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基于单片机的双机通信数字电压表.rar

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    编号:20181030002153103    类型:共享资源    大小:1,011.79KB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 单片机 双机 通信 数字 电压表
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    杭州电子科技大学本科毕业论文本 科 毕 业 论 文(2013 届)题 目 基于单片机的双机通信数字电压表摘 要在日常的生活,学习和科研活动中电压作为一个最常被测量的物理量起着举足轻重的作用,作为一个如此重要的参量,电压的测量方式对其有很大的影响。在以数字化、智能化、科技化为主的今天,数字电压表以其高精度、高抗干扰能力、高扩展性、高集成能力和方便的数据传输,逐步取代指针式电压表成为电压测量的主流方式。本论文主要对数字电压表的发展历史和趋势,单片机的发展历史和趋势,单片机的应用,单片机的外部电路,单片机之间的数据传输,数码管显示电路,硬件制作和软件设计进行分析。经过实验的证明,本论文设计的基于单片机的双机通信数字电压表无论在功能还是实际应用上都具有传统指针电压表无法比拟的优点。它可以被广泛地应用于学校、科研、国防等各个领域,为推动数字信息化作出应有的贡献。关键词:PIC16F877A;数字电压表;电压;双机通信;数码管显示杭州电子科技大学本科毕业论文杭州电子科技大学单片机课程设计ABSTRACTIn daily life, learning and research activities of the voltage as one of the most frequently measured physical quantity plays an important role. As such an important parameter, voltage measurement has a great influence on it. In the digital, intelligent, technology of today, digital voltmeter with its high precision, high anti-interference ability, high scalability and high integration ability and convenient data transmission, gradually replace the pointer voltmeter has become the mainstream in the voltage measurement. This paper mainly analyze the digital voltmeter development history and trend of application of DVM, MCU development history and trend of application of MCU, MCU external circuit of single chip microcomputer, the data transmission between two MCU, digital display circuit, hardware production and software design are analyzed.After experiments, the digital communication voltmeter of this paper based on MCU both in function and practical application has the traditional pointer voltmeter incomparable advantages. It can be widely used in schools, scientific research, national defense and other fields, and make due contributions to the promotion of digital information.Keywords: PIC16F877A; Digital voltmeter; Voltage; Communication; Digital tube display杭州电子科技大学单片机课程设计目 录1.绪论.......................................................................................................................................11.1 数字电压表的发展历程 ...................................................................................................11.2 国内外的发展现状与趋势 ...............................................................................................21.3 课题的意义和目的 ...........................................................................................................31.4 本文所做的主要工作 .......................................................................................................42.硬件设计...............................................................................................................................52.1 基础设计 ...........................................................................................................................52.1.1 设计指标 ...................................................................................................................52.1.2 器件的选择 ...............................................................................................................52.2 单片机介绍 .......................................................................................................................52.2.1 单片机基本介绍 .......................................................................................................52.2.2 单片机基本结构 .......................................................................................................62.2.3 采用 PIC16F877A 的原因 ........................................................................................72.2.4 PIC16F877A 芯片主要性能参数 .............................................................................82.3 总体设计 ...........................................................................................................................92.4 仿真电路图及工作过程简介 .........................................................................................102.5 总体制作流程 .................................................................................................................112.6 双机通信 SPI 介绍 .........................................................................................................112.6.1 主控发送模式 ........................................................................................................122.6.2 主控接收模式 ........................................................................................................133.软件设计.............................................................................................................................153.1 总体设计流程 .................................................................................................................153.2 编程语言的选择 .............................................................................................................163.3 主要模块简单程序 .........................................................................................................174.开发环境介绍.....................................................................................................................20参考文献...................................................................................................................................22杭州电子科技大学单片机课程设计11.绪论1.1 数字电压表的发展历程数字电压表(digital voltmeter)简称 DVM。市一中利用模—数转换原理测量电压值,并以数字形式显示测量结果的仪表。它是诸多数字化仪表的基础与核心,电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这就明确区别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法。避免了读数因视差和视觉疲劳而产生的误差。目前,A/D 转换器是数字电压表的内部核心部件,转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。数字电压表开始出现于 20 世纪 50 年代。那时的数字电压表的特点是运用各种原理来实现数模转换。由于精密点测量的需求,数字电压表开始向高精度、高位数方向发展,于是出现了所谓复合性原理的仪表。如 1971 年日本研制的 TR-6567;1973 年英国研制的 SM-215.从此电压表进入了高精度阶段。在后来,由于电子技术、大规模集成电路及计算机技术的发展,人们很快就研制出了微处理器数字电压表。实现了数字电压表可变程序和数据自动化处理。从性能来看:数字电压表的发展从一九五二年美国 NLS 公司由四位电子管数字电压表精度千分之一到现在已经出现 8 位数字电压表。参数可测量直流电压、交流电压、电流、阻抗等。测量自动化程度不断提高,可以和计算机配合显示、计算结果、然后打印出来。目前世界上美国 FLUKE 公司,在直流和低频交流电量的校准领域居国际先进水平。例如该公司生产的“4700A”多功能校准器和 “8505”危机数字多用电压表,可用 8 位显示,直流精度可达到±5/10 -6,读书分辨力为 0.1μV。带有 A/D 变换模式、数据输出接口形式 IEEE-488。具有比率测量软件校准和有交流电阻、电流选件。还具有高精度电压校准器“5400A” 、 “5200A”、 “5450A”等数字仪表,都是作为一级计量站和国家级计量站使用的标准仪表。还有英国的“7055”数字电压表采用脉冲调制技术。日本横河公司的“2501”型采用三次采样等等在不断的蓬勃发展。从总的发展历程来看:数字电压表自 1952 年问世以来,已有 50 年多年的发展史,大致经历了五代产品。第一代产品是 20 世纪 50 年代问世的电子管数字电压表,第二代产品属于 20 世纪 60 年代出现的晶体管数字电压表,第三带产品为 20 世纪 70 年代研制的中、小规模集成电路的数字电压表。近年来,国内外相继推出有大规模集成电路(LSI)或超大规模集成电路(VLSI)构成的数字电压表、智能数字电压表,分别属于第四代、第五代产品。它们不仅开创了电子测量的先河,更以高准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性而受到人民的青睐。杭州电子科技大学单片机课程设计21.2 国内外发展现状与趋势 这些年来,随着科技化进程的加快,数字电压表作为电压表的一个分支,在近几十年间得到了巨大的发展,构成数字电压表的核心器件已从早起的中小规模电路跨入到大规模 ASIC(专用集成电路)阶段。数字电压表涉及的范围也从传统的测量扩展至自动控制、传感、通信等领域,展示了广阔的应用前景。传统电压表的设计思路主要分为:用电流计和电阻构成的电压表;用中小规模集成电路构成的电压表;用大规模 ASIC(专用集成电路)构成的电压表。这几种电压表的设计方式各有优势和缺陷,分别适用于几种特定的应用环境,同时,也为之后很多特殊功用的电压表的设计提供了借鉴和依据。进入 21 世纪,随着信息大爆炸时代的来临,与信息技术相关方面的发展也一日千里,电压表也经历了从单一测量电压值向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程,特别是随着计算机技术的发展智能化技术必将被更加广泛地使用。因此,将电压表与计算机技术相结合的智能化电压表成为了 21 世纪的新的主题。目前微处理器技术取得了跨越性的进展,一个内含微处理器的电压表意味着计算机技术向电压表等这类仪器仪表的移植,微处理器所具有的软件功能使仪器 呈现出有某种延伸,强化的作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破,其发展潜力十分巨大,这已为 70 年代以来仪表发展的历史所证实。下面从几个方面阐述新型数字仪表的发展趋向。(1)广泛采用新技术,不断开发新的产品随着科学技术的不断发展,高新技术研究成果的广泛采用、跨学科的综合设计、高精尖的制造技术等,使仪器仪表领域发生了根本性的边个。现代仪器仪表作为典型的高科技产品,突破了传统的光、机、电构架,向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展。例如:A/D 转换器。20 世纪 90 年代世界各国相继研发了新的A/D 转换技术。其中有四斜率 A/D 转换技术(美国) 、余数再循环技术(美国) 、自动校准技术(英国) 、固态真有效值转换技术(英国) 、约瑟夫森效应基准源(2 个纳米稳定度) 、智能化专用芯片(80C51 系列,荷兰)等,这些新技术使数字电压表向高准确度、高可靠性及智能化、低成本方向发展。另外,集成电路的发展使电压表只在外围配置少量元器件,即可构成完整的智能仪表,可以完成储存、计算、比较、控制等多项功能(2)向模块化发展新一代数字仪表正向着标准模块化的方向发展。今后许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成,这样可以使整个数字仪表的布局更加合理,给电路设计和安装调试以及维修带来很大的方便。杭州电子科技大学单片机课程设计3(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这两大优点。模拟条图大致可分为液晶条图、等离子光柱显示器和 LED 光柱三大类,依据其不同的使用场所选择不同的显示方式。(4)可扩展能力强例如:直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等还可以附加智能化。可以对直流数字电压表附加计算、保持、测量值比较、时间设定,上、下限设定及自动控制等多种功能。(5)操作简单化集成电路的发展使数字电压表只在外围配置少量元件,即可构成完整的智能仪表,可以完成储存、计算、比较、控制等多项功能。这使得按键变少,操作简单。但是数字电压表并不能完全取代指针式的电压表,在反映电压的连续变化和变化趋势方面不如指针表的直观。这也是亟待解决的问题之一。综上所述,近年来虽然智能仪器仪表有了很大的发展,但是总的看来,硬件的发展在一定程度上是软件无法比拟的,各种新的元器件,集成电路的发展将硬件在智能化仪器仪表中的作用展现得淋漓尽致。然而,智能仪器仪表的内涵是软件,从如今的发展程度来看,软件的作用还远远没有发挥出来。目前智能仪器仪表还处于蓬勃发展时期,数字电压表未来的发展趋势会朝着具有微控制处理芯片的方向,甚至可以与人工智能相结合出现全新的工作模式。1.3 课题的意义和目的在电量的测量中,频率、电压和电流是三个最基本的被测量量,其中电压量是最为经常的被测量。点穴参量的测量技术所射击的范围极广,运用于学校、科研、国防等各种领域,为实验室和工业现场提供测试。而且随着电子技术的不断发展,在数字化、智能化、科技化为主的今天。数字电压表已成为电压表设计的主要趋势,在当前电压测量系统中起着非常重要的作用。更是在需要测量高精度的电压时,数字电压表就是一种必不可少的测量仪器。电气测量中, ,电压是一个非常重要的参数。如何精确地测量模拟信号的电压值,一直是电测仪器研究的内容之一。而数字电压表是通用仪器中被广泛使用的一种测试仪器,很多电量或非电量经变化后都需要数字电压表完成测试。因此,数字电压表被普遍地使用于科研和生产测试中。传统的指针式电压表精度低、功能单一,不能满足数字化时代的需求,采用单片机的数字电压表不仅精度高、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。所以,这种类型的电压表无论在功能和实际应用上都具有传统指针电压表无法比拟的有点,这使得它的开发和应用都具有良好的前景。杭州电子科技大学单片机课程设计4如今是一个信息爆炸的时代,信息之间的传输成为了主流,课题中 pic 单片机的双机通信系统很好地完成了信息之间的传递及共享,此课题还可进一步形成多机之间的数据传递 1.4 本文所做主要工作1. 对系统总体框架进行分析,根据系统所要实现的目标,设计基于单片机的数字电压表的硬件系统,双机之间的数据传输方式,并以模块设计法为依据进行系统各个部分的具体设计。2. 设计基于单片机的数字控制系统,发挥单片机的处理功能强大,运算速度快的特点,对被测电压进行实时检测和显示。3. 利用 protues 软件对数字电压表进行电路仿真,并编写相关程序使数字电压表能够更加合理高效地完成对电压值的测量。4. 加入双机通信后对系统进行整机调试,使得基于单片机的双机通信数字电压表实验结果尽可能满足设计指标。杭州电子科技大学单片机课程设计52.硬件设计2.1 基础设计2.1.1 设计指标在日常工作、教学和科研中,电压表是必不可少的,传统的数字电压表设计通常以大规模 ASIC(专用集成电路)为核心器件,并在其周围辅以一些中、小规模集成电路和显示构件,但是这种设计方式老旧,可扩展能力差,难以满足日益发展的电子工业要求。而本论文中设计的数字电压表以微处理芯片(单片机)为核心器件,具有极高的灵活性、稳定性和可扩展性,而且操作和维修简单,抗干扰能力强,极其适用于工作、教学和科研中使用。由于单片机芯片 PIC16F877A 的限制,本文中设计的滞留数字电压表精度为±0.05V,测量范围为 0~5V。2.1.2 器件的选择PIC16F877A 芯片 2 块OP07CP(运算放大器) 1 个4.0MHz 晶振一个22pf 电容1K 和 10K 电阻七位一体共阳极数码管 2 个2.2 单片机介绍2.2.1 单片机基本介绍单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit) ,常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机,单片机又称单片微控制器,它不是完成莫一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器,控制器,存储器,输入输出设备构成,相当于一个微型的计算机(最小系统) ,和计算机相比,单片机缺少了外围设备等。一块芯片即为一台计算机。它具有体积小、质量轻、价格便宜等优点,为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,它最早是被用在工业控制领域。杭州电子科技大学单片机课程设计6由于单片机在工业控制领域被广泛地应用,使其由仅有 CPU 的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 处理器集成在一个芯片当中,使计算机系统变得更小,更容易集成进更加复杂并且对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 8080 是最早按照这种思想设计出的处理器,当时的单片机都是 8 位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8051,此后在 8051 芯片的基础上发展出了 MCS51 系列单片机。因为其简单可靠的性能及不错的稳定性获得了很大的好评。尽管 2000.年之后 ARM 已经发展出了 32 位主频超过 300M 的高端产品,但是直到现在 8051 的单片机还是在广泛地被使用。在很多方面单片机甚至比专用的处理器更加适合应用于嵌入式系统。相爱年代人类生活中所用的几乎所有的电子产品中都会集成有单片机。包括手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标的电子产品中都要用到单片机。汽车的控制面板中配备有 40 多片单片机,复杂的工业控制系统甚至可能有数百片单片机在同时工作!2.2.2 单片机的基本结构运算器:运算器由运算部件——算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit,简称ALU) 、累加器和寄存器等几部分组成。ALU 的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算,输入来源为两个 8 位数据,分别来自累加器和数据寄存器。ALU 能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作,最后将结果存入累加器。例如,两个数 6 和 7 相加,在相加之前,操作数 6 放在累加器中,7 放在数据寄存器中,当执行加法指令时,ALU 即把两个数相加并把结果 13 存入累加器,取代累加器原来的内容 6。运算器有两个功能:(1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,并且,一个算术操作产生一个运算结果,一个逻辑操作产生一个判决。 控制器:控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成,是发布命令的“决策机构” ,即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有:(1) 从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。(2) 对指令进行译码和测试,并产生相应的操作控制信号,以便于执行规定的动作。(3) 指挥并控制 CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联,并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线,分为数据总线 DB、地址总线 AB 和控制总线 CB。通过输入输出接口电路,实现与各种外围设备连接。 主要寄存器:(1)累加器 A:累加器 A 是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算
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