数字电压表毕业设计

毕业论文
数字电压表毕业设计智能数字电压表设计
智能数字电压表设计
摘要
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面发生了巨大的变化，形成一种新一代的测量仪器——智能仪器。

目前大多数的传统仪器都有了相应的智能替代产品，还出现了不少全新的仪器类型和测试系统。

论文主要介绍了利用A /D转换器MC14433、AT89S51单片机和LED数码管构成具有三位半显示、4档量程的智能数字电压表。

电压表同时还具有标定（AX+B），自动零点调整和上下限报警（LMT）等功能。

本次设计主要讲述了电压表的构成和怎样实现各个硬件部分的通信，以及主体部分的程序实现。

利用所学的单片机知识来编写控制程序，利用电子电路的知识来设计硬件之间的连接。

智能数字电压表具有精度高，抗干扰能力强，还具有很强的数据处理能力。

关键词：数字电压表AT89S51 MC14433
Abstract
With the technological development of computer and microelectronics, and with the appearance of siglechip and fast development, It makes a lot of change in tradition electronic apparatus of measure.A new kind of electronic apparatus of measure is appear.Now,most of traditional testing measure have substitute that is aptitude instrument, also come from more new apparatus types and test systems.
This paper mainly introduce the d igital voltage meter consist of A/D swith utensil the type is MC14433, the singlechip type is AT89S51 ,and display of LED which is have three bit display.The digital voltage meter’s function is have 4 bit display ,demarcate (Ax+B), self-motion zero adjust,and the limit of fluctuate.
This paper introduce how to make of the digital voltage meter and how to come ture the communicate between of hardware with use the language of singlechip . The advantage of d igital voltage meter is high precision,the ability of anti-jamming is very strong,and the ability of data processing is very strong too.
Keywords: digital voltage meter, AT89S51, MC14433
目录
摘要 (I)
Abstract........................................................................................................ I I 目录............................................................................................................... I II 前言.. (5)
1概述 (7)
1.1智能数字电压表结构 (7)
1.2智能数字电压表功能及技术指标 (8)
2硬件电路设计 (11)
2.1 MCS-51系列单片机介绍 (11)
2.1.1概述 (11)
2.1.2 AT89S51单片机 (14)
2.2 模拟部分电路设计 (16)
2.2.1 输入电路 (17)
2.2.2 A/D转换电路 (18)
2.3人机接口电路设计 (21)
2.3.1键盘与接口 (21)
2.4.2 LED显示及接口 (24)
3程序设计 (28)
3.1 主程序 (28)
3.2 测量子程序 (29)
3.3 键扫描子程序 (30)
3.3.1 0号键处理程序 (32)
3.3.2 1 号键处理程序 (33)
3.3.3 2号键处理程序 (34)
3.3.4 3号键处理程序 (34)
3.4显示测量子程序 (35)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附件智能数字电压表原理总图 (41)
前言
在传统的数据测量中，许多仪器都是在内部进行简单的设计。

例如，在电压表中串联一个比较大的电阻，和电压表本身的电阻构成了电压表的内阻，根据内阻大小的不同，它的量程也不同。

这种仪器线路简单，测量精度不高，抗干扰能力不强。

在许多的领域中迫切的需要一种精度高，抗干扰能力强的仪器来代替它。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面发生了巨大的变化，形成一种新一代的测量仪器——智能仪器。

目前大多数的传统仪器都有了相应的智能替代产品，还出现了不少全新的仪器类型和测试系统。

智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两部分组成，智能仪器的特点：1、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器的棉面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连智能仪器广泛使用键盘，使面板的布置与仪器的功能部件的安排可以安全独立地进行，明显改善了仪器前面板及有关功能部件结构的设计，这样既有利于提高仪器技术指标又方便了仪器的操作。

2、微处理器的应用极大的提高了仪器的性能。

例如，智能仪器利用微处理的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于飘移、增益的变化和干扰等因素引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。

智能仪器除具有测量功能外，还具有很强的数据处理功能，从而使用户从繁重的数据处理中解放出来。

3、智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、触发电平、自动调整、自动校准、自诊断等控制，有力地改善了仪器的自动化测量水平。

例如，智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行维修功能，极大地方便了仪器的维护。

4、智能仪器具有友好的人—机对话能
力，使用人员只需通过键盘打入命令，仪器就能实现某种测量和处理能力，与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人—机之间的联系非常密切。

5、智能仪器一般都配有GP-IB或RS-232接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。

从而可以很方便地与计算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成复杂的测试任务。

本设计采用了AT89S51作为电压表的微处理芯片，MC14433A/D 转换器作为仪表的A/D转换部分，实现模拟量到数字量的转换。

通过对智能数字电压表的设计，了解智能数字电压表的工作原理、产生条件，通过对各部分模块的工作原理、组成结构的了解，通过设计方法、步骤、概念加深了对所学知识的实际运用能力和组合连惯。

1概述
随着微处理技术的快速发展电子测量与仪器和计算机技术的结合，给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

微处理器在70年代初期问世不就久，就被引进到电子测量与仪器领域中，所占比重在各项计算机应用领域中名列前矛，在这之后，随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步发展，电子测量与仪器和计算机技术愈加紧密，形成了一种全新的微机化仪器，即“智能仪表”。

电压测量是电子测量中最基本的测量内容。

这是因为其他电量和非电量的测量是先转化为直流电压尔后再进行测量，所以电压测量具有非常广泛的意义。

1.1智能数字电压表结构
智能数字电压表是指以微处理器为核心的数字电压表，典型结构如图 1.1所示。

其中专用微机部分包括微处理器芯片、存放仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据的存储器RAM等。

用于测量的输入/输出设备有：输入电路、A/D转换器、键盘、显示器及标准仪器接口电路等。

仪器内部采用总线结构，外部设备与总线相连。

图1.1 智能数字电压表的结构图
智能数字电压表的测量大致分为三个主要阶段：首先在微处理器
的控制下，被测电压通过输入电路、A/D转换器的处理转变为相应的数字量，存入到数据存储器中；接着微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，例如计算平均值、减去零点漂移等；最后，显示处理结果。

上述整个过程都是在存放ROM中的监控程序的控制下进行的。

1.2智能数字电压表功能及技术指标
采用微处理器以后，仪器在外观、内部结构以及设计思想等方面都发生了重大变化。

智能数字电压表不再仅有测量功能，同时还具有很强的数据处理能力，这些数据处理功能是通过按不同的按键，输入相应的常数，调用相应的处理程序来实现的。

不同型号的智能数字电压表设置的处理功能有所不同，相同的处理功能其表达式也不一定相同，但一般可以用下列表达方式来代表：
1．标定（AX+B）
R=AX+B
式中：R---最后的显示结果；
X---实际测量值；
A，B---由面板键盘输入的常数。

利用这一功能，可将传感器输出的测量值，直接用实际的单位来显示，实现标度变换。

2．极限（LMT）
即上下限报警功能。

利用这一功能可以了解被测量是否超越预置极限的情况。

使用前，应先通过面板键盘输入上下限H和下限值L。

测量时，在显示测量值x的同时，还将显示标志H，L或P，表明测量结果超上限、超下限或通过。

3．自动零点调整
仪器零点漂移的大小以及零点是否稳定是造成测量误差的主要来源之一。

消除这种影响最直接的办法选择优质输入放大器和A/D转换器，但这种办法代价高，而且也是有限度的。

智能电压表的自动零点调整功能，可以较很好的解决这个问题。

自动零点调整功能的原理图可用图 1.2所示的原理框图来说明。

首先微处理器通过输出口控制继电器吸合使仪器输入端接地，启动一次测量并将测量值寸入RAM的某一确定单元中。

此值便是仪器衰减
器、放大器、A/D 转换器等模拟部件所产生的零点漂移值Uos 。

接着微处理器通过输出口又控制继电器释放，使仪器输入端接被测信号，此时的测量值Uox 应是实际的测量值一Uos 之和。

最后微处理器再做一次减法运算，使Ux=Uox-Uos ，并将此差值做为本次测量的结果加以显示。

很显然，上述测量过程有效地消除了硬件电路的零点漂移对测量结果的影响。

图1.2 自动零点调整的原理框图
智能数字电压表除具有上述的数据处理能力和一些独特的功能之外，还具有普通数字电压表的各项技术指标，其主要技术指标为：`
（1）量程
为扩大测量范围，智能数字电压表借助于分压器和输入放大器分为若干个量程，其中既不放大也不衰减的量程为基本量程。

（2）位数
智能数字电压表的位数是以完整的显示位（能够显示0—9十个数码的显示位）来定义的。

例如最大显示位为9999，19999，11999的智能数字电压表称四位表。

为区别起见，常常也把最大显示数为19999，11999的智能数字电压表称为四位半数字电压表。

位数是表征数字电压表性能的一个最基本的参量。

通常将高于五位数字的数字电压数字电压表称为高精度数字电压表。

（3）测量准确度
智能数字电压 表的测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为：
]%%[m x U b U a ±±=∆ （1-1）
智能数字电压表设计
式中误差的相对项系数
a
-
b
-
误差的固定项系数
U
-
测量电压的指示值
x
-
U
测量电压的满刻度值
m
智能数字电压表的测量准确度与量程有关，其中基本量程的测量准确度最高。

（4）分辨率
分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示。

分辨率与量程及位数有关，量程愈小位数愈多，分辨率就愈强。

智能数字电压表通常以仪器最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率。

（5）输入阻抗Zi电压表的输入阻抗Zi是指从智能数字电压表两个输入端子看进去的等效电阻。

输入阻抗愈高，由仪表引入误差愈小。

同时仪器对被测电路的影响也就愈小
（6）输入电流Io
输入电流Io是指仪器内部产生并表现于输入端的电流，它的大小随温度和湿度的不同而变化，而与被测信号的大小无关，其方向是随机的。

这个电流将会通过信号源内阻建立一个附加的电压，而形成误差电压，所以输入电流愈小愈好。

智能数字电压表设计
2硬件电路设计
本次设计中的智能数字电压表由以下几部分组成：
（1）单片机：AT89S51，配备晶振和复位电路。

（2）测量电路：A/D转换器是数字电压表中不可缺少的部件，根据技术指标的要求，选用双积分式A/D转换器——MC14433芯片。

（3）量程标定电路：电压表有0~0.2V、0~2V、0~20V、0~200V 四档量程，其中2V为基本量程；对于0~0.2V量程，必须对输入电压放大10倍；而对于0~20V量程，先衰减100倍然后再放大10倍。

对于0~200V量程，必须对输入电压衰减100倍。

考虑到数字电压表要具有较高的输入阻抗，故采用高输入阻抗运算放大器组成有源放大和衰减器，放大和衰减倍数由S、VT1、VT2控制，通过CD4066实现，通过P2.3、、P2.4 、P2.2控制。

（4）键盘/显示电路：显示电路采用四个数码管，用串行输入/输出口控制在单片机的端口与数码管之间用74LS164来实现串-并转换。

本设计中设有11个按键，具体设置在后面一一介绍。

2.1 MCS-51系列单片机介绍
2.1.1概述
单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。

它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。

随着大规模集成电路技术的发展、单片机内还包含A/D、D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA 通道、浮点运算等新的特殊功能部件。

由于它的结构和功能都是按工业要求设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据处理场合，因而目前应确切称为微控制器（Microcontroller）。

单片机的称谓只是保留了其习惯称呼。

1.单片机的产生与发展
单片机的发展历史并不长，但发展十分迅猛。

它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：第一阶段（1971-1976）：单片机发展的初级阶段。

1971年11月Inter公司首先设计出了具有4位微处理器4004，并有RAM、ROM和移位寄存器的第一台MSC-4微处理器，不久以后又推出了8位微处理器Inter8008，其他各公司相继推出的8位微处理器。

这些虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。

第二阶段（1976-1980）：低性能单片机阶段。

以1976年Inter公司推出的MSC-48系列为代表的可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需求单片机。

这种采用将CPU与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术，标志着单片机与通用CPU的分道扬镳，在构成新型微控制方面取得了成功，为进一步发展单片机开辟了成功之路。

第三阶段（1980-1983）：高性能单片机阶段。

这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。

片内RAM、ROM的容量加大，且寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

其典型为1980年Inter公司推出的MCS-51系列单片机，其它代表产品有Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。

这类单片机拓宽了单片机的应用范围，使之能用于智能终端、局部网络的接口等。

因而，它是目前国内外产品的主流，各制造公司不断地改进和发展它。

第四阶段（1983-80年代末）：16位单片机阶段。

1983年Inter公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列，采用最新的制造工艺，使芯片的集成度高达12万只晶体管/片。

CPU为16位，支持16位算术逻辑运算，并具有32位除16位的除法功能。

片内RAM和ROM容量更进一步增大；除两个16位定时器/计数器外，还可设定4个软件定时器，具有8个中断源；片内带有多通道高精度A/D转换和高速输入输出部件（HSIO）；运算速度和控制功能也有大幅度提高。

具有很强的实时处理能力。

第五阶段（90年）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

如：CPU的位数有8位、16位、32位，而结构上更进一步采用双CPU结构或内部流水线结构，以提
高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHZ，使指令执行速度相对加快；提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础；增加新的特殊功能部件；半导体制造工艺的不断改进，使芯片向高集成化、低功耗方向发展等等。

以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器以及局域网络等方面得到大量应用。

2.单片机的应用
由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各领域均得到了广泛运用，按照单片机的特点，其应用可分为单片机应用与多机应用。

在一个应用系统中，只使用1片单片机称为单机应用，这是目前应用最多的一种方式。

（1）控制系统。

用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等，达到测量与控制的目的。

如一般温度控制、液面控制、简单生产线顺序控制等。

（2）智能仪表。

用单片机改造原有的测量、控制仪表，促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

如：温度、压力、留量、浓度等的测量、显示、控制仪表，通过采用单片机软件编程技术，不仅能完成测量，而且还具有运算、误差修正、线形化、零漂处理、监控等功能，集测量、处理、控制功能于一体。

（3）机电一体化产品。

单片机与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化。

控制智能化。

这种新一代机电一体化产品如简易数控机床、电脑锈机、医疗器械等。

（4）智能接口。

在计算机控制系统，特别是较大型的工业测、控系统中。

用单片机进行接口的控制管理，加之单片机与主机的并行工作，大大提高了系统的运行速度。

（5）智能民用产品。

如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子称、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中，单片机控制器的引入，不仅使产品的功能大大增强，性能的得到提高。

而且获得了良好的使用效果。

2.1.2 AT89S51单片机
MCS-51系列单片机是美国Inter公司于1980年推出的一种8位单机系列。

该系列的基本产品是8051、8031和8751。

这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。

8051的片内程序存储器（ROM）是掩模型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的应用。

MCS-51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面市以来就获得用户的认可。

Inter公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给公司，如Atmel、Philips、ADI等。

这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。

本设计中采用的Atmel公司的AT89S51芯片，它与MCS51单片机指令兼容，同时它的内部包含用作程序存储器的4KB的基于FLASH技术的只读存储器。

采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。

1.AT89S51单片机的特性
Atmel公司的AT89D51芯片具有以下特性：
指令集和芯片引脚与Inter公司但8051兼容；
4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；
时钟频率为0~33MHz；
128字节片内随机读写存储器（RAM）；
32个可编程输入/输出引脚；
2个16位定时/计数器；
6个中断源，2级优先级；
全双工串行通信接口；
监视定时器；
2个数据指针；
2.AT89S51 单片机的封装形式
AT89S51单片机具有多种封装形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC42 和TQFP44。

本次设计中采用的是PDIP40封装形式，它的外形如图2.1所示：
图2.1 A T89S51单片机的引脚图
3.单片机的最小应用系统电路
单片机的最小应用系统电路指的是他可以正常工作的简单电路组成，AT89S51单片机的最小应用系统电路图如图 2.3所示。

该系统包含4个电路部分。

（1）供电电路
引脚VCC接+5V电源，引脚GND接地线。

为提高电路的抗干扰能力，一个0.01μF的瓷片电容和一个10μF的电解电容通常被接在引脚VCC和接地线之间，
（2）程序存储器选择电路
如前所述，Atmel公司生产的8051兼容芯片具有多种容量的内部程序存储器的型号，因此在使用中不需要在扩展外部程序存储器，这样在单片机应用电路中引脚EA可以总是接高电平。

（3）时钟电路
AT89S51芯片的时钟频率可以在0~33MHz范围。

单片机内部有一个可以构成振荡器的放大电路。

在这个放大电路的对外引脚XTAL2和XTAL1接上晶体和电容就可以构成时钟电路。

图2.2所示的时钟电路
有晶体CRY和电容C2与C3组成。

单片机的时钟频率取决于晶体CRY的频率，如果采用面包板来组装单片机应用电路，晶体CRY的推荐值为12MHz以下。

电容C2和C3的取值范围为30PF~50PF。

时钟电路采用晶体的目的是提高时钟频率的稳定性。

（4）复位电路
对于AT89S51芯片，如果引脚RST保持24个时钟周期的高电平，单片机就可以完成复位。

通常为了保证应用系统可靠地复位，复位电路引脚RST保持1ms以上的高电平。

只要引脚RST保持高电平，单片机就循环复位。

当引脚RST 从高电平变为低电平，单
片机退出复位状态从程序空间的0000H地址开始执行用户程序
图2.2 A T89S51单片机最小应用系统电路
图2.2所示的复位电路有C1和R1组成。

当系统加电时，由于C1两端的电压不能突变，因此引脚RST为高电平，单片机进入复位状态。

随着C1充电，它两端的电压上升，使得引脚RST上的电压下降，最终使单片机退出复位状态。

2.2 模拟部分电路设计
在1.1所示的智能数字电压表的框图中，将输入电路和A/D转换器两部分合称为模拟部分，智能数字电压表的许多技术指标都由模拟
部分来决定。

2.2.1 输入电路
图2.3 量程标定电路原理
输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程转换。

其核心是是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路，如图2-3所示。

S 为继电器开关，控制100：1衰减器接入电。

VT1~VT3是场效应管模拟开关，控制放大器不同的增益。

继电器开关，VT1，VT3在微机发出的控制信号的控制下，形成不同的通、断组态，构成0.2V ，2V ，20V ，200V 四个量程几自测状态。

各组分析如下：
1. 0.2V 量程 VT2导通，放大器被接成电压负反馈放大器，其放大倍数f A 及最大输出电压max o U 分别为：
f A = 5
54R R R +=101090+=10 （2-1） max o U =0.2×10=0.2V （2-2）
2. 2V 量程 VT1导通，放大器被接成跟随器，放大倍数为到，此时
max o U =2×1=2V （2-3）
3. 20V 量程 继电器开关吸合S ，使100：1衰减器接入，同时VT2导通，放大器被接成电压负反馈放大电路，其放大倍数f A 及最大输出电压max o U 为
f A =5
54R R R +=101090+=10 （2-4） max o U =20×100
1×10=2V （2-5） 4. 200V 量程 继电器S 吸合，使100：1衰减器接入，同时VT1导通，放大电路接成跟随器，放大倍数为1，此时
max o U =200×100
1×1=2V （2-6） 电压表的输入阻抗Zi 是指从智能数字电压表两个输入端子看进去的等效电阻。

输入阻抗愈高，由仪表引入误差愈小。

同时仪器对被测电路的影响也就愈小。

由上述计算可见，送入A/D 转换器的输入电压为0V-2V ，同时由于电路被接成电压负反馈形式并且采用了自举电路， 0.2V ，20V 两挡的输入阻抗高达10000M Ω，2V ，200V 挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 M Ω。

输入阻抗较大，仪器的误差小。

在本次设计中用P2.3控制继电器S ，用P2.4控制VT1，用 P2.5控制VT2。

当VT2，VT3导通，继电器S 吸合时，电路组态为自测试状态。

此时放大器的输出应为-2V 。

仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比较；若两者之差在6%内，即认为放大器工作正常。

2.2.2 A/D 转换电路
智能数字电压表所处理的对象是模拟量。

而智能数字电压表的核心---微处理器能接受并处的是数字量，因此被测模拟量必须先通过A/D 转换器转换成数字量，并通过适当的接口送入微处理器
1. A/D 的技术指标
（1）分辨率与量化误差
分辨率是衡量A/D 转换器分辨、输入模拟量最小变化的技术指标。

A/D 转换器的分辨率取决于A/D 转换器的位数，所以习惯上以输出二进制或BCD 码位数来表示。

量化误差是由于A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误差，其大小在理论上为一个单位分辨力，所以量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以见效量化误差。