第一章 緒 論1.1 課題研究的背景及意義數(shù)字電壓表的高速發(fā)展，使它已成為實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化、提高工作效率不可缺少的儀表，數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量儀器發(fā)展的主要方向之一，而高準(zhǔn)度的DC-DVC的出現(xiàn)，又使數(shù)字電壓表進(jìn)入了精密標(biāo)準(zhǔn)測量領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電壓表的功能和種類將越來越強(qiáng)，越來越多，其使用范圍也會(huì)越來越廣泛。采用智能化的數(shù)字儀器也將是必然的趨勢，它們將不僅能提高測量準(zhǔn)確度，而且能提高電測量技術(shù)的自動(dòng)化程序，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表(如：溫度計(jì)、濕度計(jì)、酸度計(jì)、重量、厚度儀等)，幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動(dòng)化儀表等各個(gè)領(lǐng)域。從而提高計(jì)量檢定人員的工作效率。
在電量的測量中，電壓，電流和頻率是最基本的三個(gè)被測量，其中電壓量的測量最經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是需要經(jīng)常測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓就成為必不可少的測量儀器。另外，數(shù)字測量儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便，精度度高，誤差小，靈敏度高，分辨率高，測量速度快等特點(diǎn)倍受用戶親睞，數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)就基于這種需求發(fā)展起來。目前實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)字化測量的方法仍然是模—數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的方法。數(shù)字電壓表分類繁多，日常生活中一般根據(jù)原理的不同進(jìn)行分類，大致分為：比較式，電壓—時(shí)間變換式，積分式等。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展 數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM,它出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代初，60年代末發(fā)張起來的電壓測量儀表，它采用的是數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后通過顯示器件顯示。這種電子儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用推廣到系統(tǒng)的自動(dòng)控制信號的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，提出了各種被觀測量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的要求，即為了實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶動(dòng)了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時(shí)，為革新電子測量中的煩瑣與陳舊方式也促進(jìn)了它的飛速發(fā)展。如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。
如今，數(shù)字電壓表已經(jīng)絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時(shí)候非常不方便還經(jīng)常出錯(cuò)，而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時(shí)也非常方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用與電子和電工測量，工業(yè)自動(dòng)化儀表，自動(dòng)測量系統(tǒng)等領(lǐng)域。顯示出強(qiáng)大的生命力。
數(shù)字電壓表最初是伺服步進(jìn)電子管比較式，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度較慢，體積重達(dá)幾十公斤。繼之出現(xiàn)了諧波式電壓表，它的速度方面稍有提高但準(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進(jìn)逐次漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，它不僅保持了比較是準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點(diǎn)就是抗干擾能力差，很容易受到外界因素的影響，隨后，在諧波式的基礎(chǔ)上雙引申出階梯波式，它的唯一進(jìn)步就是成本降低了，可是準(zhǔn)確度，速度及抗干擾能力都未提高。而數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，就原理來講，它從原來的一兩種已經(jīng)發(fā)展到多種，在功能上講，它從測單一的參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作原件看，發(fā)展到集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度已經(jīng)達(dá)到1NV，讀數(shù)速度達(dá)到每秒幾萬次，而相對以前價(jià)格已經(jīng)降低了很多。數(shù)字電壓表(數(shù)字面板表)是當(dāng)前電子、電工、儀器、儀表和測量領(lǐng)域大量使用的一種基本測量工具有關(guān)數(shù)字電壓表的書籍和應(yīng)用已經(jīng)非常普及了。
數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)和開發(fā),已經(jīng)有多種類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表各有特點(diǎn),它們適合在現(xiàn)場做手工測量,要完成遠(yuǎn)程測量并要對測量數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理,傳統(tǒng)數(shù)字電壓表是無法完成的。然而基于PC通信的數(shù)字電壓表,既可以完成測量數(shù)據(jù)的傳遞,又可借助PC,做測量數(shù)據(jù)的處理。所以這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際上,都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點(diǎn),這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。
1.3 本文的研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)AT89S52的數(shù)字電壓表系統(tǒng),系統(tǒng)具有精度高、速度快、性能穩(wěn)定、電路簡單且工作可靠等特點(diǎn), 具有很好的使用價(jià)值。這個(gè)設(shè)計(jì)的目的和意義在于使自己掌握數(shù)字電壓表的工作原理，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真。設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表可廣泛應(yīng)用于電壓測量以及通過其它變換器還可以測量其他電量和非電量。數(shù)字電壓表廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域每次測量的準(zhǔn)確度和可信度取決于它的主要性能和技術(shù)指標(biāo)。所示我們要學(xué)習(xí)和掌握如何設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表就顯得十分重要。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，我大量用到了所學(xué)的內(nèi)容。涉及知識面廣，應(yīng)用性強(qiáng)是本次設(shè)計(jì)的核心特點(diǎn)。通過自己的動(dòng)手能力和鉆研精神將課本知識運(yùn)用到實(shí)踐中來，雖然在設(shè)計(jì)上或者功能實(shí)現(xiàn)上存在不足，但最重要的是一種鍛煉，培養(yǎng)一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，希望能對將來步入社會(huì)奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)自己人生價(jià)值！
第二章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)分析利用MCS-51系列單片機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)化成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一，精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已經(jīng)被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測量系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。
2.1.1 功能及指標(biāo)本次設(shè)計(jì)要具體目標(biāo)如下：
1）分為三檔量程：0～5V，0～10V，0～20V；
2）測量最小分辨率：0.02V；
3）自動(dòng)選擇量程；
4）采用字符液晶LCD1602顯示。
2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.2.1 方案設(shè)計(jì)的基本思路設(shè)計(jì)主要采用AT89S52單片機(jī)芯片和ADC0804模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來完成一個(gè)簡易的數(shù)字電壓表，能夠?qū)︔斎氲?V～20V的模擬直流電壓進(jìn)行測量，并通過LCD1602進(jìn)行顯示，測量誤差約為0.02 V。設(shè)計(jì)電路主要通過ADC0804芯片的模擬電壓輸入端輸入的0V～20V的模擬量電壓，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道D0～D7傳送給AT89S52芯片的P0口。該電壓表的測量電路主要由四個(gè)模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理及控制模塊、量程轉(zhuǎn)換模塊及顯示控制模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0804來完成，主要負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理則由單片機(jī)AT89S52來完成，其負(fù)責(zé)把ADC0804傳送來的數(shù)字量經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示，量程轉(zhuǎn)換模塊主要由繼電器和分壓電阻組成，由單片機(jī)控制繼電器切換衰減倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換，顯示模塊主要由LCD1602組成，實(shí)時(shí)顯示測量到的電壓值。
2.2.2 數(shù)字電壓表的兩種設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表有多種的設(shè)計(jì)方法，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導(dǎo)致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分不一致，進(jìn)而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中，需要測量的模擬電壓范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方案。
方案一：由數(shù)字電路及芯片構(gòu)建。
這種設(shè)計(jì)方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時(shí)序?qū)/D轉(zhuǎn)換器中個(gè)組模擬開關(guān)接通或斷開，保證A/D轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過計(jì)數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出相應(yīng)的數(shù)值。此方案設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設(shè)計(jì)不靈活，都是采用純硬件電路，很難將其在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。
方案二：由單片機(jī)系統(tǒng)及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建。
這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理是模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓源，被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計(jì)算出被測量電壓的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅能夠繼承方案一的各種優(yōu)點(diǎn)，還能改進(jìn)方案一設(shè)計(jì)的不靈活，可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展[4]。
綜合比較以上兩種設(shè)計(jì)方案的各方面的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)在所設(shè)計(jì)的電壓表的實(shí)用性，選擇第二種電壓表的設(shè)計(jì)方案，及由單片機(jī)及數(shù)字芯片構(gòu)建的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。
2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的選擇方案一：A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7107型三位半顯示的芯片，輸入信號，流經(jīng)取樣電路取樣后送到ICL7107型三位半A/D轉(zhuǎn)換器，只需要很少的簡單外圍元件，就可以組成數(shù)字電流表模塊，直接驅(qū)動(dòng)三位半LED顯示器顯示，最后輸入電流在顯示部件顯示。由于ICL7107做的LED數(shù)字電壓表最大的缺點(diǎn)是數(shù)字亂跳不穩(wěn)定，特別是最后一位，所以不采用此方案。
方案二：A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0804轉(zhuǎn)換芯片，其中A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單電源供電。ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜等優(yōu)點(diǎn)。 ADC0804是采用單通道模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，模擬輸入電壓范圍為0V~5V，具有參考電壓輸入端，內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器，不需要調(diào)零，因此，本次設(shè)計(jì)選用ADC0804作為AD轉(zhuǎn)換芯片。
2.2.4 接口模塊的選擇方案一：使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用譯碼芯片CD4543作為接口芯片，這種方案能實(shí)現(xiàn)功能，但穩(wěn)定性不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
方案二：采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，通過A/D轉(zhuǎn)換將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)中，再由單片機(jī)產(chǎn)生顯示碼送入顯示模塊顯示。此方案各種功能易于實(shí)現(xiàn)，成本低、功耗低，顯示穩(wěn)定。
通過比較，選擇方案二。
2.2.5 微控制器的選擇目前單片機(jī)種類很多，如何選擇性價(jià)比最低、開發(fā)容易、開發(fā)周期最短的產(chǎn)品，是工程師考慮的主要問題之一。目前我國銷售的主流MCU產(chǎn)品有8051、PIC、MCP430、STC、AVR等系列的單片機(jī)，，先購單片機(jī)總體上主要從兩方面考慮，其一是目標(biāo)系統(tǒng)需要哪些資源，其二是根據(jù)成本的控制選擇價(jià)格最低的產(chǎn)品，即所謂的“性價(jià)比最高”原則。資源方面考慮的重要指標(biāo)有速度、位數(shù)、電壓、功耗、存儲容量、系統(tǒng)擴(kuò)展與驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾能力，是否嵌入ADC、DAC等其他的特殊要素。另外軟件開發(fā)的簡易性也是重要考慮的因素。例如MCS-51系列作為傳統(tǒng)的8位單片機(jī)，現(xiàn)在仍在廣泛的應(yīng)用就是因?yàn)樗哂蟹浅７奖愕拈_發(fā)工具、集成環(huán)境和軟件資源。成本方面主要看選擇哪家廠商的產(chǎn)品。實(shí)際上同一類產(chǎn)品有很多兼容系列，不同的廠家價(jià)格有很大差別。更重要的是要選擇供貨服務(wù)好，能提供良好技術(shù)支持，信譽(yù)高的代理經(jīng)銷商。
AT89S系列與AT89C系列單片機(jī)的應(yīng)用與區(qū)別：
AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。
AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。因此為了下載的方便我采取AT89S52的單片機(jī)。
2.3 系統(tǒng)硬件分析本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)AT89S52和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804為核心，測量連續(xù)信號的數(shù)字電壓表。硬件主要由：5V直流電源供電模塊，單片機(jī)AT89S52模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，電壓顯示模塊，量程轉(zhuǎn)換模塊組成。
數(shù)字電壓表的總體框圖如圖2.1所示：
圖2.1 系統(tǒng)總體框圖
2.3.1 AT89S52單片機(jī)簡介AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。
AT89S52實(shí)物圖如圖2.2所示：
圖2.2 AT89S52實(shí)物圖
2.3.2 LCD1602顯示器簡介普通的LED數(shù)碼管只能用來顯示數(shù)字，如果要顯示英文、漢字或者圖像，則必須使用液晶顯示器。液晶顯示器的英文名稱是Liquid Crystal Display，簡稱LCD。液晶顯示器作為顯示器件具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，所以LCD日漸成為各種便攜式電子產(chǎn)品的理想顯示器，如電子表、計(jì)算器上的顯示器等。
根據(jù)LCD的顯示內(nèi)容劃分，可以分為段式LCD、字符式LCD和點(diǎn)陣式LCD3種。其中，字符式LCD以其價(jià)廉、顯示內(nèi)容豐富、美觀、使用方便等特點(diǎn)，成為LED數(shù)碼管的理想替代品。
1602LCD顯示屏實(shí)物圖如圖2.3所示：
圖2.3 LCD1602顯示屏實(shí)物圖
2.3.3 ADC0804轉(zhuǎn)換芯片簡介ADC0804 是8 位ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0804是單通道模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，模擬輸入電壓范圍為0V~5V，具有參考電壓輸入端，內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器，不需要調(diào)零。
ADC0804的控制信號時(shí)序圖，由下圖2.4所示。
圖2.4 ADC0804控制信號時(shí)序圖
ADC0804的主要電氣特性如下：
- 工作電壓：＋5V，即VCC＝＋5V。
- 模擬輸入電壓范圍：0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。
- 分辨率：8位，即分辨率為1/28=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～255之間。
- 轉(zhuǎn)換時(shí)間：100us（fCK＝640KHz時(shí)）。
- 轉(zhuǎn)換誤差：±1LSB。
- 參考電壓：2.5V，即Vref＝2.5V。
第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)組成本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換、顯示設(shè)備、量程轉(zhuǎn)換，過壓保護(hù)等。其中以單片機(jī)作為主控芯片控制系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換電路，量程轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示電路，以實(shí)現(xiàn)電壓測量功能。
3.2電源接口電路由于本系統(tǒng)各模塊均需+5V直流電源供電，故只需設(shè)計(jì)+5V直流電源電路即可。
電源電路采用六腳自鎖開關(guān)控制，其電源兩端并上兩個(gè)濾波電容，其中D1為電源指示燈，R3為D1的限流電阻，如圖3.1所示：
圖3.1系統(tǒng)電源接口電路
3.3 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。該器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由主控電路、復(fù)位電路、晶振電路以及電源電路四部分組成。
3.3.1 主控芯片AT89S52
主控電路主要由單片機(jī)AT89S52芯片組成，主控芯片電路圖如圖3.2所示，電路中U1為單片機(jī)AT89S52，P4為單片機(jī)P0的上拉排阻，C5為單片機(jī)去耦電容。
圖3.2 AT89S52芯片
3.3.2 復(fù)位電路 AT89S52單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)或者出現(xiàn)死機(jī)時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（高電平有效）由RST引腳送入到內(nèi)部的復(fù)位電路，對AT89S52單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位信號要持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上，才能使AT89S52單片機(jī)可靠復(fù)位。
AT89S52單片機(jī)復(fù)位電路如圖3.3所示：
圖3.3復(fù)位電路圖
復(fù)位電路工作原理：上電瞬間RST引腳的電位與VCC等電位，RST引腳為高電平，隨著電容C6充電電流的減少，RST引腳的電位不斷下降，其充電時(shí)間常數(shù)為T=R9*C6=100ms，此時(shí)間常數(shù)足以RST引腳在保持為高電平的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)位操作。
當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵S1后松開，也能使單片機(jī)RST引腳維持一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)AT89S52單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位。
3.3.3 晶振電路XTAL1和XTAL2是片內(nèi)振蕩電路輸入端，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接AT89S52單片機(jī)片內(nèi)OSC的定時(shí)反饋回路。晶振起振后要能在XTAL2端輸出一個(gè)3V左右的正弦波，以便使片內(nèi)OSC電路按晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC的輸出時(shí)鐘頻率FOSC為6MHZ—16MHZ，典型值為12MHZ或11.0592MHZ。電容C5和C6幫助晶振起振，典型值為30pf，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)FOSC的目的。本系統(tǒng)中，晶振為12MHZ，C5=C6=30pf。
晶振電路如圖3.4所示：
圖3.4 晶振電路圖
3.4 LCD1602顯示電路LCD1602字符液晶的8位數(shù)據(jù)口接單片機(jī)的P0口，其三個(gè)控制信號腳分別接單片機(jī)的P1.0~P1.2腳，圖中電位器R0（3腳）起著調(diào)節(jié)LCD1602的分辨率的作用。
LCD1602顯示接口電路如圖3.5所示：
圖3.5 1602顯示器接口電路
3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路外接電路如圖3.6所示：圖中U1為ADC0804芯片，電阻 R2＝10KΩ、電容C5＝150PF決定A/D轉(zhuǎn)換速率，則內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率是fCK＝1/（1.1×10 KΩ×150PF）＝606KHz，電容C1為ADC0804的去耦電容。
圖3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路外接電路圖
3.7 量程轉(zhuǎn)換電路量程轉(zhuǎn)換電路如圖所示3.7所示：其中P8為模擬電壓輸入端，可輸入0~20V電壓，R10，R11,R12三個(gè)分壓電阻和繼電器RE1，RE2控制電壓衰減倍數(shù)，使得輸入到ADC0804的模擬電壓不超過5V，D2為5v穩(wěn)壓管，作為ADC0804輸入端過壓保護(hù)。
圖3.7 量程轉(zhuǎn)換電路
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電啟動(dòng)，首先配置好各個(gè)模塊端口，初始化液晶顯示和定時(shí)器，依次調(diào)用各功能模塊。在主程序中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)和當(dāng)前測量的電壓值，并實(shí)時(shí)掃描中斷。在中斷服務(wù)子程序中，檢測按鍵和當(dāng)前電壓值。系統(tǒng)總流程圖如圖4.1所示：
圖4.1 系統(tǒng)總流程圖
4.2 LCD1602液晶流程圖系統(tǒng)上電后，配置好液晶端口，然后對LCD1602進(jìn)行初始化，再調(diào)用LCD1602的讀寫函數(shù)，可將采集處理后的電壓數(shù)值實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)電壓值在量程臨界值是，液晶顯示警告信息。
圖4.2 LCD1602 液晶顯示流程圖
4.3 ADC0804流程圖本系統(tǒng)采用中斷掃描的方式，定時(shí)對外部電壓進(jìn)行采樣。系統(tǒng)上電初始，首先初始化定時(shí)器，等待定時(shí)器中斷。中斷到達(dá)，首先選擇最高量程，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，比較輸出數(shù)值，選擇合適的量程，再次啟動(dòng)ADC0804，轉(zhuǎn)換完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再送入LCD1602中顯示。
ADC0804的A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.3所示：
圖4.3 A/D轉(zhuǎn)換流程圖
第五章 性能測試與分析基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表在設(shè)計(jì)中整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)由設(shè)計(jì)圖紙走向了模型機(jī)，標(biāo)志著整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的初步成功。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)入到另外一個(gè)階段——綜合調(diào)試階段。不過在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，調(diào)試的工作是伴隨著整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程的始終。只有經(jīng)過所有各自軟件程序的調(diào)試之后所剩下的公共的接口部分就需要進(jìn)行聯(lián)調(diào)了。
5.1 各模塊獨(dú)立測試系統(tǒng)制作完成后，首先測試各器件是否焊接良好，是否存在漏焊、虛焊等現(xiàn)象。檢查整個(gè)電路的線路是否存在短路或斷路。檢測電源電路，及各器件電源和地是否連接正常。
檢測無誤后，安裝好單片機(jī)，給電路上電，開始測試單片機(jī)最小系統(tǒng)。主要檢查復(fù)位電路，時(shí)鐘晶振電路，P0口上拉排阻及EA引腳是否連接正常。測試單片機(jī)各引腳電壓是否正常。
單片機(jī)最小系統(tǒng)測試無誤后，可編制測試小程序，分別測試LCD1602、ADC0804電路是否正常工作，各模塊單獨(dú)測試，并且逐步深入，以防止芯片損壞。
5.2 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試經(jīng)過各部分的調(diào)試之后，就進(jìn)入到了整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試之中。聯(lián)合調(diào)試的主要目的就是查看系統(tǒng)各部分同時(shí)運(yùn)行時(shí)的協(xié)調(diào)狀況。在測試過程中，主要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的條件和期望表現(xiàn)進(jìn)行模擬，即模擬工作環(huán)境，查看系統(tǒng)的輸出結(jié)果是否與之相符。如果不相符則作記錄。
系統(tǒng)調(diào)試之初，首先利用Proteus仿真軟件和Keil編程軟件構(gòu)成仿真圖，仿真圖如圖5.1所示，在仿真環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測試，逐步深入。在仿真環(huán)境下，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，則在實(shí)物上進(jìn)行最終調(diào)試，待一次聯(lián)調(diào)基本結(jié)束后生成測試報(bào)告，并得到反饋信息，并再次進(jìn)行修改—局部聯(lián)調(diào)—測試，等到經(jīng)過協(xié)調(diào)之后再次進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)直到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為止。
圖5.1 系統(tǒng)仿真圖
5.3 系統(tǒng)運(yùn)行評估經(jīng)過聯(lián)調(diào)之后，整個(gè)系統(tǒng)就處于性能評估之中，性能評估在實(shí)驗(yàn)室條件下對系統(tǒng)整體性能測定分析，主要有：電壓測量精度，量程轉(zhuǎn)換，顯示效果等。分析系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足，并嘗試提出改進(jìn)措施，為今后進(jìn)一步研究提供依據(jù)。
第六章 總 結(jié) 通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我在關(guān)于電子方面的實(shí)際動(dòng)手能力有很大的提高，在元器件的布置、安裝、焊接、調(diào)試等方面都有很大的進(jìn)步。我在這項(xiàng)實(shí)踐中主要負(fù)責(zé)實(shí)物的制作階段，初期的時(shí)候由于對這個(gè)數(shù)字電壓表沒有一個(gè)實(shí)質(zhì)性的概念，所以一時(shí)之間不知道該如何下手，后來通過查閱大量相關(guān)資料才漸漸的有了一點(diǎn)頭緒。在原理圖的設(shè)計(jì)過程中遇到很多難題，通過仿真，實(shí)驗(yàn)，不斷對電路進(jìn)行改進(jìn)，逐步深入，將問題一一解決。最終將設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，做出實(shí)物。
從總體來說，本文重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的功能以及對單片機(jī)的外圍電路等進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究，由于時(shí)間和條件的限制，雖然取得了一定的效果，但尚存在一定不足之處，比如測量大電壓時(shí)精度不夠，保護(hù)電路不完善。并且現(xiàn)實(shí)中各種模擬量特點(diǎn)不一樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不夠全面，應(yīng)用范圍有限。這些問題主要由于原理設(shè)計(jì)及程序處理的原因，不能及時(shí)解決，有待今后進(jìn)一步的研究。
回顧過去，展望未來，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)的各種高級芯片和技術(shù)，能夠很大程度上提高電壓表的精確性和穩(wěn)定性。只有通過不斷的學(xué)習(xí)，不斷的探索，這樣才能把自己的知識更好的運(yùn)用與實(shí)踐中。
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致 謝通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我鞏固了以前學(xué)過的很多知識，培養(yǎng)了分析與解決問題的能力，更使我檢索和獲取知識的能力的到了很大的提高，這跟老師們給我的指導(dǎo)是分不開的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在吳靜進(jìn)老師的悉心指導(dǎo)和自己的積極努力下完成的。在他的諄諄教導(dǎo)下，我按時(shí)完成了設(shè)計(jì)，沒有他的嚴(yán)要求，我恐怕就會(huì)放縱自己。謹(jǐn)此感謝學(xué)院對于這次學(xué)生科研的大力支持并向指導(dǎo)老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！
附錄1: 系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖
附圖一.系統(tǒng)原理圖
附圖二 作品實(shí)物圖
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