断0请求端，低电平有效。P33（13脚）INT1外部中断1请求端，低电平有效。P34（14脚）T0定时器/计数器0计数输入端。P35（15脚）T1定时器/计数器1计数输入端。P36（16脚）WR外部数据存储器写选通，低电平有效。P37（17脚）RD外部数据存储器读选通，低电平有效。22A/D转换器（1）模数转换器即A/D转换器如图23所示，
16、或简称ADC，通常是指一个将模长沙理工毕业论文8拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进
17、行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。图23A/D转换器（2）模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2N个量级（N为位数）,可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。直接法是直接将电
18、压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。控制逻长沙理工毕业论文9辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位DN11，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压VIN相比较，若VINVS,则保留这一位；若VINVS还是VIN1给ALE和START上升沿；锁存输入通道地址、内部寄存器清零NOP；空操作NOPSETBP26；10；置下降沿0809开始A/D转换NOPNOPNOPCLRP26；恢复低电平，为直地次动作作准备JNBP20,；检测转换结束（EOC）信号，为“0”时，等待SET
19、BP27；置0809输出允许NOPNOPMOVA,P0；从P0口读A/D转换后的数据（二进制）LCALLSMXS；送显示LCALLDELAY；延时SJMPLOOP；循环执行2四位显示子程序程序名称AMXS长沙理工毕业论文15程序功能P1、P3口各接一个8段LED数码管（共阴）入口参数A显示数据（2位十六进制）出口参数无占用资源累加器A、DPTR、P1、P3、堆栈3字节。使用字符SMXS、TABSMXSPUSHACC；压栈，保存要显示的数据ANLA,0F0H；取高4位SWAPAMOVDPTR,TABMOVCA,ADPTR；取显示段码MOVP1,A；送P1口显示POPACC；取出保存的数据ANLA
20、,0FH；屏蔽高4位MOVCA,ADPTR；限显示段码MOVP3,A；送P3口显示RET3延时子程序程序名称DELAY。程序功能利用执行指令的时间产生延时，软件延时。入口参数无。出口参数无。占用资源R7、R6使用字符DELAY、DEL0、DEL1延时时间1（25642）2562262915S260MSDELAYMOVR7,00H；执行时间1SDEL1MOVR6,00H；执行时间1SDEL0NOP；执行时间1SNOP；执行时间1SDJNZR6,DEL0；执行时间2S，256次循环DJNZR7,DEL1；执行时间2S，256次循环RET；执行时间2STABDB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H
21、；0，1，2，3显示段码DB99H,92H,82H,0F8H；8，9，A，B显示段码长沙理工毕业论文16DB0C6H,0A1H,86H,8EH；4，5，6，7显示段码DB80H,90H,88H,83H；C,D,E,F显示段码END4调试与性能分析41加入仿真辅助信号05V电压测试仪的仿真实现操作步骤如下。进入PROTEUSISIS集成环境。加入仿真辅助信号，单击左键，单击工具栏的某图标，选择DCLOCK,在绘图区单击，然后输入名称“CLOCK”，设定时钟频率500KHZ,通常ADC0808的工作频率为599KHZ。设置完成单击“OK”将设定的时钟信号接在ADC0808的时钟输入端CLOCK上，
22、为ASC0808仿真时提供工作时钟。为了能够更好地观察模拟的电压量与数字量之间的关系，选择数字直流电压表放在电阻的两端，观察7号通道的输入量的值。选择工具栏中的某图标，选择“DCVOLTMETER”数字电压表，加入到绘图区。连线并加上需要的说明，完成A/D转换仿真电路。仔细观察会发现，仿真所画的电路原理图与前面描述的05V电压测试仪的项目电路有区别，这是由于仿真的ADC0808器件要求所致。原项目中描述的电路原理图采用I/O端口控制的方式，其相应程序在实际应用中调试通过。ADC0808的仿真器件要求严格的控制信号，即ALE的上升沿，读入要转换的通道号，在STSRT的上升沿ADC0808内部清零
23、，在STSRT的下降沿启动A/D转换，OE为高电平时输出转换好数字信号。这时采用总线方式控制，利用MOVX指令产生/RD,/WR信号产生信号的上升沿和下降沿。据此源程序也有所修改。42加载程序加载程序。加载到单片机中的程序，由于硬件电路的不同，程序有所修改，修改后的源程序如下ORG0000HLOOPMOVDPTR,7FFFHMOVXDPTR,AMOVR7,100DJNZR7,MOVXA,DPTR长沙理工毕业论文17LCALLSMXSSJMPLOOPSMXSMOVB,APUSHACCANLA,0F0HSWAPAMOVDPTR,TABMOVCA,ADPTRMOVP1,APOPACCANLA,0FH
24、MOVCA,ADPTRMOVP2,AMOVA,BRETTABDB0C0H,0F9H,0A4H,0B0HDB99H,92H,82H,0F8HDB80H,90H,88H,83HDB0C6H,0A1H,86H,8EHEND首先要校对零点，将A/D转换器的模拟输入端口接地，让电压为0V，此时可以调整RV1的值，直至，直至显示电压为0V时为止，校准零点之后，就可以进行调试了1单击仿真键，观察仿真结果，调节可调用电阻RV1，观察电压表及显示值。（1）设ADC0808的CLOCK频率不给会产生怎样显示。（2）设不用ALE信号又会产生什么效果。（3）如果不给START信号会怎样呢。（4）现在转换好的数字量采用
25、的是定时传送方式，若改为查询方式如何实现。（5）现在转换好的数字量采用的是定时传送方式，若改为中断方式如何又实现。当DCVOLTMETER所测量到的电压值为025时，LED数码管显示出01，其转换运行后的结果为以下电路所图41所示。长沙理工毕业论文18图41LED数码管显示电路当DCVOLTMETER所测量到的输入电压值为076V,数码管显示该电压为05V，其值如下图42所示。图42LED数码管显示电路长沙理工毕业论文19当DCVOLTMETER所测量到的输入电压值为175V,数码管显示该电压为15V，其值如下图43所示。图43LED数码管显示电路表41测试电压值05V档的电压值输入电压（V）
26、001V025V043V056V076V显示数据（字）0001030105显示电压值（V）00V01V03V04V05V测量误差000002004003003输入电压（V）100V131V175V250V499V显示数据1012152350显示电压值10V12V15V23V50V测量误差002004004002003我们从信号源输入05V连续调节的直流电压信号作为该系统的被测信号源，对A/D转换电路的分辨率和测量误差进行了测试。选取被测信号源的1V、5V、5V、15V、20V、011V、043V、1V、431V、499V点作为测试电压，分别进行了测试，结果见表41所示。从上述测试结果分析，本设
27、计直流数字电压表的测量分辨率和测量误差均能达到题目基本和发挥部分的要求。显示电压与实际电压的误差在误差范围之内，则表示系统运行正常，若显示电压与实际电压的误差很大，则有可能是校准零电阻没有调整，可以进一步的校长沙理工毕业论文20准，需要注意。所以跟显示电压存在误差是必然的，如果差别不大，是正常的，但是相差很大的话，说明程序存在一定问题，可以分别排除。一个单片机应用系统的显示电压电路设计包含所有系统扩展，即电压的功能单元，如硬件、程序、系统等功能的设计以上都一一列出。长沙理工毕业论文21结束语此次毕业设计是三年来学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的直流数字电压表系统设
28、计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，撑受能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐。但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计
29、有了新的认识也对自己提出了新的要求，举个简单的例子A/D转换器的转换精度是一个实际地A/D转换器的转换LED的电压值显示，通过以实现想要的相对精度则是绝对精度与满量程的比值。在设计过程中一些电路的链接设计让我很头痛，原因是由于本身设计受到电路图本身的框定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到要向更完美的进行一次设计，与其他同学们的交流沟通是很有必要的，这其中也包括更好的理解数字电压表的各种要求。顺利如期的完成本次毕业设应变能力，计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论是直流数字电压表设
30、计，还是类似电压的电路。我都采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，这新的不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如我的设计局部电压值显示上就有很大的不足在这整个设计中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为电子行业而努力长沙理工毕业论文22致谢本人的毕业设计论文一直是在导师的悉心指导下进行的。老师治学态度严谨，学识渊博，为人和蔼可亲。并且在整个毕业设计过程中，老师不
31、断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。在此表示诚挚的感谢和由衷的敬意。同时,也要感谢学校给予我这个深造的平台，浓厚的学术氛围，舒适的学习环境我将终生难忘在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年生活的电工303各位同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至论文的顺利完成。特别感谢教我们的老师，对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们谢谢长沙理工毕业论文23参考文献1单片机原理电子工业出版社,20102单片机原理及应用张刚毅，刘杰，哈尔宾大学出版社3单片机原理与应用陈堂敏刘焕平主编，北京理工大学出版社,20074汇编语言程序设计沈美明温动蝉编著清华大学出版社,19945单片机原理及应用李英顺，中国水利水电出版社，2010长沙理工毕业论文24
