51單片機的ADC0808數(shù)字電壓表設(shè)計文檔下載

ID:442669 · 發(fā)表于 2018-12-13 11:09

基于單片機的數(shù)字電壓表的設(shè)計

摘要

近些年來，數(shù)字電壓表逐漸進入人們的視線中，它主要采取數(shù)字化測量技術(shù)。與傳統(tǒng)的指針式儀表相比，它的功能有了進一步的完善，并且精度也有了很大的提高。數(shù)字電壓表主要采用單片機和模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，這樣不僅提高了測量速度，而且抗干擾能力強、使用便捷、可擴展性強、測量準確。

本文主要采用AT89C51單片機和ADC0808芯片制作的簡易數(shù)字電壓表，可以采集0~5V和5~10V的模擬直流電壓進行測量，其測量結(jié)果在液晶LCD1602上顯示。該設(shè)計硬件電路主要有三個模塊組成:A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及輸出顯示模塊。數(shù)據(jù)處理由單片機AT89C51來完成，它主要把ADC0808傳送來的數(shù)值經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，然后送至顯示模塊進行顯示，同時控制顯示芯片1602的工作。程序設(shè)計上有各模塊初始化操作、電壓檔位選擇和LCD1602液晶顯示程序等。

系統(tǒng)硬件設(shè)計總體方案

1.1 設(shè)計要求

以MCS-51單片機為關(guān)鍵部件，制作一個簡易的數(shù)字電壓表。

使用雙通道可選擇直流電壓輸入，能夠測量0-5V和5-10V之間的直流電壓。當電壓值超過5V時，選擇通道2（5-10V通道）采集電壓。
使用LCD1602來完成電壓的液晶顯示。
使用較少的元器件，盡可能降低功率損耗，同時準確、快速完成測量。
由于電壓表允許過載，因此所測電壓允許適當超過量程。

1.2 設(shè)計方案

總體設(shè)計電路有以下幾部分組成：AT89C51單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶LCD顯示電路、時鐘電路、復位電路、被測電壓輸入電路及量程選擇和報警電路。總體硬件設(shè)計框圖如圖1-1所示:

圖1-1 硬件電路設(shè)計框圖

1.3 2. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

日常生活中的物理量都是模擬量，為了能夠方便的分析各個量，就需要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。現(xiàn)在越來越多的設(shè)備都需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把復雜的模擬信號轉(zhuǎn)換成已明白的數(shù)字信號，因此A/D轉(zhuǎn)換器也得到了更深一層的研究。按照不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換原理可把其分為逐次逼近行、雙積分型等。其中雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜。但與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送入單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，這樣大大節(jié)省了時間，而且逐次逼近型轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中得到廣泛的使用。

由于ADC0808芯片采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理，因此本設(shè)計便運用其進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，它可以實現(xiàn)8路模擬信號的選擇采集，而且它的轉(zhuǎn)換時間為100us。此次使用的是12MHz的晶振，因此它能夠提供轉(zhuǎn)換的時鐘即滿足設(shè)計的需要。

對于n位的A/D轉(zhuǎn)換器，它的分辨率是滿量程輸入電壓和2n之比。ADC0808的滿量程為5V。則其分辨率為0.02V。

ADC0808內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有8路模擬通道選擇開關(guān)、地址鎖存與譯碼器和8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器等構(gòu)成，其引腳及連接電路如圖2-1所示：

圖2-1 ADC0808引腳圖

由圖2-1所示，其中IN0~IN7為模擬量輸入通道，其輸入電壓范圍均為0~5V。此次設(shè)計分為兩通道輸入分別為IN0（0-5V）和IN1（5-10V），并且采用開關(guān)K1、K2來選擇。A、B、C為模擬量輸入通道的選擇端，是與單片機的P1相連并通過軟件的編程產(chǎn)生控制信號。ALE、START為地址鎖存允許信號和轉(zhuǎn)換啟動信號，它們都有單片機P3口產(chǎn)生控制信號。轉(zhuǎn)換器的CLK由單片機的中斷程序產(chǎn)生，主要是完成輸入數(shù)據(jù)的掃描。EOC是ADC0808轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端口，只有等到EOC變?yōu)楦唠娖剑瑪?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才結(jié)束。實現(xiàn)這個過程，就需要使用程序設(shè)計來完成。OE是輸出允許信號，只有OE為低電平時，才能輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。程序中先讓OE為0，然后為1，這樣把數(shù)據(jù)送入單片機P2口。VREF（+）、VREF（—）是芯片的電源接口。

2.2 電壓輸入電路

ADC0808的基準電壓為+5V，所以當要測量的電壓值超過5V時則需要由開關(guān)選擇衰減電路，經(jīng)過衰減后輸入轉(zhuǎn)換采集器。輸入電路如圖2-4所示：

圖2-4　輸入電路圖

當要測試的電壓為0~5V時，選擇IN0輸入，在仿真中運用滑動變阻器分壓的原理產(chǎn)生0-5V的電壓來代表實際電壓。而當超過5V時則選擇左邊的電路，由于實際的電壓變允許適當?shù)某砍蹋詧D中R5和R6的電阻值分別為6k、3k，這樣就把電壓衰減為原來電壓值的1/3，同時由于RV5分壓的原理可以得到5~10V的電壓來模擬實際要測試的電壓值。同時其最高測量電壓允許適當超過10V。這樣本電壓表就有兩個量程即0~5V和5V~10V。需要變換量程時，由選側(cè)開關(guān)K1、K2相互切換。由于本此設(shè)計采用手動調(diào)節(jié)電壓檔位的方式，因此在測量電壓時應(yīng)該先對被測電壓進行估算，同時先由較大量程進行測量，如果值過小，再調(diào)節(jié)檔位。不然不容易超量程損壞儀器。直流電壓輸入時，由于尖峰的出現(xiàn)，也就需要對輸入的電壓進行濾波，電容C4、C5在次的作用就是進行濾波

2.3 接口電路

對于本設(shè)計，主要的接口電路有時鐘電路、復位電路、電壓量程選擇和報警電路。

2.4.1時鐘電路

單片機89C51芯片中有一個內(nèi)部時鐘，其中引腳18為輸入端，19為輸出端引腳，這兩個引腳連接一個12MHz的晶振，同時再連接兩個瓷片電容，這樣便提供片內(nèi)相移的條件，時鐘電路如圖2-5所示：

圖2-5　時鐘電路圖

由圖2-4可知，晶體的振蕩頻率通常取取12MHz，對于11.0592MHz一般在單片機串行通信時使用。這時單片機一個時鐘周期為：

（2-1）

圖電容C1和C2，它們和晶振的主要作用是結(jié)合單片機內(nèi)部振蕩電路實現(xiàn)相位的180°移相，這樣晶振才能夠起振。同時對電路中所需的電容儲電量要求不高，均為30pF。若過高或過低都會對振蕩產(chǎn)生影響。

2.4.2 復位電路

AT89C51單片機的RST為復位引腳，復位信號高電平有效，并且其有效時間應(yīng)該延續(xù)出現(xiàn)2個機器周期以上即可確保系統(tǒng)復位，復位操作完成后，RST端一直保持高電平，那么單片機就始終處于復位狀態(tài)，當RST恢復低電平后單片機才能進入其他操作。單片機復位電路有幾種類，本次設(shè)計主要采用手動復位電路，這樣可以人為的操作，簡單方便。電路如圖2-6所示：

圖2-6　復位電路

由上圖2-6可知，只有RST端維持2個周期以上高電平才能完成復位操作。電容C3兩端在單片機啟動時持續(xù)充電為5V，由于按鍵未按下，電阻R1兩端電壓為0，此時RST處于低電平系統(tǒng)工作正常，當按鍵摁下時，電阻R2所在的支路導通，與C3形成一個回路，電容C3開始釋放之前所充的電量，在很短的時間內(nèi)，其電壓值由5V變?yōu)?.0V，甚至更小些，與此同時，RST又收到高電平，這時系統(tǒng)自動復位。

2.4.3量程選擇和報警電路

本設(shè)計由于采用雙通道輸入的方式，所以可以選擇不同的量程，分別為0~5V和5~10V。這個操作由選擇開關(guān)K1、K2來完成，但是如果K1、K2同時閉合，報警提示燈點亮。電路如圖2-7所示：

圖2-7　量程選擇和報警電路圖

2.4 LCD1602顯示電路設(shè)計

本次設(shè)計中采用LCD1602作為顯示器，與以前的LED數(shù)碼管顯示相比，其顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，而且不需要外加驅(qū)動電路。同時可以滿足不同的輸入、移位要求，而且接口方式簡單、可靠。LCD1602模塊的引腳及連接電路如圖2-8所示：

圖2-8　LCD1602引腳

其中D0~D7數(shù)據(jù)接收端口與單片機P0口相連。E端為使能端，當它由0變?yōu)?，LCD1602才能進行讀寫操作，它和單片機P3.5相連，并由其輸出控制信號。RS、RW是1602的讀寫控制端，它們分別與單片機的P3.6、P3.7相對應(yīng)，這樣使用LCD顯示時可由單片機的程序完成控制。VDD、VSS為液晶屏的電源端口，VEE端電壓信號的大小可以改變液晶屏的亮度。由于P0口作為輸出口時，它沒有高電平的狀態(tài)所以仿真電路時需要加上拉電阻RP1，這樣P0口就有高電平狀態(tài)。

3. 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程如圖3-1所示：

圖3-1　系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計程序設(shè)計主要分為幾個模塊：初始化程序設(shè)計、A/D采樣程序設(shè)計、測量參數(shù)數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計、量程選擇和報警程序設(shè)計、LCD1602顯示程序設(shè)計。下面逐個介紹各個模塊的程序設(shè)計。

3.1 初始化程序

所謂初始化，將利用到單片機內(nèi)部各部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，其主要負責設(shè)置定時器模式、初始設(shè)定、開中斷和打開定時器等，對于液晶1602同樣也要進行初始化，其中包括清除顯示屏、顯示開/關(guān)控制、功能設(shè)置、進入模式設(shè)置等。其中部分初始化程序如下：

w_comd(0x0c); //開顯示屏，關(guān)光標；

w_comd(0x06); //字符進入模式：屏幕不動，字符后移；

ET0=1; //開定時中斷；

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

模/數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖如圖3-2所示。

圖3-2　A/D轉(zhuǎn)換流程圖

由圖可知，A/D轉(zhuǎn)換程序首先定義啟動信號、輸出允許信號、輸入地址鎖存信號、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號及CLK時鐘信號的變量。然后利用AT89C51中定時器T0的工作方式2產(chǎn)生CLK信號，供A/D轉(zhuǎn)換器使用，START信號的上升沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，即EOC從0變?yōu)?，同時OE是輸出使能信號端，其信號從高到低電平，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并將其進行數(shù)值轉(zhuǎn)換分別求出百、十、個位，再送入LCD進行數(shù)據(jù)顯示。

3.3 LCD1602顯示程序3.3.1 LCD1602初始化

液晶LCD初始化主要就是在液晶顯示器的每一個寄存器的初始設(shè)置，也就是向LCD中的各個寄存器寫入要設(shè)定的數(shù)據(jù)。該設(shè)計的初始化過程為先上電，然后進行判忙操作，最后再進行各個功能的設(shè)置，其中包括顯示狀態(tài)的設(shè)置（行、位的起始位置）、輸入方式的設(shè)置。初始化過程如圖3-5所示：

圖3-5　LCD初始化流程圖

該設(shè)計主要使用了LCD1602的讀忙操作、寫數(shù)據(jù)操作、寫命令操作和寫字符操作。其中每個操作都需要使能端RW、RS的控制信號，當RS、RW均為0的情況下，可以進行讀、寫操作，而讀忙只有RS=0、RW=1時，才能進行此操作。LCD1602如果要顯示字符，首先要寫入顯示字符的首地址，此次使用的是從第一行第四個字符04地址開始顯示，但是液晶寫數(shù)據(jù)操作時地址最高位D7必須為高電平，因此寫入數(shù)據(jù)的時候應(yīng)該是00000100（04H）+10000000（80H）=10000100（84H）。

4.1 顯示結(jié)果及誤差分析4.2.1 顯示結(jié)果

當輸入電壓為4.55V時，顯示結(jié)果如圖4-1 所示，實際電壓為4.54V。

圖4-1 輸入電壓為4.55V時，LCD顯示結(jié)果

當輸入電壓為9.97V時，顯示結(jié)果如圖4.2所示，實際電壓為9.96V。

4.2.2 誤差分析

通過對輸入不同的電壓進行測試，得到了仿真數(shù)據(jù)。可得出兩者的對比測試表，如下表4-1所示：

表4-1 簡易電壓表與“標準”電壓表對比測試表

標準電壓/V	電壓表測量值/V	絕對誤差/V
1.50 3.50 4.50 5.00 7.45 8.71 9.97	1.50 3.49 4.49 5.00 7.44 8.70 9.96	0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 0.01 0.01

從表4-1中的幾組數(shù)據(jù)的分析，測試電壓誤差以0.01V的幅度變化。這主要是硬件本身的誤差導致。由于單片機AT89C51、ADC0808數(shù)據(jù)傳輸端口為8，當輸入電壓為5.00V時，輸出端口的數(shù)據(jù)為11111111（FFH），所以ADC0808的最高分辯率為0.0196V（5/255）。這就決定了電壓表的最高分辯率只能到0.0196，因此測試電壓通常以0.01的幅度變化。

該數(shù)字電壓表所測得的電壓值和標準的電壓相比，大概有0-0.01V的偏差。由于硬件方面的原因，此誤差只能通過硬件上的完善才能得以校正。因為該電壓表設(shè)計時用的是5V的供電電源作為基準電壓，所以電壓可能出現(xiàn)誤差。如果要測量大于5V的電壓時，應(yīng)當使用分壓電路，程序中對計算結(jié)果進行調(diào)整就可以了。

通過多次的仿真和調(diào)整，此次設(shè)計的電壓表的絕對誤差為0~0.01V，因此本次畢業(yè)設(shè)計符合最初設(shè)計要求。

附錄一系統(tǒng)硬件設(shè)計總圖

單片機源程序如下:

#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit OE=P3^2; //AD數(shù)據(jù)輸出控制端口
sbit EOC=P3^3; //數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束由0變1
sbit START=P3^4; //AD轉(zhuǎn)換啟動 ALE接口
sbit CLK=P3^1;
sbit rw=P3^6; //1602讀寫選擇
sbit rs=P3^5; //1602寄存器選擇端
sbit en=P3^7; // //1602讀寫使能端
sbit a=P1^0； //a,b,c為轉(zhuǎn)換器通道選擇地址
sbit b=P1^1;
sbit c=P1^2;
sbit d=P1^5; //報警信號端
sbit K1=P1^6; //量程選擇開關(guān)
sbit K2=P1^7;
uchar dis[4]={0,0,0,0}; //緩存數(shù)據(jù)處理結(jié)果
void delay(uchar i) //延時程序
{ uchar n;
while(i--)
{
for(n=0;n<250;n++)
;
}
}
bit lcd_busy_check() //1602狀態(tài)檢測是否忙碌
{ bit result;
rs=0;
rw=1;
en=1;
delay(10);
result=(bit)(P0&0x80);
en=0;
return result;
}
void w_comd(uchar command) //寫LCD命令
{
while(lcd_busy_check());
rw=0;
rs=0;
en=0;
P0=command;
delay(10);
en=1;
delay(10);
en=0;
}
void vWriteData(uchar dat) //向1602發(fā)送數(shù)據(jù)
{
while(lcd_busy_check());
rs=1;
rw=0;
en=0;
P0=dat;
delay(1);
en=1;
delay(1);
en=0;
}
lcd_init() //LCD1602初始化
{
w_comd(0x38);
delay(5);
w_comd(0x0c); //開顯示屏，關(guān)光標
delay(5);
w_comd(0x06); //字符進入模式：屏幕不動，字符后移
delay(5);
w_comd(0x01); //清屏
}
void show_lcd_char(uchar ucChar) //LCD1602字庫表
{
switch(ucChar)
{
case ' ': vWriteData(0x20);break;
case '!': vWriteData(0x21);break;
case '"': vWriteData(0x22);break;
case '#': vWriteData(0x23);break;
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: vWriteData(0x24);break;
case '%': vWriteData(0x25);break;
case '&': vWriteData(0x26);break;
case '>': vWriteData(0x27);break;
case '(': vWriteData(0x28);break;
case ')': vWriteData(0x29);break;
case '.': vWriteData(0x2E);break;
case '0': vWriteData(0x30);break;
case '1': vWriteData(0x31);break;
case '2': vWriteData(0x32);break;
case '3': vWriteData(0x33);break;
case '4': vWriteData(0x34);break;
case '5': vWriteData(0x35);break;
case '6': vWriteData(0x36);break;
case '7': vWriteData(0x37);break;
case '8': vWriteData(0x38);break;
case '9': vWriteData(0x39);break;
case 'V': vWriteData(0x56);break;
case 'a': vWriteData(0x61);break;
case 'd': vWriteData(0x64);break;
case 'e': vWriteData(0x65);break;
case 'f': vWriteData(0x66);break;
case 'g': vWriteData(0x67);break;
case 'h': vWriteData(0x68);break;
case 'i': vWriteData(0x69);break;
case 'j': vWriteData(0x6A);break;
case 'k': vWriteData(0x6B);break;
case 'l': vWriteData(0x6C);break;
case 'm': vWriteData(0x6D);break;
case 'n': vWriteData(0x6E);break;
case 'o': vWriteData(0x6F);break;
case 'p': vWriteData(0x70);break;
case 'q': vWriteData(0x71);break;
case 'r': vWriteData(0x72);break;
case 's': vWriteData(0x73);break;
case 't': vWriteData(0x74);break;
case 'u': vWriteData(0x75);break;
case 'v': vWriteData(0x76);break;
default: break;
}
}
void show_lcd(uchar xschar[]) //顯示字符
{
uchar i;
for(i=0;;i++)
{
show_lcd_char(xschar[i]);
if(xschar[i+1]=='\0')
break;
}
}
void v_display0(uint getdata) //顯示數(shù)據(jù)
{
uint m,i;
m=getdata*1.0/255*500;
dis[0]=m/100; //把計算的數(shù)據(jù)每個位存入數(shù)組
dis[1]=m/10%10;
dis[2]=m%10;
for(i=0;i<3;i++) //數(shù)據(jù)逐一輸出
{
show_lcd_char(dis[i]+48);
if(i==0)
show_lcd_char('.');
}
}
void v_display1(uint getdata) //顯示數(shù)據(jù)
{
uint m,i;
m=getdata*1.0/255*500*3;
if(m>=1000)
{
dis[0]=m/1000; //把計算的數(shù)據(jù)每個位存入數(shù)組
dis[1]=m/100%10;
dis[2]=m/10%10;
dis[3]=m%10;
for(i=0;i<4;i++) //數(shù)據(jù)逐一輸出
{
show_lcd_char(dis[i]+48);
if(i==1)
show_lcd_char('.');}
}
else
{
dis[0]=m/100; //把計算的數(shù)據(jù)每個位存入數(shù)組
dis[1]=m/10%10;
dis[2]=m%10;
for(i=0;i<3;i++) //數(shù)據(jù)逐一輸出
{
show_lcd_char(dis[i]+48);
if(i==0)
show_lcd_char('.');
}
}
}
void main()
{
TMOD=0x01; //定時器0，模式1
TH0=0xfa;
TL0=0x00;
EA=1; //開總中斷
ET0=1; //開定時中斷
ET1=1;
TR0=1; //啟動定時中斷
d=0;
lcd_init(); //初始化
w_comd(0x84); //顯示起始地址
delay(10);
show_lcd("Voltage:");
w_comd(0xc9);
delay(10);
show_lcd("(V)");
while(1)
{
w_comd(0xc4);
d=0;
if((K1==0)&&(K2!=0)) //測量0~5V電壓
{a=0;
b=0;
c=0;
START=0;
OE=0;
START=1; //啟動AD轉(zhuǎn)換
START=0;
while(EOC==0); //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
OE=1;
v_display0(P2);
OE=0;
……………………
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ID:540911 · 發(fā)表于 2020-4-13 15:35

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