使用8051微控制器的數(shù)字電壓表
在這個項目中,我將展示如何使用8051單片機(jī)設(shè)計一個數(shù)字電壓表,并解釋其工作原理。電壓表是一種測量儀器,用于測量電網(wǎng)中兩點之間的電壓差。一般來說,有兩種類型的電壓表 - 一個是模擬電壓表,另一個是數(shù)字電壓表。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202304/445266.htm在模擬電壓表中,指針在刻度上移動以表示電壓。數(shù)字電壓表在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的幫助下,直接以數(shù)字顯示電壓。這篇文章解釋了如何用兩種方法設(shè)計數(shù)字電壓表:1)使用8051單片機(jī);2)使用IC L7017。
使用8051單片機(jī)和電壓傳感器的數(shù)字電壓表 圖片1
使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表
這個項目測量0V到25V的輸入電壓。在這里,輸入電壓應(yīng)該是直流電壓,以便在LCD上獲得準(zhǔn)確的輸出。如果你應(yīng)用交流電壓作為輸入,那么在LCD上會看到連續(xù)運行的數(shù)字,因為交流電壓不斷變化。
這個項目的主要部件是8051微控制器,一個電壓傳感器模塊和一個ADC IC ADC0804。在這個項目中,我們使用模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程來顯示電壓。
模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換
在現(xiàn)實世界中,我們大多發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)。為了使用數(shù)字系統(tǒng)處理這些數(shù)據(jù),我們需要將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字,這樣微處理器或微控制器就能理解和處理這些數(shù)據(jù)。
物理量與數(shù)字系統(tǒng)的銜接
換能器: 換能器或傳感器用于將物理量轉(zhuǎn)換為電能。光敏電阻、溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等都是傳感器的例子。
ADC(模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器): ADC將輸入的電氣電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。
數(shù)字系統(tǒng):該系統(tǒng)讀取輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),并在LCD上顯示物理量,以便理解。
這里的ADC IC根據(jù)輸入的電電壓生成輸出的數(shù)字值。8051微控制器讀取這個數(shù)字值并顯示在LCD上。
使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表電路圖
AT89C51微控制器
ADC0804集成電路
25V電壓傳感器
AT89C51編程板
可變電阻(用于演示程序)
直流適配器或電池
使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表電路設(shè)計
在上述電路中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC的數(shù)據(jù)位被連接到PORT2。LCD數(shù)據(jù)引腳連接到控制器的POTR3,控制引腳RS和EN分別連接到P1.6和P1.7。
ADC0804
這是一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片使用逐次逼近法將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它只能接受一個模擬數(shù)據(jù)作為輸入。這個IC的步長是通過改變引腳9的參考電壓來改變的。如果這個引腳沒有連接,VCC將是參考電壓。
當(dāng)步長為5V時,輸入電壓每上升19.53mV,輸出就增加1個值。該芯片的轉(zhuǎn)換時間取決于時鐘源。
ADC特點
0到5V的模擬輸入電壓。
內(nèi)置的時鐘發(fā)生器。
差分式模擬輸入。
可調(diào)節(jié)的參考電壓。
下表顯示了不同參考電壓的不同步長。
在上面的電路圖中,第9針(Vref/2)是開放的,所以輸入電壓跨度可以是0到5V。
步長 = Vref/(2 pow(n))
其中n是分辨率。對于ADC0804,分辨率n=8。數(shù)字輸出可以用以下公式來計算
Dout = Vin/stepsize。
Vin - 模擬輸入電壓
例如,假設(shè)模擬輸入電壓為4V,那么數(shù)字輸出為Dout=4/19.53mV=204。
將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入的步驟
從PORT2讀取ADC值。
#define dat P2
val=dat*0.02;
乘以100后,得到一個三位數(shù)的正整數(shù)值。
val1=val*100;
分開各個數(shù)字并在LCD上打印,包括小數(shù)點。
temp=(((val1/100)%10)+48);
display(temp);
display('.');
temp=(((val1/10)%10)+48);
display(temp);
temp=((val1%10)+48);
display(temp);
電壓傳感器
電壓傳感器模塊是一個簡單的分壓器網(wǎng)絡(luò),將ADC的模擬輸入范圍增加到25V左右。
將電壓傳感器與Arduino的電壓傳感器引腳連接起來
代碼
數(shù)字電壓表電路如何使用8051單片機(jī)工作?
首先將程序刻錄到at89c51單片機(jī)上。
現(xiàn)在按照電路圖給出連接。
在電壓傳感器的輸入端連接一個電池或任何電壓源。
確保最大的模擬輸入電壓應(yīng)小于25V DC。
在電壓傳感器的輸入端連接一個數(shù)字多用表。
現(xiàn)在打開電路板的電源。
現(xiàn)在觀察LCD和數(shù)字多用表,兩者都顯示相同的電壓(或非常相似的電壓)。
如果可能的話,試著慢慢改變模擬輸入電壓?,F(xiàn)在你可以觀察到萬用表和LCD顯示相同的電壓,這樣我們就可以說電壓表工作正常了。
關(guān)閉電路板上的電源。
數(shù)字電壓表電路應(yīng)用
該系統(tǒng)用于測量低電壓應(yīng)用中的電壓。
用于測量玩具電池。
我們可以用這個系統(tǒng)測量物理量,如溫度、濕度、氣體等,只需稍加修改。
數(shù)字電壓表電路的局限性
輸入的模擬電壓范圍應(yīng)該是0到5V。
使用這個系統(tǒng),我們一次只能測量一個模擬輸入值。
使用ICL7107的數(shù)字電壓表電路
電壓表也可以在不使用任何微控制器的情況下設(shè)計。以下是使用L7017集成電路的電壓表電路
在這里,我們設(shè)計了一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,作為數(shù)字電壓表使用,該轉(zhuǎn)換器為低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107,具有內(nèi)部7段解碼器,顯示驅(qū)動器,參考和時鐘。
一個優(yōu)點是這個IC可以直接驅(qū)動非復(fù)用的七段顯示器,而不需要任何外部解碼電路。該電路可以在200mV到2V的范圍內(nèi)測量電壓,間隔為0.001V。
電路背后的原理
這個電路是基于使用ICL7107作為模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的原理。整個操作分為兩個階段--模數(shù)轉(zhuǎn)換和解碼。
模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過積分和參考積分的過程完成的。換句話說,首先對輸入信號進(jìn)行積分,使積分器的輸出成為斜率信號,然后對一個相反極性的參考電壓進(jìn)行積分,使積分器的輸出回到零。
然后用顯示解碼器對得到的數(shù)字代碼進(jìn)行解碼,以驅(qū)動顯示單元。
使用ICL7107的數(shù)字電壓表電路圖
如何設(shè)計數(shù)字電壓表電路?
設(shè)計電路需要適當(dāng)?shù)剡x擇以下的元件:
振蕩電路元件的選擇: 對于48KHz的典型振蕩頻率,振蕩電阻被選擇為100K左右,電容為100pF左右。
參考電容: 參考電容器的值被選擇為0.1uF和1uF之間。這里我們選擇一個0.5uF的電解質(zhì)電容。
自動調(diào)零電容器: 自動調(diào)零電容器的選擇要使其值在0.01uF和1uF之間。這里我們選擇一個0.1uF的電容。
積分電容: 積分電容構(gòu)成了積分電路的一個重要部分。其值由積分周期t、最佳積分電流I和積分電壓Vint決定。對于83mSec的時間周期,4uA的電流和2V的電壓,電容的價值被認(rèn)為是大約0.16uF。這里選擇一個0.22uF的電容。
積分電阻: 這個電阻的值是由滿刻度模擬輸入電壓和最佳積分電流決定的。我們選擇一個500K的電阻,滿刻度的輸入電壓為2V。
如何操作數(shù)字電壓表電路?
該IC由一個+/-5V的雙電源供電。一旦電路通電,通過調(diào)整參考電阻來設(shè)置參考信號。參考電壓需要約為輸入電壓的一半。振蕩元件--電阻和電容決定了該設(shè)備的振蕩或時鐘頻率。
參考電容器被充電到參考電壓。然后,一個反饋回路被關(guān)閉,為自動調(diào)零電容器充電,以便補(bǔ)償電壓的任何波動。隨后,轉(zhuǎn)換器將輸入端的差分電壓在一個固定的時間內(nèi)進(jìn)行積分,這樣積分器的輸出就是一個斜率信號。
然后,一個已知的參考電壓被施加到積分器的輸入端,并允許其斜升,直到積分器的輸出變?yōu)榱恪]敵龌氐搅愕臅r間與輸入信號成正比,數(shù)字讀數(shù)為::
顯示計數(shù)=(Vin/Vref)*1000。
下一個過程包括對數(shù)字計數(shù)進(jìn)行解碼,以產(chǎn)生一個七段兼容信號,從而驅(qū)動顯示器。然后,數(shù)字輸出被顯示在復(fù)用的7段顯示器上。
數(shù)字電壓表電路的應(yīng)用
該電路可用于數(shù)字萬用表,提供測量電壓的數(shù)字讀數(shù)。
它可以用來測量交流和直流電壓。
它可以用來測量物理量,如壓力、溫度、使用傳感器電路和信號調(diào)節(jié)電路的壓力。
它可以用于需要高精度和高分辨率的應(yīng)用中。
數(shù)字電壓表電路的局限性
它只能在低范圍內(nèi)測量電壓。
使用的集成電路是CMOS器件,具有高度的靜態(tài)性。
正負(fù)輸入電壓的參考電壓不同會導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)誤差,即共模誤差。
使用2V的滿刻度負(fù)輸入電壓有時會導(dǎo)致積分器的輸出飽和。
LED驅(qū)動器的內(nèi)部發(fā)熱會導(dǎo)致性能下降。
參考溫度系數(shù)、內(nèi)部芯片耗散和封裝熱阻往往會增加噪聲水平。
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