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江苏联合职业技术学院镇江分院镇江高等职业技术学校毕 业 设 计 （论 文）基于单片机的洗衣机系统控制系 名： 机电一体化 班 级： 0723 姓 名： 印永松 学 号： 072804428 指导教师： 孙雪蕾 指导教师职称： 助教 2012年5月10日目录第一章 数字电压表1 1.1 数字仪表的发展趋势 1 1.2 数字电压表的特点2第二章 软件设计 4 2.1 系统原理及基本框图42.2 功能要求42.3 方案论证42.4 系统硬件电路的设计52.5 A/D转换电路原理62.5.1 A/D转换电路62.5.2 ADC0809转换原理8第3章 系统程序的设103.1初始化程序103.2主程序103.3显示子程序103.4 A/D转换测量子程序113.5调试及性能分析113.5.1 调试与测试 123.5.2 性能分析 12 3.6 控制源程序清单 13结论 19致谢 19参考文献 20基于AT89S52的直流数字电压表设计专业班级：0405班 学生姓名：李莎莎指导老师：张平 职称：工程师摘要： 随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机技术结合A/D转换芯片ADC0809构建了一个直流数字电压表。本文首先简要介绍了设计电压表的特点以及ADC0809；然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了软件的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。关键词 ：数字电压表 ；A/D转换；程序。Based on the design of the digital voltmeter AT89S52 dcAbstract: With the development of science and technology, electronic measurement as the electronic workers must grasp the method of measurement, the precision and functional requirements, and more and more is also high voltage measurement is outstanding, because the most common measuring voltage. In the design of the predecessors to design digital voltmeter, and on the basis of microcontroller technology with the A/D conversion chip ADC0809 constructs A dc digital voltmeter. This paper briefly introduces the features and design the voltmeter ADC0809, Then detailed introduces the design process of dc digital voltmeter, and the hardware and software design of the system is given, and the software design details, including each part of the circuit, and the choice of chip solutions feasibility analysis, etc.Keywords: Digital voltmeter, A/D conversion, Program.引 言 数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本章重点介绍单片A/D 转换器以及程序设计。智能仪器是仪器仪表的一种，近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪表无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及在人工智能向测量技术的移植或应用的过程中，智能仪表将会有更大的发展。测量仪表的智能化为先导，带动了各类仪表的智能化，是现代仪器仪表技术发展的主要趋势。数字电压表是在此基础上发展起来，并被广泛的应用。 第一章 数字电压表1.1 数字仪表的发展趋势 采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。新型数字仪表的发展主要有四个方向： (1)广泛采用新技术，不断开发新产品 (2)向模块化发展 新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。 表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。 (3)多重显示仪表 为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。 模拟条图大致分成三类：液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。LED光柱，它是又多只发光二极管排列而成。这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。 (4) 作简单化 1.2 数字电压表的特点 (1)显示清晰直观，读数准确 传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。 新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种“数字/模拟条图”仪表业已问世。“模拟图条”有双重含义：第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。 智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。 (2)分辨率高，测量范围宽 数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。多量程DVM一般可测量01000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。 (3)扩展能力强 在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。 (4)测量速度快 数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。 (5)输入阻抗高 ，集成度高，微功耗 数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10M10000M，最高可达1T。 并且新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。 (6)抗干扰能力强 5 位以下的DVM大多采用双积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。 第二章 软件程序设计输入电路A/D转换89S52单片机LCD显示通讯模块2 .1系统原理及基本框图如图2.1所示，模拟电压经过档位切换到不同的分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到LCD中显示，同时通过串行通讯与上位机通信。 图2.1系统基本方框图2.2功能要求简易数字电压表可以测量05V范围内的8路输入电压值，并在4位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。其测量最小分辨率为0.02V。2.3方案论证按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机。A/D转换采用ADC0809,系统除能够实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其他A/D转换量的测量和远程测量结果转送等扩展功能。数字电压表系统设计方案框图如图1.1所示。 图1.1 数字电压表系统设计方案框图2.4 系统硬件电路的设计 简易数字电压表测量电路由A/D转换，数据处理及显示控制等组成，电路原理图如图1.2所示。 图1.2 数字电压表电路原理图 A/D转换由集成电路ADC0809完成。ADC0809具有8路模拟输入端口，地址线（第2325脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。第22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。第6叫为测试控制，当输入一个2s宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。第7脚为 A/D转换结束标志，当 A/D转换结束时，第7脚输出高电平。第9脚为A/D转换数据输出允许控制端，当OE脚为高电平时， A/D转换数据从端口输出。第10脚为ADC0809的时钟输入端，利用单片机第30脚的6分频晶振频率，再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、P3.0P3.3端口作为4位LED数码管显示控制，P3.5端口用作单路显示、循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择显示的通道。P0端口用作A/D转换数据读入，P2端口用作ADC0809的A/D转换控制。2.5 A/D 转换电路原理2.5.1 A/D 转换电路 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用双积A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。下面结合图 7.9 的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出 3 位二进制数码的逐次逼近型 AD 转换器。图中的 C 为电压比较器，当时，比较器的输出 ；当时 。 F A 、 F B 和 FC 三个触发器组成了 3 位数码寄存器，触发器 F1-F5 构成环形分配器和门 G 1-G 9 一起组成控制逻辑电路。 转换开始前先将 FA、FB、FC置零，同时将F1-F5组成的环型移位寄存器置成Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 状态。 转换控制信号 U L 变成高电平以后，转换开始。第一个 CP 脉冲到达后， FA 被置成“ 1 ”，而 FB 、 F C 被置成“ 0 ”。这时寄存器的状态 Q A Q B Q C =100 加到 DA 转换器的输入端上，并在 DA 转换器的输出端得到相应的模拟电压 U A (800mV) 。 U A 和u I比较，其结果不外乎两种：若，则 ；若，则。同时，移位寄存器右移一位，使 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5=01000 。 第二个 CP 脉冲到达时 F B 被置成 1 。若原来的( ) ，则 F A 被置成“ 0 ”，此时电压砝码为 400mV ；若原来的() ，则 F A 的 “ 1 ”状态保留，此时的电压砝码为 400mV 加上原来的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变为 00100 状态。 第三个 CP 脉冲到达时 F C 被置成 1 。若原来的，则 F B 被置成“ 0 ”；若原来的，则 F B 的“ 1 ”状态保留，此时的电压砝码为 200mV 加上原来保留的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变成 00010 状态。第四个 CP 脉冲到达时，同时根据这时UB的状态决定 F C 的“ 1 ”是否应当保留。这时 FA、FB、FC 的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为 00001 状态。由于 Q 5 =1 ，于是 FA、FB、FC 的状态便通过门 G 6、 G 7、 G 8 送到了输出端。 第五个 CP 脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 ，返回初始状态。同时，由于 Q 5 =0 ，门 G 6、 G 7、 G 8 被封锁，转换输出信号随之消失。 所以对于图示的 AD 转换器完成一次转换的时间为 ( n +2) T CP 。同时为了减小量化误差，令 DA 转换器的输出产生 -/2的偏移量。另外，图 7.9 中量化单位的大小依 u I 的变化范围和 AD 转换器的位数而定，一般取。显然，在一定的限度内，位数越多，量化误差越小，精度越高。2.5.2 ADC0809转换原理 ADC0809 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 DA 转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。电路如图 7.10 所示。 ADC0809 采用双列直插式封装 , 共有 28 条引脚，现分四组简述如下：（1） 模拟信号输入 IN0 IN7 IN0IN7 为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行 AD 转换。（2）地址输入和控制线 地 址输入和控制线共 4 条，其中 ADDA 、 ADDB 和 ADDC 为地址输入线（ Address ），用于选择 IN0-IN7 上哪一路模拟电压送给比较器进行 AD 转换。 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时， ADDA 、 ADDB 和 ADDC 三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关工作。（3）数字量输出及控制线（ 11 条） START 为“启动脉冲”输入线，该线的正脉冲由 CPU 送来，宽度应大于 100ns ，上升沿将寄存器清零，下降沿启动 ADC 工作。 EOC 为转换结束输出线，该线高电平表示 AD 转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。 为数字量输出线， 为最高位。 OE 为“输出允许”端，高电平时可输出转换后的数字量。（4）电源线及其他（ 5 条） CLOCK 为时钟输入线，用于为 ADC0809 提供逐次比较所需的 640kHz 时钟脉冲。 V CC 为 +5V 电源输入线， GND 为地线。 + V REF 和 - V REF 为参考电压输入线，用于给 DA 转换器供给标准电压。 + V REF 常和 V CC 相连， - V REF 常接地。第三章 程序设计3.1 初始化程序系统上电时，初始化程序主要来执行70H77H内存单元格0和P2口置0等准备工作。系统程序的设计3.2 主程序在刚上电时，系统默认循环显示8个通道的电压状态。当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间在1S左右，主程序在调用显示子程序与测量子程序之间循环。主程序流程图如图1.3所示。 图3.3主程序流程图3.3显示子程序 显示子程序采用动态扫描法实现4位数码管的数值显示，测量所得的A/D转换数据放在70H77H内存单元中，测量数据在显示时须经过转换成十进制BCD码放在78H7BH单元中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。 3.4 A/D转换测量子程序A/D转换测量子程序是用来控制对ADC0809的8路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H77H内存单元A/D转换测量子程序流程图1.4所示。 图1.4 A/D转换测量子程序流程图 3.5调试与性能分析3.5.1调试与测试 采用Wave或KeilC51 编译器进行源程序编译及仿真调试，同时进行硬件电路板的设计制作，烧录还程序后进行软硬件联调，最后进行端口电压的对比测试。测试对比表如表1.1所列。表中标准电压值采用UT56数字万用表测标准电压值/V0.000.150.851.001.251.751.982.322.65简易电压表测得值/V0.000.170.861.021.261.762.002.332.66绝对误差/V0.00+0.02+0.01+0.02+0.01+0.01+0.02+0.01+0.01标准电压值/V3.003.453.554.004.504.604.704.814.90简易电压表测得值/V3.013.473.564.014.524.624.724.824.92绝对误差/V+0.01+0.02+0.01+0.01+0.02+0.02+0.02+0.01+0.02 表1.1 简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表量。 从表1.1中可以看出，简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在0.02V以内。这与采用8位A/D转换器所能达到的理论误差精度相一致，在一般的应用场合可完全满足要求。3.5.2 性能分析（1) 由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0809输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V（5/255）.这就决定了该电压表的最高分辨率（精度）只能达到0.0196V，测试时电压一般以0.02V7的幅度变化。如果要获得更高的精度要求，则应采用12位、13位的A/D转换器。（2) 从表1.1中可以看出，简易电压表测得的值基本上均比标准电压值偏大0.010.02V。这可以通过校正ADC0809的基准电压来解决。因为该电压设计时直接用5V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外，还可以用软件编程来校正测量值。（3) ADC0809的直流输入阻抗为1M ,能满足常用的电压测试需要。另外，经测试ADC0809可直接在2MHz 的时钟频率下工作，这样可省去二进制分频器14024集成块。（4) 当药测量大于5V的电压时，可在输入口实用分压电阻，而程序中只要将计算机程序的出书进行调整就可以了。但是量程越大，测量精度就会越低。3.6 控制源程序清单 主程序和中断程序入口 ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H RETIORG 000BHRETI ORG 0013H RETI ORG 001BH RETIORG 0023HRETIORG 002BHRETI 初始化程序中的各变量 CLEARMEMIO: CLR A MOV P2,A MOV R0,#70H MOV R2,#0DHLOOPMEM: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOPMEM MOV 20H,#00H MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A MOV P3,A RET 主 程 序 START: LCALL CLEARMEMIO ;初始化MAIN: LCALL TEST ;测量一次 LCALL DISPLAY ;显示数据一次AJMPMAINNOP;PC值出错处理NOPNOPLJMPSTART 显 示 控 制 程 序 DISPLAY: JB 00H,DISP11 MOV R3,#08H ;8路信号循环显示控制 MOV R0,#70H ;显示数据初址70H77H MOV 7BH,#00H ;显示通道路数初值DISLOOP1: LCALL TUNBCD ;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H(最大5.00v) MOV R2,#0FFH ;每路显示时间控制 4MS*255DISLOOP2: LCALL DISP ;调四位显示程序 LCALL KEYWORK1 DJNZ R2,DISLOOP2 INC R0 ;显示下一路 INC 7BH ;通道显示数加一 DJNZ R3,DISLOOP1 RETDISP11: MOV A,7BH SUBB A,#01H MOV 7BH,A ADD A,#70H MOV R0,A DISLOOP11: LCALL TUNBCD ;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H(最大5.00v) MOV R2,#0FFH ;每路显示时间控制 4MS*25DISLOOP22: LCALL DISP ;调四位显示程序 LCALL KEYWORK2 DJNZ R2,DISLOOP22 INC 7BH ;通道显示数加一 RET 电压测量（A/D）子程序 一次测量数据8个，依次放入70H-77H单元中TEST: CLR A ;模数转换子程序 MOV P2,A MOV R0,#70H ;转换值存放首址 MOV R7,#08H ;转换8次控制 LCALL TESTART ;启动测试WAIT: JB P3.7,MOVD ;等A/D转换结束信号 AJMP WAITTESTART: SETB P2.3 ;测试启动 NOP NOP CLR P2.3 SETB P2.4 NOP NOP CLR P2.4 NOP NOP NOP NOP RETMOVD: SETB P2.5 ;取A/D转换数据 MOV A,P0 MOV R0,A CLR P2.5 INC R0 MOV A,P2 ;通道地址加1 INC A MOV P2,A CJNE A,#08H,TESTEND ;等8路A/D转换结束TESTEND: JC TESTCON CLR A ;结束恢复端口 MOV P2,A MOV A,#0FFH MOV P0,A MOV P1,A MOV P3,A RETTESTCON: LCALL TESTART LJMP WAIT附录1结 论由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统，以及灵敏度和精度较高的A/D转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。 单片机的应用如今已经在工业、电子等方方面面展示出了它的优越性，利用单片机在设计电路逐渐成了趋势，它与外围的简单电路再加上优化程序就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩。致 谢 本论文在选题及撰写过程中得到张平老师的悉心指导，且多次询问进程。在我撰写论文的过程中，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的细节以及定稿方面，我都得到了张老师悉心细致的教诲和无私的帮助，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中，我也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到同专业朋友支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！附录2参考文献：1 谢自美. 电子线路设计*实验*测试.华中科技大学出版社.2 张友德等. 单片微型机原理、应用和实验.电子工业出版社.3 吴经国等.单片机应用技术. 中国电力出版社.4 李群芳.单片机微型计算机与接口技术.电子工业出版社.5 阉石.数字电子技术基础.高等教育出版社.6 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社.7 周立功.单片机实验与实践.北京航空航天大学出版社.8 刘高锁等.单片机使用技术.
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