基于單片機(jī)控制的數(shù)字電壓表
1 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347830.htm由于單片機(jī)具有簡單實(shí)用、高可靠性、良好的性能價格比以及體積小等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在各個技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。數(shù)字電壓表(Digital Voltmeter)簡稱DVM,它是采用數(shù)字化測量技術(shù),把連續(xù)的模擬量(直流輸入電壓)轉(zhuǎn)換成不連續(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)字化時代的需求,采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表,由精度高、抗干擾能力強(qiáng),可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便,還可與PC進(jìn)行實(shí)時通信。目前,由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表,已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域,示出強(qiáng)大的生命力。與此同時,由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表,也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹單片A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構(gòu)成的基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的工作原理。
2 總體設(shè)計(jì)方案
2.1 設(shè)路計(jì)思路
按系統(tǒng)功能要求,決定控制系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī),A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809.系統(tǒng)除能確保實(shí)現(xiàn)要求的功能外,還可以方便地進(jìn)行其功能的擴(kuò)展。本文采用AT89S51作為核心元件,AT89S51是一個低功耗,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AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
采用NS公司的分辨率為8位的逐次比較型的高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809,ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和單片機(jī)直接接口。把采取的電壓進(jìn)行處理然后通過單片機(jī)的P口送到單片機(jī)然后經(jīng)過程序處理,由LED電路把電壓數(shù)值顯示出來。單片機(jī)加上外圍的串口顯示電路由74LS245和數(shù)碼管三極管組成。
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)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器,既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大,低價AT89s51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
2.2 設(shè)計(jì)方框圖
數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3 設(shè)計(jì)原理分析
3.1 單片機(jī)AT89S51
AT89S51單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗,高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含4K bytes的可系統(tǒng)編程的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)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器,既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大,低價AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
3.2 AT89S51的特點(diǎn)
40個引腳,4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器,128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷,2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口,看門狗(WDT)電路,片內(nèi)時鐘振蕩器 此外,AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式??臻e模式下,CPU暫停工作,而RAM定時計(jì)數(shù)器,串行口,外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
主要特性在:
● 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容
● 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器
● 1000次擦寫周期
● 全靜態(tài)工作:0Hz-33MHz
● 32個可編程I/O口線
● 2個16位定時器/計(jì)數(shù)器
● 6個中斷源
● 全雙工UART串行通道
● 低功耗空閑和掉電模式
● 掉電后中斷可喚醒
● 看門狗定時器
● 雙數(shù)據(jù)指針
● 靈活的ISP編程(字或字節(jié)模式)
● 4.0---5.5V電壓工作范圍
3.3 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
八路數(shù)字電壓表主要利用A/D轉(zhuǎn)換器,處理過程是先用A/D轉(zhuǎn)換器對各路電壓值進(jìn)行采樣,得到相應(yīng)的數(shù)字量,再按數(shù)字量與模擬量成正比關(guān)系運(yùn)算得到對應(yīng)的模擬電壓值,然后把模擬值通過顯示器顯示出來。設(shè)計(jì)時假設(shè)待測的輸入電壓為八路,電壓值的范圍為0~5V,要求能在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。測量的最小分辨率為0.0119V,c測量誤差為±0.02V。
ADC0809是8路8位ADC芯片,片內(nèi)有8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼、256電阻梯形網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)樹、逐次逼近寄存器、比較器和3態(tài)輸出鎖存器等,特別適合與微機(jī)接口。時鐘頻率=1.26MHz,轉(zhuǎn)換時間=100μs,轉(zhuǎn)換誤差≤±1LSB,內(nèi)含8路數(shù)據(jù)選擇器以便進(jìn)行8路ADC。8路8位2進(jìn)制碼LSTTL電平輸出,28腳封裝。ADC0809多路開關(guān)可選通8個模擬通道,允許8路模擬量分時輸入,共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量,當(dāng)OE端為高電平時,才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖2 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
3.4 引腳結(jié)構(gòu)
ADC0809具有8路模擬量輸入通道IN0~I(xiàn)N7,通過3位地址輸入端C、B、A(因腳23、24、25)進(jìn)行選擇。引腳22為地址鎖存控制端ALE,當(dāng)輸入為高電平時,C、B、A引腳輸入的地址鎖存與ADC0809內(nèi)部的鎖存器中,經(jīng)內(nèi)部譯碼電路譯碼選中相應(yīng)的模擬通道。引腳6為啟動轉(zhuǎn)換控制端START,當(dāng)輸入一個2 us寬的高電平脈沖時,就啟動ADC0809開始對輸入通道的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。引腳7為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號EOC。ADC0809為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)開始轉(zhuǎn)換時,EOC信號為低電平,經(jīng)過一定時間,轉(zhuǎn)換結(jié)束,轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC輸出高電平,轉(zhuǎn)換結(jié)果存放與ADC0809內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)鎖存器中。引腳9為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE,當(dāng)OE為高電平時,存放與輸出數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)通過ADC0809的數(shù)據(jù)線D0~D7輸出。引腳10為ADC0809的時鐘信號輸入端CLOCK。在連接時,ADC0809的數(shù)據(jù)線D0~D7與AT89S51的P0口相連,ADC0809的地址引腳、地址鎖存端ALE、啟動信號START、數(shù)據(jù)輸出允許控制端OE分別與AT89S51的P2口相連,轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC與AT89S51的P3.7口相連。時鐘信號輸入端CLOCK信號,由單片機(jī)的地址鎖存控制端ALE提供。單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘為12MHZ。
IN0-IN7:8條模擬量輸入通道 。ADC0809對輸入模擬量要求:信號單極性,電壓范圍是0-5V,若信號太小,必須進(jìn)行放大;輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中保持不變,如若模擬量變化太快,則需在輸入前增加采樣保持電路。
地址輸入和控制線:4條 。ALE為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時,地址鎖存與譯碼器將A,B,C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存,經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B和C為地址輸入線,用于選通IN0-IN7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線:11條 。ST為轉(zhuǎn)換啟動信號,當(dāng)ST上跳沿時,所有內(nèi)部寄存器清零;下跳沿時,開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換期間,ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時,表明轉(zhuǎn)換結(jié)束;否則,表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號,用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù);OE=0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7-D0為數(shù)字量輸出線。
CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路,所需時鐘信號必須由外界提供,通常使用頻率為1MHZ,VREF(+),VREF(-)為參考電壓輸入。
3.5 ADC0809應(yīng)用說明
ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器,可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。 初始化時,使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A,B,C端口上。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢,我們根據(jù)EOC信號來判斷。當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r,這時給OE為高電平,轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)。
3.6 ADC0809工作原理
8路模擬信號由ADC0809的IN0~I(xiàn)N7端輸入,AT89S51單片機(jī)的ALE端口輸出的脈沖信號送ADC0809的10腳作為ADC的時鐘信號(產(chǎn)生CLK信號的方法就得用軟件來產(chǎn)生)。A/D轉(zhuǎn)換完成之后,從EOC端返回AT89S51一個轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,單片機(jī)隨即用信號將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出從D0~D7端經(jīng)P0口數(shù)據(jù)總線讀入自己的存儲器中。A/D轉(zhuǎn)換過程全部結(jié)束。再經(jīng)軟件程序轉(zhuǎn)換成a~g 7段碼輸出,驅(qū)動LED數(shù)碼管。各位數(shù)碼管由位控信號P3.0、P3.1、P3.2、P3.3控制,由74LS245反相驅(qū)動將依次巡回點(diǎn)亮數(shù)碼管。
3.7 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用了上電自動復(fù)位和手動復(fù)位,上電自動復(fù)位是再加電瞬間電容通過充電來實(shí)現(xiàn)的,其電路如圖3.2所示。在充電瞬間,電容C通過復(fù)位電阻R充電,RST端出現(xiàn)正脈沖,以復(fù)位。只要電源VCC的上升時間不超過1MS,就可以實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位,既接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化,手動復(fù)位是通過按鈕實(shí)現(xiàn)的。
圖3 復(fù)位電路
3.8 時鐘電路的設(shè)計(jì)
任何一塊單片機(jī)的正常工作都離不開時鐘信號,本設(shè)計(jì)中利用8951內(nèi)部的高增益反相放大器,外加石英晶體以及兩個電容就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。給單片機(jī)提供了時鐘信號,保持單片機(jī)按正常的時序工作。
圖4 時鐘電路
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