数字电压（精选九篇）
数字电压 篇1
1 系统总体设计框图
本系统采用STC89S52单片机为核心控制芯片, 模数转换模块采用TLC2543。系统由控制部分和电压信号检测部分两大模块构成。其中电压信号检测部分主要是用于对外部输入信号进行检测。控制部分包括:模数转换模块、超量程报警模块、显示模块、按键模块四个基本模块, 系统总体设计框图见图1。
2 TLC2543的硬件结构及连线
TLC2543是TI公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器, 11个模拟输入通道, 最大转换时间10μs, 采样率为66kbps, 3路内置自测试方式, 线性误差±1LSBmax, 有转换结束输出EOC, 可编程的MSB或LSB前导, 具有单、双极性输出, 可编程输出数据长度。它具有三个控制输入端, 采用简单的3线SPI串行接口可方便地与单片机进行连接, 是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。其硬件结构及连线见图2。
当片选信号为高电平时, AD_CLK和AD_IN被禁止、AD_OUT为高阻状态, 以便为SPI总线上的其它器件让出总线。在片选信号的下降沿, A/D转换结果的第一位数据出现在AD_OUT引脚上, A/D转换结果的其它数据位在时钟信号AD_CLK的下降沿被串行输出到AD_OUT引脚。在片选信号下降沿以后, 时钟信号AD_CLK的前八个上升沿将八位控制字从AD_IN引脚串行输入到TLC2543的控制寄存器。在片选信号下降沿以后, 经历8个 (或12个/或16个) 时钟信号完成对A/D转换器的一次读写。本次写入的控制字在下一次转换中起作用, 本次读出的结果由上次输入的控制字决定。A/D转换可由片选的下降沿触发, 也可由AD_CLK信号触发。
3 系统的软件设计
数字电压表主要包括电压采集程序, 数据处理程序和显示程序, 主程序完成各功能模块的调度。主程序中给出控制字, 送控制字和读转换结果, 处理数据, 调显示子程序, 再从开始循环。
在数据处理方面选择12位工作方式, 由于输入0V时, 输出为12个0, 输入5V时, 输出为12个1, 由于输出数据是线性增加的, 因此, 4095/5=819, 或4095/819=5V, 因此将AD转换结果除以819就可以近似得到对应的电压值。由于需要保留两位小数, 因此电压值存放单元应设为浮点型。主程序流程图见图3。
送控制字和读转换结果子程序:送控制字和读转换结果在子程序中实现, AD_CLK先置低, AD_EOC为高, AD_CS为低, 开始一次工作周期, 然后是12次循环, 每次循环中先读AD_OUT, 再写AD_IN, 然后将AD_CLK先置高, 再置低, 完成一次循环, 12次循环结束后, 数据读入完成, 此时置AD_CS为高, 为下一次启动做准备。读TLC2543程序如下所示:
4 电压表的调试及性能
本设计应用Keil软件进行调试, 并采用Proteus软件进行仿真。首先用Keil软件对所编写的程序进行编译、链接, 生成hex文件, 再根据设计的硬件电路用Proteus软件画出电路模型, 然后, 将hex文件加载到该电路中进行仿真, 将仿真结果与实际测得的端口电压值进行对比。通过对比可以看出, 该数字电压表的误差在0.01V范围内, 能满足大多数应用场合的需要。数字电压表与标准电压表比较图见图4。
5 结语
本系统以STC89S52单片机芯片为核心控制部分, 采用TLC2543为转化芯片, 利用模数转换技术, 电压采集技术, 完成了对连续模拟信号量的测量并转化为数字量在液晶上进行显示, 对超过系统量程的电压能够正确的判断, 并具有报警的功能。本数字电压表的设计具有制作方法简单, 系统控制方便, 测量精度高等特点, 具有一定的实用价值。
参考文献
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[5]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1991.
单片机数字电压表实习报告 篇2
单片机实习报告
课题名称：
数字电压表
专
业： 姓
名： 班级学号：
指导教师：
刘海波
成绩：
二○一一年七月一日
目录
一、题目及设计要求...............................二、实验内容...........................................三、实验原理...........................................1、用电位计提供模拟电压..................2、用串行A/D TLC2543采集电压....3、串行显示595完成LED显示........四、设计程序：.......................................1、汇编语言：......................................2、C语言：........................................五、调试过程及测试结果.....................六、实习心得.........................................七、参考文献.........................................一、题目及设计要求
1、题目：数字电压表
2、掌握单片机设计原理，SPI总线原理，利用A/D转换器设计一数字电压表，量程为0— +5.0000，通过五位数码管显示。
二、实验内容
1、用电位计提供模拟电压
2、用串行A/D TLC2543采集电压
3、利用串行显示595完成LED显示当前电压值
三、实验原理
1、用电位计提供模拟电压
原理：电位计或称电压计，也称为可变电阻器，通常被制造成不管使用多久均能维持原有的特性，若当位置传感器使用，电位计可以是直线或旋转式位置传感器。电位计输出一个电压值，其正比于沿着可变电阻器之滑动器的位置。因为温度变化、磨耗及滑动器与可变电阻器之间的污垢均会造成电阻变化，影响电位计的精度，因此，电位计有太低的准确度。由于材料的发展，特别是在导电性塑料，使得电位计在使用很长时间后仍可以维持原有特性，同时也改进它们的性能。
2、用串行A/D TLC2543采集电压
原理：
引脚图：
控制字格式的设置：控制字为从DATAINPUT端串行输入的8位数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4位(D7～D4)决定通道号，对于0通道至10通道，该4位分别为0000～1010H，当为1011～1101时，用于
对TLC2543的自检，分别测试(VREF＋＋VREF－)/
2、VREF－、VREF＋的值，当为1110时，TLC2543进入休眠状态。低4位决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8位，11表示输出数据长度为16位，其他为12位。D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为1。
转换过程：上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，CS片选为高，I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT 呈高阻状，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10μs，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。
TLC2543与89C52单片机接口原理图：
3、串行显示595完成LED显示
原理：每位LED显示器段选线和74HC595的并行输出端相连，每一位可以独立显示在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，节省系统资源，将所有的N位段选码并联在一起，由一片74HC595控制。由于所有LED的段选码皆由一个74HC595并行输出口控制，因此，在每一瞬间，N位LED会显示相同的字符。想要每位显示不同的字符，就必须采用扫描的方法，即在每一瞬间只使用一位显示字符。在此瞬间，74HC595并行输出口输出相应字符段选码，而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。由于74HC595具有锁
四、设计程序：
1、汇编语言：
ORG 0000H LJMP START ORG 0030H ENA EQU P1.0 ；设置引脚 ENB EQU P1.1 ENC EQU P1.2 CLK EQU P2.3 IN EQU P2.4 OUT EQU P2^5 START:CLR ENA ；选通TCL2543 CLR ENB CLR ENC
CLR CLK NOP NOP MOV A,#34H;设置方式控制字 CLR C MOV R0,#8 LOOP:RLC A ；左大环移，按位输入控制字 MOV IN,C SETB CLK NOP NOP CLR CLK NOP NOP DJNZ R0,LOOP
MOV R0,#8 MOV A,#0 CLR C LOOP1:MOV C,OUT ；按位输出转换后的数字量 SETB CLK NOP NOP CLR CLK NOP
1011
_nop_();_nop_();
for(i=0;i<8;i++)/*将转换的8位数字量按位输出*/ {b[i]=OUT;CLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();_nop_();} for(i=8;i>0;i--)/*数字量换算成十进制数*/ {e=b[i-1];d=c*e+d;c=2*c;} d=d*143.5294117;for(i=0;i<5;i++)/*把十进制数字量按位分离存入数组*/ {f[i]=d/j;g=f[i];d=d-j*g;j=j/10;} } void XS()/*显示转换电压数据*/
{int m[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x20,0x78,0x00,0x10};int n[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};uchar a,i,j,num;ENA=0;/*选通74LS595*/ ENB=1;ENC=1;for(i=4;i>0;i--)/*显示小数部分*/ {a=f[i];/*取出数字量的第i位*/ num=n[a];/*查表转换成对应的LED字型显示代码*/ CLK=0;_nop_();_nop_();_nop_();for(j=0;j<8;j++)/*按位输入代码*/ { if((num&0x80)==0x00)/*判断首位是否为1*/
for(j=0;j<8;j++){IN=1;
CLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();
CLK=0;
_nop_();_nop_();_nop_();} _nop_();_nop_();_nop_();ENA=1;/*关闭74LS595显示标准电压数字量*/ ENB=1;ENC=1;_nop_();_nop_();_nop_();} void main(){ while(1){AD();/*AD转换函数*/ XS();/*数字量显示函数*/ } }
五、调试过程及测试结果
1、首先根据电路原理图在软件上连出电路，然后进行电路的调试，在实际的电路中，芯片一脚接+5V的电源，另一引脚接地。
2、现在将在调试过程中的问题总结：测试数码管显示的数据是否正确，将编好的程序写进单片机后，观察数码管，发现码型显示不正确，通过改正硬件电路，是数码管显示正确的数据。
单片机控制的简易直流数字电压表 篇3
关键词:直流数字电压表;单片机;A/D转换
中图分类号:TM933.22 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0026-01
数字电压表作为一种数字仪器仪表它采用数字化测量技术,把连续的模拟量(待测的直流电压值)转换成离散的数字形式并加以显示。由于有别于传统的指针式电压表由读数带来的种种误差与不便,它具有精度高、误差小、测量速度快、读数准确方便等优点。
数字电压表的核心部件是A/D转换器,本设计中A/D转换器采用ADC0809对输入模拟量即待测电压进行转换。而控制部分则由单片机AT89C51完成对转换之后的数据进行处理,由此产生相应的段码并送入数码管显示。而在软件部分,当A/D转换结束,采用中断方式对数据进行读取、处理,相较于查询方式程序更为合理,实时性也更好。
一、功能设计
由AT89C51与ADC0809构成一个简易的直流数字电压表,采用1路模拟量输入,能够测量0-5V之间的直流电压值。显示部分采用LED数码管动态显示,能够精确到小数点后两位。
二、硬件电路
硬件电路如下图示:
1.由于采用1路模拟量输入,因此ADC0809的三根地址线C、B、A(用于通道选择)直接接地,默认选择0通道。2.单片机采用6MHz的晶振,ALE引脚输出6MHz/6=1MHz的时钟信号,经74LS74触发器2分频,最终得到500KHz的时钟信号送入ADC0809的时钟端。3.ADC0809的启动端START、地址锁存端ALE均为高电平有效,将START与ALE端连在一起,与AT89C51的P2.7相连,当P2.7输出一个高电平时,启动0809开始模数转换。4.A/D转换结束,采用中断方式进行数据的读取处理。当转换结束时,EOC端输出高电平,而单片机的外部中断均为低电平有效,因此0809的EOC端通过反相器74LS04与单片机的P3.2(即外部中断0)相连,当转换结束,外部中断0则申请中断。5.0809的输出允许OE端与单片机P2.6相连,当OE端为高电平,模数转换的结果输出到0809的8位数字量输出端。6.模数转换的8位数字量由P0口输入单片机,经单片机处理后产生用于显示的段码值,再由P1口输出驱动LED显示器动态显示电压值。三个LED数码管的位选分别由单片机的P2.0、P2.1、P2.2三根口线控制。动态显示时,每一位LED的选通时间为5ms,由延时程序实现。
三、软件设计
程序:
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H AJMP JINT0
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;MAIN:NOP
SETB IT0
SETB EX0
SETB EA
MOV P0,#0FFH
SETB P2.0
SETB P2.1
SETB P2.2
SETB P2.3
CLR P2.7
SETB P2.7
CLR P2.7
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
XS: CLR P2.1
MOV DPTR,#TAB
MOV A,31H
MOVC A,@A+DPTR
ORL A,#80H
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.1
CLR P2.2
MOV DPTR,#TAB
MOV A,32H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.2
CLR P2.3
MOV DPTR,#TAB
MOV A,33H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.3
AJMP MAIN
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
JINT0:NOP
CLR EA
SETB P2.6
SA:MOV A,P0
CLR P2.6
MOV B,#51
DIV AB
MOV 31H,A
MOV A,B
MOV B,#5
DIV AB
MOV 32H,A
MOV 33H,B
SETB EA
RETI
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
YS:MOV R6,#5
YS1:MOV R7,#250
L:DJNZ R7,L
DJNZ R6,YS1
RET
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;0,1,2,3,4
DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;5,6,7,8,9
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
END
四、结论
由于ADC0809的分辨率为8位,当输入模拟电压的变化范围为0~5V,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V/255≈0.0196V。这就决定了该电压表的精度只能达到0.0196V。因此测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化,在一般的应用场合可以完全满足要求。
参考文献:
[1]南建辉,熊鸣,王军茹.MCS-51单片机原理及应用实例[M].清华大学出版社,2004
[2]王法能,尹季昆.单片机原理及应用[M].科学出版社,2004
[作者简介]高皑琼(1981-),女,2005年毕业于兰州理工大学通信工程专业,并获得学士学位,于2005年任教于甘肃工业职业技术学院至今,讲师。
新型交流数字电压表设计 篇4
传统的电压表在测量电压时需要手动切换量程, 不仅不方便, 而且要求不能超过该量程。如果在测量时忘记改变量程, 则会出现很大的测量误差, 甚至有将电压表烧坏的可能。
本文中采用运算放大器和集成多路模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术, 通过单片机检测可实现电压表量程的自动转换。它具有体积小, 驱动电流小, 动作快, 结构简单, 操作方便的优点, 可用于实验教学中。
1 技术要求
电压测量范围:0～500 V;测量精度:0.5%;量程自动切换;采用LED显示;可用现场提供的220 V交流电源。
2 基本原理
基本原理如图1所示, 信号经过衰减处理后通过采样保持器采样保持, 由A/D转换成数字信号, 再由单片机控制和计算后将结果送LED显示。量程的自动切换由单片机通过程序控制多路模拟开关来完成。由于要求采用现场的220 V交流电源, 所以本文设计了电源电路, 将220 V交流电转换成电路可用的低压直流电。
3 硬件系统设计
在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干扰信号, 同时采用了跟随器, 跟随器的输入阻抗很大, 可以解决信号传输中的衰减问题。又考虑到单片机的驱动能力很小, 在设计中加入了7407用来驱动LED显示。整个硬件系统主要由以下几部分组成:
(1) 电压信号衰减电路:将输入的0～500 V被测电压信号衰减成0～5 V。
(2) 量程自动切换电路:完成信号量程选择及其小数点位置选择。
(3) 采样保持器:对模拟信号进行采样并保持。
(4) 模数转换及控制电路:完成对采集的数据处理和对系统的控制。
(5) 显示器:由74LS164和数码管组成, 将测量的电压信号显示出来。
(6) 整流电路:将交流电整流成直流电, 作为电源给数字电压表供电。
3.1 电压信号衰减电路
电压信号衰减电路如图2所示[1]。为了在输入大电压时不损坏电压表内部器件先对电压进行衰减, 该设计中用阻抗进行1∶100衰减, 为防止衰减后信号电压过小又通过运算放大电路以及多路开关CD4052进行信号放大, 其中的5.1 V稳压管起过压保护作用。
3.2 量程自动切换电路
量程的自动切换由初设量程开始, 直至选出最佳的量程为止。量程自动切换电路如图3所示[2], 控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程, 为解决这个问题系统中采用软件延时, 然后再进行测量与判断。为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动, 在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。该单元中运算放大器与多路模拟开关CD4052的其中一组开关执行相应量程的选择, 另一组开关接LED的小数点, 选择不同量程时分别点亮相应LED的小数点位。CD4052的A、B以及INH分别接单片机P21, P20, P22。
3.3 采样保持器
在测量交流电压时, A/D转换器的转换误差与信号的频率成正比。为了提高模拟量输入的频率范围, 故选用采样保持器。在此设计中采用LF398作采样保持器, 采样保持器的原理结构图如图4所示, 保持电容CH 取值和采样频率以及精度有关, 常选510～1 000 pF。一般选用聚苯乙烯, 聚四氟乙烯等高质量的电容器。
3.4 A/D转换电路
A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件或装置, 是一种模拟系统和计算机之间的接口, 在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式, 考虑到前者转换时间短, 因此选用逐次逼近式A/D转换器。AD574为12位逐次逼近式A/D转换器, 分辨率为1/212, 转换时间25 μs。在本系统中的量程选用双极性-5～+5 V, 与AT89C51的接口电路如图5所示[3,4]。AD574的12/8引脚接+5 V, 一次输出12位转换结果, 3, 5脚分别接至单片机控制总线的P3.1, P3.2, CE接单片机的P3.0, 状态引脚 (STATUS) 接单片机的P1.7。AD574的12引脚和10引脚接两个0.1 kΩ的电位器, 分别用于零点调整和满刻度调整。 AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接时, 12位分别接单片机的P0.0～P0.7和P1.0～P1.3。
3.5 显示电路
显示电路如图6所示[5], 电路采用了简单的软件译码移位输出的方法, 串行数据经单片机的P3.6输出至74LS164, 四个74LS164将串行数据转换成并行数据送数码管字型口显示, 74LS164的时钟信号由单片机的P3.7提供。数码管选用共阴极型。
3.6 整流电路
数字电压表的设计电路中用到了两个直流电压5 V和12 V, 而设计要求采用现场提供的交流220 V电源, 因此需要经过整流电路把220 V交流电源转化为5 V和12 V直流电源。本系统中采用了单相桥式整流电路, 如图7所示[6], 为了减小纹波以及消除高频谐波电路中加入了电容滤波。
4 系统软件设计
系统的软件由主程序和显示子程序两部分组成。交流电压有效值的计算在主程序中实现, 是根据有效值计算公式通过对一个周期内的采样点计算得到的[7]。离散量电压有效值计算公式如式 (1) 所示。
式中:ΔTm为相邻两次采样的时间间隔;um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值;N为一个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等, 即ΔTm为常数ΔT, 考虑到N= (T/ΔT) +1, 则有:
根据式 (2) 可以由一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号的有效值。为了提高系统的抗干扰能力, 除了在硬件上采取相应的措施外, 软件上采用冗余计算法即重复重要的指令, 以防止程序跳飞而死机。
系统的程序流程图如图8所示。
5 结 语
本文采用程控放大器实现量程的自动转换。用AT89C51进行数据控制、处理, 送到显示器显示, 硬件结构简单, 软件采用C语言实现, 程序简单可读写性强, 效率高。与传统的电路相比, 具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点, 具有一定的使用价值。本设计在超量程时会显示特定的值, 即超量程显示, 如想更直观的显示, 可加入声光报警电路, 在超量程操作时可进行声光报警。
参考文献
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液晶显示数字电压表的设计 篇5
关键词：数字电压表,单片机,量程自动转换,A/D转换器,液晶显示
0 引言
随着电子科学技术的日益发展, 电子测量也变得越来越普遍, 并且对测量的功能要求也越来越高, 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 (Digital Voltmeter) 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。与传统的模拟式电压表相比, 具有显示清晰直观, 读数准确, 测量范围广, 扩展能力强等优点[1,2]。液晶显示数字电压表是将连续的模拟量, 如直流电压, 转换成不连续的离散的数字形式, 并在液晶显示器上显示出来, 这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。
1 数字电压表的整体设计及原理
1.1 数字电压表的设计要求
数字电压表的基本要求是在不降低测量精度的条件下实现量程的自动转换。因此在设计电路时需要考虑以下几个方面的要求[3,4]:
(1) 输入值量程判断器的要求
输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断能力。由于被测范围较大, 因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击, 又要求在超量程时对量程转换电路进行自动关闭。当输入量程低于表内的测量精度时, 也要求将量程选择器关闭。所以, 输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断, 对是否小于最小量程的精度也应有判断能力。
(2) 电路安全要求
在本设计中, 利用传输的延时, 对档位进行从关闭测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换, 这样就使得电路在测量完高待测量值后就能顺利地进行对最低待测量值的测量。
(3) 成本及功耗问题
由于输入值量程判断器所判断出的值不是用来测量, 而是用于转换量程档位, 所转换出的数值不需要十分精确, 故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。
1.2 电压表的整体设计
数字电压表整体结构设计如图1所示, 主要分为微控制器、A/D转换模块、量程自动转换模块、LCD液晶显示模块、串口通信模块、时钟电路和复位电路等部分来设计。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转换功能。
2 系统的硬件设计
2.1 控制中心电路设计
控制中心整合处理各功能模块, 是整个设计的核心。如图2所示。控制中心微控制器采用的是AT89S52单片机, 其对于多量程电路的测量有着不可比拟的性价比, 而且操作简单, 特别是与ADC0809构成的电压采集电路, 反映时间短, 能够有效地将模拟电压数据在LCD上显示出来。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器。
2.2 A/D转换电路设计
A/D转换电路用来将量程转换电路输入的直流电压信号转成数字电压信号, 以供主控制器进行数据处理。采用一片ADC0809, 它是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。由于本设计采用的是3路可自动转换量程设计电路, 所以使用的ADC0809数据采集的三个管脚口IN0、IN1、IN2, 通过程序的设计形成三个开关电路, 通过单片机的控制可对不同的电压信号进行数据采集和测量。A/D转换电路设计如图3所示。
2.3 量程自动转换电路设计
本系统的量程自动转换模块采用反相比例运算电路设计[11], 单片机对数据进行处理。设计电路将输入电压衰减到5 V以下, 3路输入信号对应的ADC0809的3个通路, 电压转换比例分别是1∶4, 1∶2, 1∶1。控制信号由单片机进行控制赋值, 当计算电压小于5 V进入In0电路, 大于5 V小于10 V进入In1电路, 当电压大于10 V进入In2电路。
2.4 液晶显示电路设计
液晶显示电路用来显示数字电压表测量的直流电压值, 采用1602字符型LCD实现。1602液晶模块内部的字符发生存储器 (CGROM) 已经存储了160个不同的点阵字符图形, 每一个字符都有一个固定的代码[5,6]。因为1602识别的是ASCII码, 试验可以用ASCII码直接赋值。
2.5 串口通信电路设计
串口通信电路用来将测量到的电压传送给后台的控制中心, 实现电压的远程检测。本系统采用的是RS-232串行接口, RS-232是由美国电子工业协会 (EIA) 正式公布的串行总线标准, 也是目前最常用的串行接口标准, 用来实现计算机与计算机之间, 计算机与外设之间的数据通信。在RS-232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
2.6 时钟电路和复位电路
时钟电路由片外石英晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选用12 MHz晶体, 微调电容C1、C2采用30pF的瓷片电容, 单片机的复位电路有开关复位和上电复位两种, 本设计采用开关复位电路, 电解电容C3=10 uF, 电阻R8=200 Ω, R9=1 kΩ, 在单片机工作时复位电路中按键按下后单片机内各寄存器的值变为初始状态值。在单片机工作现场, 存在各种各样的干扰。如不及时恢复, 容易造成损失。复位电路就是在程序跑飞或死机时, 对系统进行重新复位或置位, 以使系统恢复正常运行的一种专用电路。
3 系统的软件设计
本系统的软件设计采用单片机常用的C语言, 主要包括三个部分, 即主程序、数据采集子程序和LCD液晶显示子程序。
3.1 主程序
主程序设计的软件流程图如图4所示。利用单片机编程控制数字电压表的量程自动转换和显示功能, 不仅使整个硬件电路的设计使用的元器件数量减少, 而且调节起来也较为方便, 整个系统性能也更加稳定[7]。
3.2 数据采集处理子程序
数据采集处理子程序主要完成直流电压值的采集、A/D转换、量程判断转换和串口发送等功能。在主程序中, LCD显示初始化后, 数字电压表就进入数据采集处理子程序。如图5所示。
3.3 LCD液晶显示初始化子程序
LCD液晶显示初始化子程序的软件流程图如图6所示。在LCD初始化程序当中系统显示“Zhai Beibei A good girl!”通过延时子程序停留1秒进入数据显示程序[8]。
4 实验结果及分析
本设计利用Proteus仿真对其进行仿真, 其仿真结果可以有效直观地进行观察, 并对数据进行更改, 避免硬件仿真电路中可能出现的问题不便更改的缺点。因为Proteus里LCD1602内部可能没有内部电阻, 在此加上拉电阻。
5 结束语
本文提出并设计了一种适合于数字电压表的量程自动转换电路, 并对所设计的电路图用PROTEUS软件进行了仿真。其电路是按直流的电压量来设计的, 对交流量的测量则需要在输入端加设一个绝对值转换器, 把交流电压幅值转换为对应的直流量值。采用反向输入放大器实现量程的自动转换, 用AT89S52进行数据控制、处理和存储, 并送到液晶显示器上显示。该设计的硬件结构简单, 软件采用C语言实现, 程序简单、可读写性强, 效率高。与传统的电压表相比, 具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高等优点, 具有一定的使用价值。但是要达到更高的要求, 实现更完善的性能指标, 还需要做很多工作。
参考文献
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[4]胡卓敏, 王丽娟.基于STC89C51单片机的数字电压表设计[J].电子元器件应用, 2009, 11 (11) :14-16.
[5]黄子强.液晶显示原理[M].北京:国防工业出版社, 2008.
[6]沙占友, 高峻岭.ICL7182高分辨率液晶条图A/D转换器[J].电子技术应用, 1992 (9) :33-36.
[7]Sha Zhanyou.The Design of Automatic Measure System ofEnergy Sources[C].ICEMI’2003, 2003.
单片机数字电压表的设计 篇6
1 设计任务
单片机数字电压表的设计:
基本要求:所设计的数字电压表可以较准确地测量0V~5V之间的直流电压值, 其测量最小分辨率为0.02V。
2 系统总体方案设计
用A/D转换器测量各路电压值, 测得相对应的数字量, 然后按模拟量与数字量成正比的关系, 计算出对应的模拟电压值, 把模拟值通过显示器显示出来就完成测量。设计时设定待测的输入电压为8路, 电压值的测量范围为0V~5V, 测量的最小分辨率5/255, 测量误差-0.02~+0.02。
控制系统采用AT89C52单片机, A/D转换器采用ADC0809。ADC0809是8位的A/D转换器。当输入电压为5V时, 输出的电压为255 (0FFH) , 因此最大分辨率为0.0196V (5/255) 。ADC0809包括8路模拟量输入端口, 由3位地址输入端对8路中的任选其中一路进行转换。每隔一段时间依次改变3位地址输入端的地址, 就能实现8路输入电压的测量。LED数码管采用软件译码动态显示。
3 系统硬件电路设计
3.1 单片机最小系统
单片机最小系统是能正常工作, 所需外围硬件最少的系统, 其组成有:单片机本身, 电源, ROM, 时钟电路, 复位电路。采用的晶振为12MHz, 复位方式为按键复位。
3.2 数模转换电路
ADC0809实现对输入通道的模拟量进行转换。开始转化时, 转换结束信号EOC为低电平, 一段时间转化结束后, EOC引脚输出高电平, 转化结果存放在ADC0809内部的输出数据锁存器中。当转化数据输出允许控制端OE为高电平时, 存放在输出数据锁存器中的数据, 通过ADC0809的数据端D0~D7输出给单片机。
3.4 数码管显示设计
本设计采用四位8段共阳数码管作为电压测试显示, 共阳数码管结构为, 数码管的阳极接在一起, 给一个高电平。阴极接ADC0809的数据输出端, 当ADC0809的输出为低电平的, 此段的数码管点亮。显通过反相器来驱动四位数码管。
3.5 完整的仿真电路图设计
数字电压表应用系统仿真图利用正玄脉冲作为ADC0809CLOCK引脚的驱动信号, 利用模拟电压表和滑动变阻器作为测试输入端, 将三个地址选择端共地, 则输入锁存端为IN0;
LED数码管采用动态扫面方式链接, 通过AT89C52的P1口和P3.0~P3.3控制端。P1口为LED数码管的字段码输出端, P3.0~P3.3口为LED数码管的位选码输出端, 通过三级管驱动并反相。
4 系统软件的设计思路
数字电压表系统软件的程序设计从三方面来切入考虑。它的主程序部分, 它A/D转换子程序以及显示子程序, 一部分一部分的写, 最后融合在一起。
4.1 主程序设计
主程序设计包括三部分:初始化程序部分、调用A/D转换子程序以及调用显示程序。其中, 初始化程序部分又包含存放通道数据的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。
4.2 A/D转换子程序设计
对ADC0809的8路输入模拟电压进行A/D转换, 并将转化的数值存入8个相应的存储单元中要用A/D转换子程序实现。A/D转换子程序一段时间对输入电压采样一次。
4.3显示子程序设计
LED数码管采用软件译码动态扫描方式。每路数据显示需经过转换变成十进制BCD码, 放入数码管的数据缓冲区中。
5 结论
以下是我们的一些切身体会:
1) 硬件的选择不能以元器件是否是高性能作为选择元器件的标准, 往往高性能器件的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件, 能够满足设计需要作为标准选择元器件。
2) 因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计, 所以系统和硬件和软件必须紧密配合, 协调一致。
摘要：目前, 单片机控制的数字电压表广泛应用于需要检测电压的场合。单片机控制的数字电压表是一种智能仪表, 能与计算机相对接, 组成自动检测系统。本设计主要是以AT89C52单片机为核心, 包含数据采集模块、数据处理模块和输入/出模块, 能实现0-5V直流电压测量、数字显示、小数点显示等。可以对电压值较小的线路进行电压的测量。量具有较高的测量精度。
关键词：AT89C52单片机,数字电压,ADC0809A/D转换器
参考文献
[1]谢维成, 杨加国.单片机原理与应用及c51程序设计.2版.北京:清华大学出版社, 2009.
基于单片机的数字电压表设计 篇7
1、系统总体方案设计
本设计选择AT89C51单片机作为核心控制器件。A/D转换采用ADC0809实现。电压显示采用4位一体的LED数码管, LED数码管的段码输入由并行端口P2产生;位码输入由并行端口P3低四位产生[6]。
硬件电路设计由7个部分组成:主控模块AT89C51单片机系统, A/D转换电路, LED显示系统, LED驱动电路, 复位电路, 晶振电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。
2、系统硬件设计
2.1 系统硬件电路设计
该系统硬件电路工作原理是:A/D转换采用A DC0809。ADC0809具有8路模拟输入端口, 地址线可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。第22脚为地址锁存控制, 当输入为高电平时, 对地址信号进行锁存。第6脚为测试控制, 当输入一个2微秒宽高电平脉冲时, 就开始A/D转换。第7脚为A/D转换结束标志, 当A/D转换结束时, 第7脚输出高电平。第9脚为A/D转换数据输出允许控制, 当OE脚为高电平时, A/D转换数据从端口输出。第10脚为ADC0809的时钟输入端, 利用单片机第30脚的6分频晶振频率, 再通过7474二分频得到1MHz时钟。此处ADC0809经过74S373进行A/D转换的控制输入到P0口, 然后再经过单片机的P2、P3.0-P3.3、P3.5口作为4位LED数码管显示控制。P3口作为位选控制, 即通道显示。P0口用作A/D转换数据读[1、2]。
3、软件设计
3.1 A/D转换子程序
A/D转换子程序用来控制对ADC0809输入的8路模拟电压信号的采集测量, 并将对应的数值存入相应的内存单元中。其转换流程图如图2所示。
3.2 LED显示子程序
显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示。在采用动态扫描显示方式时, 要使得LED显示的比较均匀, 又有足够的亮度, 需要设置适当的扫描频率。当扫描频率在70Hz左右时, 能够产生足够的图形和较好的显示效果。[3、5]
4、系统的仿真实现
本系统的调试主要以软件为主, 其中, 系统电路图的绘制和仿真采用的是Proteus软件, 而程序方面采用的是C语言, 用keil软件实现编程。
显示结果分析:当通过分压变阻器向IN2口输入1.5V电压时, 显示结果如图3所示。测量误差为0.01V。
5、结语
本测量系统实用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用中工作性能稳定, 测量电压准确, 精度较高。系统功能、指标达到了课题的预期要求。系统在硬件设计上充分考虑到了可扩展性, 经过一定的添加或改造, 很容易增加功能, 如加入开关控制位选和控制单路/循环等功能。
参考文献
[1]宋凤娟, 孙军, 李国忠.基于89C51单片机的数字电压表的设计[J].制造业自动化, 2007, 29 (2) :89～90, 93.
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[3]韩磊, 张宇, 贾志敏.基于AT89S52的数字电压表的设计[J].工业控制计算机, 2009, 4:70～70, 72.
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[5]骆旭坤.基于AVR单片机实现积分式数字电压表的设计[J].黎明职业大学期刊, 2008, 1:31～34.
数字电压 篇8
在日常生活及工业生产中经常要用到直流电压的检测,由单片机和A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛应用于电子测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域中。传统的A/D转换器主要有ADC0808、ADC0809等,这些A/D转换器转换精度低,并且采用并口与单片机相连,大量占用单片机的I/O口资源。为此,采用TLC2543设计的数字电压表,能够较好地解决以上问题。
TLC2543是TI公司推出的一种12位串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机的I/O口资源,且价格适中。其特点主要有:
(1)12位分辨率A/D转换器;
(2)在工作温度范围内转换时间为10μs;
(3)具有11路模拟输入通道;
(4)3路内置自测试方式;
(5)采样率为66KHz;
(6)线性误差+1LSB(max);
(7)有转换结束(EOC)输出;
(8)具有单、双极性输出;
(9)可编程的MSB或LSB前导;
(10)可编程的输出数据长度。
2、TLC2543的引脚排列与使用方法
TLC2543的引脚排列如图1所示,其中AIN0~AIN10为11路模拟输入端,为片选端,DATA INPUT为串行数据输入端,DATA OUT为A/D转换结果的三态串行输出端,EOC为转换结束端,I/O CLOCK为I/O时钟端,REF+为正基准电压端,REF-为负基准电压端,VCC为电源端,GND为地。
TLC2543的控制字为8位数据,从DATA INPUT端串行输入,它规定了TLC2543要转换的模拟量通道号、转换后的输出数据长度及输出数据格式,其中高4位(D7~D4)决定了通道号,例如高4位数据为1000,则表示转换的通道号为第8通道,由于TLC2543共有11通道,所以高4位数据当为1011~1101时,就不再表示为通道号,而是作用TLC2543的自检、分别测试(VREF++VREF-)/2、VREF+、VREF-的值,当为1110时,TLC2543进入休眠状态。控制字的低4位决定了输出数据长度及格式,其中D3、D2决定了输出数据长度,01表示输出数据长度为8位,11表示输出数据长度为16位,其他值表示为12位,D1决定了输出数据是先输出高位,还是先输出低位,若D1=0表示先输出高位,D0决定了输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码),若D0=0表示为单极性。
TLC2543的串行总线为SPI总线,由于51单片机没有SPI或相同的接口能力,需要采用软件来模拟SPI的时序操作,TLC2543的时序如图2所示。
从图2的时序图可知,当TLC2543开始上电后,片选端必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高电平,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的。开始时,片选端为高电平,I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止,DATA OUT呈高阻状态,EOC为高,然后使/CS变低,I/O CLOCK、DATA INPUT使能,DATA OUT脱离高阻状态,12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入),同时上一周期转换的A/D数据(即输出数据寄存器中的数据)从DATA OUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿来临时,EOC开始变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10μs,转换完成后EOC变高,转换的数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出。此后,TLC2543可以进行新的工作周期。
3、硬件设计
图3给出了本系统的硬件框图,单片机采用AT89S51。AT89系列单片机是美国ATMEL公司继承INTEL公司80C31的核心技术并和自身先进的闪电存储器(FLASH MEMORY)技术相结合而产生的FLASH单片机系列。它是一种低功耗、高性能、内含4K/8K字节闪电存储器、用CHMOS工艺制作的8位单片机。
图4给出了TLC2543与AT89S51单片机的管脚连接,单片机的P1.0口与TLC2543的片选端相连,P1.1与DATA OUT相连,P1.2与DATA INPUT相连,P1.3与I/O CLOCK相连,P1.4与EOC相连。采用TLC2543的AIN0通道进行电压测量,REF+接5V,REF-接地。
数字电压表的显示采用普通的数码管动态扫描显示的方式,采用4位一体的数码管作为显示器件,每位数码管轮流点亮1ms,具有良好的视觉效果。单片机的P0口通过74LS245驱动数码管的8位数据端,单片机的P2口的低4位直接连接数码管的控制端进行点亮控制。
4、软件设计及仿真
TLC2543的采集程序流程图如图5所示,TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转移的结果,当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。第一次读数由于内部调整,读取的转换结果可能不准确,应丢弃。
TLC2543转换子程序如下:
本系统的调试主要以软件为主,系统电路图的绘制和仿真采用的是Proteus软件,图6给出了数字电压表的测量电压值及数码管显示电压值。在仿真时,采用电位器来模拟测量端电压值的变化,如图6所示,此时的测量电压值为2.64993V,而数码管的显示值为2.647V,绝对误差为0.002V,当电位器中间端进行调整时,数码管的显示值也会随之变换,实现直流电压的测量功能。
5、结语
本测量系统实用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用中工作性能稳定,测量电压准确,精度较高。系统功能、指标达到了课题的预期要求。系统在硬件设计上充分考虑到了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能,如加入按键选择通道功能,多路通道轮流测量及显示等功能。
摘要：数字电压表是对电子电路进行现场检测的常用仪表,文中讨论了一种基于TLC2543的数字电压表设计方法。该数字电压表的控制系统采用AT89S51单片机,A/D转换器采用TLC2543为主要硬件,实现简易数字式直流电压表的硬件电路与软件设计,具有一定的实用价值。
关键词：TLC2543,AT89S51,数字电压表
参考文献
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具有记录功能的简易数字电压表设计 篇9
数字万用表作为电气参数测量的必备工具已取代模拟万用表广泛使用, 但普通数字式万用表测量电压时, 反应速度慢, 不能实时记录电压变化, 而具有存储功能的数字示波器价格高体积大, 使用不便。设计出了一种基于单片机的具有记录功能的简易电压表, 经试用, 该数字式电压表可用于电压的动态测量采集, 并取得了较好的效果。该数字表稍加改进可用于电流、电阻等参数的动态测量采集。
1 系统结构
简易数字电压表系统结构如图1所示, 由单片机、放大电路、LCD显示模块、按键和电源模块。配通讯适配器, 可通过RS232C接口与PC通讯, 实现在线测量。
2 硬件设计
LCD显示模块采用LCD1602A。LCD1602A内置字符发生器ROM, 可提供160种工业标准字符, 包括全部大小写字母、阿拉伯数字及日文片假名以及32个特殊字符或符号, 容量为16×2字符, 可据微处理器供电电压选择DC3.3V或DC5V供电方式。DC5V供电时工作电流2m A, 适用于低功耗便携式仪器仪表。LCD1602A引脚功能见表1, 指令见表2。
单片机使用深圳宏晶STC12LE5A60S2, 该型号单片机DC3.3V供电, 内部集成8路10位A/D, 转换速度达25万次/秒, 用于外部电压信号的采集;集成的1280字节RAM用于存储采集数据, 缓冲PC通讯数据;集成2路串行通讯接口, 通过通讯适配器实现与PC机通讯。
电源模块采用锂电池供电, 通过稳压模块LM1117实现DC3.3V输出, 为单片机和LCD液晶模块提供电源。放大电路采用LM358设计的同相比例放大电路。通讯适配器采用MAX3232CPE制作, 该芯片支持DC3V-5V工作电压, 可将TTL电平转换为RS232C逻辑。
3 软件设计
软件由主程序、定时中断服务程序和串口通讯中断服务程序构成。主程序, 流程图如图2所示, 完成定时器、串行通讯口、LCD1602和ADC的初始化后, 循环检测用户按键状态并实事显示测量电压信息。用户通过按键调节采样频率, 确定是否将A/D数据上传上位机。
定时中断服务程序, 流程图如图3所示, 主要完成A/D的采集。考虑到启动A/D转换后需等待转换完成, 则设定A/D的读取在下一次定时时间到时读取, 在上位机显示界面中可以加时间修正。下位机由于采用LCD1602液晶, 显示刷新频率不高, 可以忽略这短暂延时。
串口通讯中断服务程序实现单片机与上位PC机通讯。由于采用RS232C接口, 受通讯速率的影响, 建议实时采样频率设定不高于500次/S。
4 结论
具有记录功能的简易数字电压表设计, 不仅能够记录最近测量的数百次数值还能够将采集到的数据实时发送上位机动态显示和保存。
摘要：目前数字万用表已取代模拟万用表广泛使用。普通数字式万用表测量电压时, 不能实时记录电压变化。设计出了一种基于单片机的具有记录功能的简易电压表, 经试用, 该电压表对于电压的动态测量采集取得了较好的效果。