智能数字电压表毕业论文

本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页目次1引言（或绪论）………………………………………………………………………11.1数字电压表的发展背景…………………………………………………………11.2数字电压表的发展现状…………………………………………………………11.3数字电压表的发展意义…………………………………………………………21.4论文内容与设计思路……………………………………………………………22设计方案……………………………………………………………………………42.1设计要求………………………………………………………………………42.2设计方案……………………………………………………………………………43硬件设计……………………………………………………………………………63.1单片机AT89C51介绍……………………………………………………………63.2A/D转换电路介绍…………………………………………………………………93.3量程切换电路介绍………………………………………………………………133.4数码管显示电路介绍……………………………………………………………153.5总体电路图………………………………………………………………………174软件设计……………………………………………………………………………194.1程序结构…………………………………………………………………………194.2程序分析与设计…………………………………………………………………195仿真结果分析介绍…………………………………………………………………235.1KeilUvision2开发环境………………………………………………………235.2Proteus介绍……………………………………………………………………255.3KeilUvision2与Proteus的联调………………………………………………305.4调试………………………………………………………………………………30结论……………………………………………………………………………………32致谢……………………………………………………………………………………33参考文献………………………………………………………………………………34本科毕业设计说明书（论文）第1页共34页1引言科学技术现代化的今天，是电子技术和信息技术迅速发展的时代。数字电压表在工程测量、计量检定、科学实验、机械电子、电能电力、邮电通信、国防军工以及工矿企业等诸多领域中，有着非常广泛的应用。尤其是智能化数字仪表的普及和应用，在数字化、自动化、软件化测量技术中更发挥着重要的作用。1．1数字电压表的发展背景数字仪表是把连续的被测模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子技术、计算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切地结合在—起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。数字仪表的种类很多，应用场合各不相同，其内部结构也相差很大。根据仪表的用途(即被测量的性质)分为：数字电压表、数字电阻表、数字电流表、数字功率表、数字Q(品质因数)表、数字电桥及电子计数器等经过适当变换，还可制成测量多种非电量的仪表，如数字温度表、数字转速表、数字位移表、数字钟、数字秤、数字测厚仪及数字高斯计等，还有许多其他数字式测量仪器和测量装置[1]。自1952年，美国NLS公司首创四位数字电压表，到现在的三十多年中经过了不断的改进和提高。DVM的体积和功耗越来越小，重量不断减轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐渐扩大。回顾以下DVM的发展过程，大致可分为三个阶段:数字化阶段、高准确度阶段、智能化阶段。1972年，美国Intel公司首创微处理器，不久即研制出微处理器式数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序[2]。当前，智能仪器发展十分迅速，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大。我国的数字电压表是从60年代初期发展起来的，现在我国已经有50多个单位研制生产数字仪表，并出现了许多六位表和七位表，准确度达百万分之几，灵敏度已达到0.01uV。目前，数字电压表已广泛应用在国防、科研、学校、工矿企业、计量部门和各种物理量的非电量测量系统中。1．2数字电压表的发展现状传统的电压表功能单一、精度比较低，不能满足时代的需求，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，还可以去PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D转化器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业本科毕业设计说明书（论文）第2页共34页自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。数字电压表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压表。较之于一般的模拟数字电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点[3]。最近十几年来，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DVM和A/D变换器的日新月异，并不断出现新的类型。今后，总的趋势随简单电路代替复杂电路；高准确度代替低准确度；低成本代替高成本；同时也向着自动化、程控化和智能化相结合的方向发展。数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理，传统数字电压表是无法完成的[4]。然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成数据的传递，又可以借助PC对测量数据的处理。所以数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。1．3数字电压表的发展意义DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一，而高准度的DC-DVC的出现，又使DVM进入了精密标准测量领域。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，测量是一种认识过程，就是用实验的方法将被测量和被选用的相同参量进行比较，从而确定它的大小。DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。所示我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要[5]。数字电压表对繁多的电量测试具有精度高,测量速度快,自动化程度高等优点,在科研生产的电量测试中得到了广泛的应用。各种数字仪表中,数字电压表的用途居于较为突出的地位,它不但用来测量各种电量,而且还广泛用来进行各种非电量的电测量,同时在实现工业自动化,生产过程的自动控制以及测量本身的自动化等方面,都起着很重要的作用。1．4论文内容与设计思路本科毕业设计说明书（论文）第3页共34页在广泛的自动控制领域中，需要有类似微型计算机功能的支持，但常常又不可能把微型计算机安装在设备里面。因此，微型控制器的一个重要分支（单片机）应运而生。随着单片机技术的发展，有许多新一代的单片机已经在片内集成了多路A/D转换通道，大大简化了连接电路和编程工作。单片机以其稳定可靠、体积小、功耗低、价格低廉的特点广泛应用于多重需要计算机控制功能的现场控制领域和实时控单片机控制系统。目前企业较多的采用了微机控制技术，广泛应用于各种工业自动控制、检测技术、测量技术等领域。本设计以单片机作为电路的核心部件，采用软件编程和硬件相结合的方式设计了一种量程可以自动切换且具有高清晰度显示的数字式直流电压表。其硬件电路简单，主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程自动切换功能，在硬件电路上通过发光二极管来显示被测电压所选择的档位。输入的模拟电压通过A/D转换模块将其转换成数字电压，再通过软件编程的方式使其在LED数码显示器上显示出来，实现了数字电压表的数字显示功能。在本论文中，主要阐述了我进行智能数字电压表设计的一些方法。在该设计中，我选用单片机AT89C51，A/D转换器选用了ADC0808，并选用数据选择器CC4051完成了量程切换电路。在第二章节中，简单介绍了设计方案；第三章节中，对设计中所用到的硬件进行了系统的介绍；在第四章节中，对设计的软件程序设计进行了分析；最后，在第五章节进行了仿真结果介绍。本科毕业设计说明书（论文）第4页共34页2设计方案2．1设计要求在智能数字电压表的设计中，有以下要求。a)直流电压量程为0.2V、2V、20V三档；b)量程可自动切换；c)采用4位LED七段数码显示器显示测量结果；d)以AT89C51单片机为核心设计数字电压表硬件电路。2．2设计方案本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路除了单片机系统电路之外，还包括了量程自动切换电路、A/D转换接口及按键/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C语言编程，利用Proteus软件对其编译和仿真，详细的程序会在程序设计部分详细介绍。应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一整套的按位操作系统，称作为处理器，它的处理对象不是字或字节而是位。虽然其他种类的单片机也具有处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。Intel公司应用最广泛的单片机包括AT89C51、AT89C52等，其中AT89C51是最典型的产品，可以做乘法和除法指令，给编程带来了便利，并且有一条二进制——十进制调整指令DA，这对于十进制的计量十分方便。鉴于以上有利因素，在本设计中，我选用了AT89C51单片机芯片[6]。随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有3种类型，即双积分式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和逐次逼近式。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示。由于ADC0808比较常用，容易理解，并且功能完全可以满足本设计的需要，所以我选用了ADC0808模数转换器芯片[7]。本科毕业设计说明书（论文）第5页共34页由于本设计的任务，是完成一个智能数字电压表的设计，不仅为了达到量程切换的结果，我选用数据选择器CC4051和放大器LM324构成一个多路选择电路。基本框架图如图2.1所示。图2.1系统框图如系统框图所示，该设计主要由量程切换电路、A/D转换电路、单片机控制电路和LED显示电路。在量程切换电路部分，可以根据所采集到的电压选择合适的量程，以使测量精度比较高。单片机给ADC提供一个启动转换信号之后，ADC转换开始；当A/D转换结束时，ADC输出一个转换结束标志信号，通知单片机读取转换结果。对于LED显示电路，AT89C51单片机为控制器。本科毕业设计说明书（论文）第6页共34页3硬件设计3．1单片机AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT8