基于單片機(jī)的自動換擋電壓表實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及資料下載

自動換擋數(shù)字電壓表

    電壓表是用于測量當(dāng)前電路兩點(diǎn)之間電壓值的儀器，而數(shù)字電壓表是用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將測量電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式并以數(shù)字形式表示的儀器，它是電路設(shè)計中最常用的儀器之一。

  本章應(yīng)用實(shí)例涉及的知識如下：

  >數(shù)字電壓表的實(shí)現(xiàn)原理；

  >運(yùn)算放大器LM324的應(yīng)用原理：

  > A/D芯片ADC0809的應(yīng)用原理；

  > 1602數(shù)字字符液晶模塊的應(yīng)用原理。

1  自動換擋數(shù)字電壓表的背景介紹

數(shù)字電壓表通常都有擋程的概念，所謂擋程是指電壓表當(dāng)前的測量范圍，這個范圍決定了測量的精度。例如，當(dāng)被測量電壓范圍為0～2V時選擇0～5V擋就比選擇0～10V擋測量精度要高。

自動換擋數(shù)字電壓表就是一個能自動切換擋程的數(shù)字電壓表，可以測量0～20V的電壓，并且有0～0.2V、0～2V和0～20V三個擋程可供選擇，當(dāng)待測量電壓值發(fā)生變化之后，電壓表可以根據(jù)輸入電壓的情況自動選擇合適的擋程進(jìn)行測量，并且把測量結(jié)果顯示出來。

2  自動換擋數(shù)字電壓表的設(shè)計思路

2.1  自動換擋數(shù)字電壓表的工作流程

自動換擋數(shù)字電壓表的工作流程如圖所示。

2.2  自動換擋數(shù)字電壓表的需求分析

設(shè)計自動換擋數(shù)字電壓表，需要考慮以下幾方面的內(nèi)容：

(1) 51單片機(jī)使用何種方式將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值；

(2) 51單片機(jī)如何控制進(jìn)行相應(yīng)的擋位切換：比較

(3) 51單片機(jī)如何顯示對應(yīng)的采集值：

(4)需要設(shè)計合適的單片機(jī)軟件。

2.3  自動換擋數(shù)字電壓表的換擋原理

自動換擋數(shù)字電壓表對當(dāng)前的輸入電壓信號進(jìn)行調(diào)理，得到三種不同放大倍率的電壓信號，然后分別對這三組信號進(jìn)行檢測，通過相應(yīng)的算法選擇合適的電壓信號進(jìn)行采集。

3  自動換擋數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計

3.1  自動換擋數(shù)字電壓表的硬件模塊

自動換擋數(shù)字電壓表的硬件模塊如圖所示，其各個部分詳細(xì)說明如下。

(1) 51單片機(jī)：自動換擋數(shù)字電壓表的核心控制器。

(2)顯示模塊：顯示當(dāng)前的測量電壓。

(3)擋位切換/電壓調(diào)理模塊：對輸入電壓進(jìn)行調(diào)理，并且選擇合適的測量擋位。

(4) A/D采集模塊：將當(dāng)前的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

3.2  自動換擋數(shù)字電壓表的電路

自動換擋數(shù)字電壓表的電路如圖所示，51單片機(jī)使用P0端口以及P2.0. P2.1驅(qū)動一塊1602液晶模塊用于顯示當(dāng)前的電壓值，使用P1和P3的部分引腳擴(kuò)展一片ADC0808作為模擬擻字信號轉(zhuǎn)換器，輸入的待檢測電壓信號經(jīng)過調(diào)理模塊腳心調(diào)理后變成三路獨(dú)立的信號輸出。

圖中AMP模塊是輸入信號電路調(diào)理模塊，如圖所示。

由上圖可知，輸入信號經(jīng)過三個不同放大倍率的放大電路進(jìn)行放大之后，再通過一個跟隨器處理得到三個不同倍率的電壓信號，以供ADC0808進(jìn)行處理。

自動換擋數(shù)字電壓表中涉及的典型元件說明參考下表。

3.3  硬件模塊基礎(chǔ)-LI\/1324

LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，其引腳封裝結(jié)構(gòu)如圖所示。

LM324的內(nèi)部集成了四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，它們除公用電源外彼此獨(dú)立，其引腳說明如下。

(1)“+”：同相輸入引腳，表示和運(yùn)放輸出引腳Vo的信號相同。

(2)“-”：反相輸入引腳，表示和運(yùn)放輸出引腳Vo的信號相反。

(3)“V+”：正電源輸入引腳。

(4)“V-”：負(fù)電源輸入引腳。

(5)“Vo"：信號輸出端。

運(yùn)算放大器的具體使用方法可以參考如下內(nèi)容。

uA741是最常用的通用高增益運(yùn)算放大器，其基本參數(shù)如下：

(1)雙列直插8引腳或圓筒8引腳封裝。

(2)工作電壓：+、-12V。

(3)差分電壓：+/-30V。

(4)輸入電壓：+/-18V

(5)允許功耗：500mW。

其引腳與OP7運(yùn)算放大器完全一樣，可以互相替代。使用方法如下：

  單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常使用集成運(yùn)算放大器來對信號進(jìn)行放大操作。集成運(yùn)算放大器（運(yùn)放）

是具有很高放大倍數(shù)的電路單元，在實(shí)際應(yīng)用電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直沿用至今。運(yùn)算放大器是一個從功能的角度命名的電路單元，其功能既可以由分立的元器件實(shí)現(xiàn)，也可以在半導(dǎo)體芯片中實(shí)現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)算放大器是以單片的形式存在。運(yùn)算放大器的種類繁多，應(yīng)用廣泛。

  如下圖左所示，運(yùn)算放大器通常包括反相輸入端（-，引腳2）、同相輸入端（+，引腳3）和一個輸出端（引腳1），引腳4和引腳8則分別接供電電源正極和供電電源負(fù)極，最常見的集成運(yùn)算放大器的芯片有uA741等。

  使用運(yùn)算放大器對輸入信號進(jìn)行放大的應(yīng)用電路如上圖右所示，運(yùn)算放大器的輸入和輸出電壓的關(guān)系如下。

從上式可以看到，通過修改R1和R2的電阻值，可以得到不同的放大倍率，下圖是一個正弦波通過同相放大器的輸入、輸出信號波形的對比。

上圖是使用集成放大器實(shí)現(xiàn)同相放大（也就是說輸出電壓和輸出電壓的極性是相同的）的應(yīng)用電路，而在實(shí)際使用中常常使用反相放大電路對電壓進(jìn)行放大，其應(yīng)用電路如下圖所示。

運(yùn)算放大器反相放大電路的輸入、輸出電壓關(guān)系可通過下式獲得，下圖是正弦波通過反相放大器的輸入、輸出信號波形對比。

同理可知，通過修改R1和R3的電阻值，可以獲得不同的放大倍率。

3.4硬件模塊基礎(chǔ)——ADC0809

圖是ADC0809的外部引腳封裝結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)說明如下。

(1) OUT1～OUT8：8位并行數(shù)字量輸出引腳。

(2) INO～I(xiàn)N7:8位模擬量輸入引腳。

(3) VCC:正電源（圖中無標(biāo)示）。

(4) GND:電源地（圖中無標(biāo)示）。

(5)VREF(+)：參考電壓正端引腳。

(6) VREF（-）：參考電壓負(fù)端引腳。

(7) START: A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。

(8) ALE:地址鎖存允許信號輸入端。

(9) EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。

(10) OE:輸出允許控制端，用于打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

(11) CLOCK:時鐘信號輸入引腳。

(12) ADDA、ADDB、ADDC:地址輸入引腳，用于選擇輸入通道。

ADC0808進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的操作步驟如下。

(1)清除START和OE引腳電平，對ADC0809進(jìn)行初始化。

(2)設(shè)置地址通道ADDA～ADDC，選擇待采集的通道數(shù)。

(3)設(shè)置START引腳，發(fā)送啟動采集信號。

(4)等待轉(zhuǎn)換完成，EOC引腳輸出高電平。

(5)設(shè)置OE引腳為高電平，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

4  自動換擋數(shù)字電壓表的軟件設(shè)計

4.1  自動換擋數(shù)字電壓表的軟件模塊劃分和工作流程

自動換擋數(shù)字電壓表的軟件可以劃分為顯示模塊和A/D采集模塊兩個部分，其工作流程如下圖所示。

,4.2  1602液晶驅(qū)動模塊函數(shù)設(shè)計

1602液晶驅(qū)動模塊函數(shù)主要用于對1602液晶進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)操作，包括以下操作函數(shù)，其應(yīng)用代碼如下所示。

(1) void delay(unsignedintz)：ms級延時函數(shù)。

(2) voicl write_com(unsigned char c)：向1602寫命令子函數(shù)。

(3) void write_data(unsigned char d)：向1602寫數(shù)據(jù)子函數(shù)。

(4) voidlnltialize()：LCD初始化子函數(shù)。

應(yīng)用代碼使用P0端口作為數(shù)據(jù)通信端口，然后使用P2.0和P2.1作為相應(yīng)的控制引腳對1602進(jìn)行控制。

void delay(unsignedintz)   //延時子函數(shù) z*1ms

{

unsigned int x,y;

for(x=z;x>0x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

void write_com(unsigned char c)  //寫命令子函數(shù)

{

lcdrs=0;//低電平選擇為“寫指令”

lcden=0;

LEDDATA=c;//把指令寫入P0口

delay(5);//參考時序圖

lcden=1;    //開使能

delay(5);//讀取指令

lcden=0;//關(guān)閉使能

}

void write_data(unsigned char d)  //寫數(shù)據(jù)子函數(shù)

{

lcdrs=1；    //高電平選擇為“寫數(shù)據(jù)”

LEDDATA=d; //把數(shù)據(jù)寫入P0口

delay(5);    //參考時序圖

lcden=1;    //開使能

delay(5);    //讀取數(shù)據(jù)

lcden=0;    //關(guān)閉使能

}

void initialize()   //LCD初始化函數(shù)

{

unsigned char num;

lcden=0;

write_com(0x38);    //設(shè)辮16x2顯示，5x7點(diǎn)陣顯示．8位數(shù)據(jù)接口

writc_com(0x0c);    //00001DCB,D（開關(guān)顯示）．C（是否顯示光標(biāo)），B（光標(biāo)閃爍，

    //光標(biāo)不顯示）

write_com(0x06);    //000001N0,N（地址指針+-1）

write_com(0x01);    //清屏指令  每次顯示下一屏內(nèi)容時，必須清屏

write_com(0x80+0xl0);    //第一行，頂格顯示

tor(num=0;num<17;num++)

write_data(mytable0[num]);

delay(10);

write_com(0x80+0x50);    //第二行，從第一格開始顯示

for(num=0;num<15; num++)

{

   write_data(mytable1[num]);

   delay(10);

}

for(num=0;num<16;num++)

{

write_com(0x1c);    //0001(S/C)(R/L）**；S/C：高電平移動字符，低電平移動光標(biāo)；

    //R/L：高電平左移，低電平右移

delay(300);

}

delay(1000);

write_com(0x01);∥清屏指令，每次顯示下一屏內(nèi)容時，必須清屏

write_com(0x80);

for(num=0;num<14;num++)

{

write_data(line0[num]);

delay(10);

}

write_com(0x80+0x40);

for(num=0;num<15;num++)

{

  write_data(line1[num]);

delay(10);

}

}

void value(unsigned char add,unsigned char dat)

{

write_com(0x80+0x47+add);

  if(l= =3&&add==2||l!=3&&add==1)

  {

write_data(0x2e);

  }

else

   {

   write_data(0x30+dat);

}

}

4.3  自動換擋數(shù)字電壓表的軟件綜合

自動換擋數(shù)字電壓表的軟件綜合如下所示，其中涉及的1602液晶的驅(qū)動模塊函數(shù)代碼可以參考前一節(jié)。

應(yīng)用代碼分別定義了v20_on，v2_on和v02_on三個宏定義，用于擋位的切換。

5  自動換擋數(shù)字電壓表應(yīng)用系統(tǒng)仿真與總結(jié)

在Proteus中繪制如圖16.3所示的電路，其中涉及的Proteus電路器件參見表。

單擊運(yùn)行，調(diào)節(jié)RV1的電阻值，可以看到對應(yīng)的測量輸出，如圖所示。

總結(jié)：如果設(shè)置更多的放大器放大倍率，則可以增加數(shù)字電壓表的擋位。

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2017-12-1 21:26 上傳