單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（一）

1.引言

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測量，而電壓的測量最為常見，現(xiàn)在學(xué)生使用的數(shù)字萬用表能夠測量多種電量，并且具有一定的精度，使用方便。為了讓學(xué)生更好地了解數(shù)字電壓表的工作原理，從而激發(fā)他們對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣，本文從軟硬件設(shè)計(jì)、proteus仿真、制作實(shí)物、誤差分析幾個(gè)方面著手，闡述數(shù)字電壓表的工作原理、數(shù)據(jù)的程序處理方法、數(shù)字信號(hào)軟件濾波原理。

2.硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)由4個(gè)部分組成：a/d轉(zhuǎn)換電路，at89c51單片機(jī)系統(tǒng)，led顯示系統(tǒng)、測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其總設(shè)計(jì)框圖如下：

此電路的工作原理是：+5v模擬電壓信號(hào)通過變阻器vr1分壓后由adc08008的in0通道進(jìn)入（由于使用的in0通道，所以 adda，addb，addc均接低電平），經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出通道d0-d7傳送給at89c51芯片的p0 口，at89c51負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)碼管的顯示段碼傳送給四位led，同時(shí)它還通過其四位i/o口p2.0、 p2.1、p2.2、p2.3產(chǎn)生位選信號(hào)控制數(shù)碼管的亮滅。

簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，就可以選取相應(yīng)的芯片和元器件，利用proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細(xì)地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對(duì)電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，a/d轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，如圖2所示。

整個(gè)程序設(shè)計(jì)的核心在于對(duì)a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)字濾波處理，數(shù)據(jù)小數(shù)位數(shù)的處理等。a/d轉(zhuǎn)換子程序用來控制對(duì)輸入的模塊電壓信號(hào)的采集測量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。

顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí)，要使得led顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l 率，當(dāng)掃描頻率在70hz左右時(shí)，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10MS對(duì)led進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位led的顯示時(shí)間為1MS。

4.結(jié)果及誤差分析

由于單片機(jī)at89c51為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00v時(shí)，adc0808輸出數(shù)據(jù)值為255（ffh），因此單片機(jī)最高的數(shù)值分辨率為0.0196v（5/255）。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196v，從表1可看到，測試電壓一般以0.01v的幅度變化。

當(dāng)in0口輸入電壓值為13.5v時(shí)，顯示結(jié)果如圖3所示。測量誤差為0.1v。

從表1可以看出，簡易數(shù)字電壓表測得的值基本上比標(biāo)準(zhǔn)電壓值偏大0-0.01v，這可以通過校正adc0808的基準(zhǔn)電壓來解決或者通過軟件校準(zhǔn)的方式來降低誤差。因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時(shí)直接用5v的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當(dāng)要測量大于5v的電壓時(shí)，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只 要將計(jì)算程序的除數(shù)進(jìn)行調(diào)整就可以了。

從測試的數(shù)據(jù)看，其絕對(duì)誤差均控制在1v以下，而相對(duì)誤差均在1%以下，能夠滿足大部分場合應(yīng)用的需要，如采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納的方法，將得出的數(shù)據(jù)繪制成曲線，再使用更為合理的算法，將得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（二）

利用單片機(jī)AT89S51與ADC0809設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，能夠測量0－5V之間的直流電壓值，四位數(shù)碼顯示，但要求使用的元器件數(shù)目最少。

電路原理圖

系統(tǒng)板上硬件連線

a）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0－P1.7與“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端口用8芯排線連接。

b）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0－P2.7與“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排線連接。

c）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的ST端子用導(dǎo)線相連接。

d）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.1與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的OE端子用導(dǎo)線相連接。

e）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.2與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導(dǎo)線相連接。

f）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.3與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的CLK端子用導(dǎo)線相連接。

g）把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導(dǎo)線連接到“電源模塊”區(qū)域中的GND端子上。

h）把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的IN0端子用導(dǎo)線連接到“三路可調(diào)電壓模塊”區(qū)域中的VR1端子上。

i）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0－P0.7用8芯排線連接到“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（三）

這是由ICL7129單片CMOSIC構(gòu)成的四位半數(shù)顯電壓表，配有矩陣多路掃描（100Hz）LCD（液晶顯示）數(shù)顯器，特別適用于制作高分辨率袖珍式萬用表。具有自動(dòng)調(diào)零功能而不需要外接調(diào)零電容，僅需要9V電源（電池），耗電流僅1mA，變換速度為2次/秒，直接輸入模擬電壓的量程為正負(fù)200mV，分辨率最高為10uV，具有電源電壓低于7.2V時(shí)的識(shí)別報(bào)警及顯示功能?？衫肙R/UR端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，共模抑制比為11dB。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（四）

由HI7159A和單片機(jī)8031等元件構(gòu)成的智能化數(shù)字電壓表電路如圖所示。該電路內(nèi)部采用逐次累加式積分、數(shù)字調(diào)零、低噪聲BIMOS等先進(jìn)技術(shù)。在51/2位工作模式下最大計(jì)數(shù)值為199999，準(zhǔn)確度為±0.005％。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（五）

利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)0～5V之間的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，以兩位數(shù)碼管顯示，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。

1.總體方案

數(shù)字電壓表電路組成框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)中需要用到的電路有電源電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路等。設(shè)計(jì)中需要用到的芯片有AT89C51單片機(jī)、ADC-0808、74LS74、LED數(shù)碼管等。

2.數(shù)字電壓表的Proteus軟件仿真電路設(shè)計(jì)

待測電壓輸入信號(hào)在ADC0808芯片承受的最大工作電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)控制電路進(jìn)行程序數(shù)據(jù)處理，然后通過七段譯碼/驅(qū)動(dòng)顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示輸入電壓。

硬件電路原理圖如圖2所示。

AT89C51單片機(jī)和數(shù)碼管顯示電路的接口設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)0～5V之間的直流電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)0～FF，以兩位數(shù)碼管顯示。Proteus軟件啟動(dòng)仿真，當(dāng)前輸入電壓為2．5V，轉(zhuǎn)換成數(shù)字值為7FH，用鼠標(biāo)指針調(diào)節(jié)電位器RV1，可改變輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808的電壓，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。

在Proteus軟件中設(shè)置AT89C51單片機(jī)的晶振頻率為12MHz。本電路EA接高電平，沒有擴(kuò)展片外ROM。

A/D轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器采用集成電路ADC0808。ADC0808具有8路模擬量輸入信號(hào)IN0～I(xiàn)N7（1～5腳、26～28腳），地址線C、B、A（23～25腳）決定哪一路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本電路將地址線C、B、A均接地，即選擇0號(hào)通道輸入模擬量電壓信號(hào)。22腳ALE為地址鎖存允許控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。6腳START為啟動(dòng)控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換開始。本電路將ALE腳與START腳接到一起，共同由單片機(jī)的P2．0腳和WR腳通過或非門控制。7腳EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，7腳輸出一個(gè)正脈沖，此信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號(hào)或向CPU申請(qǐng)中斷的信號(hào)，本電路通過一個(gè)非門連接到單片機(jī)的P3．2腳。9腳OE為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制信號(hào)，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，允許讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。該OE腳由單片機(jī)的P2．0腳和RD腳通過或非門控制。10腳CLOCK為ADC0808的實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)30引腳ALE的六分頻晶振頻率得到時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字量輸出端8個(gè)接到單片機(jī)的P0口。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（六）

利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊、報(bào)警電路等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓。模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號(hào)，通過一定的算法計(jì)算出被測量電壓的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好的被測電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示，如果電壓值大于設(shè)定值就報(bào)警。電路原理框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)原理框圖

單元電路設(shè)計(jì)

ADC0808與單片機(jī)的接口

ADC0808與AT89C51單片機(jī)的連接如圖2所示，從圖中可以看到，把ALE信號(hào)與START信號(hào)接在一起了，這樣連接使得在信號(hào)的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬通道選擇信號(hào)A、B、C分別接P3.4、P3.5、P3.6，此外，通道地址選擇以P3.1作寫選通信號(hào)。

顯示電路

數(shù)碼管與單片機(jī)接口如圖3所示，從圖中可以看出，單片機(jī)的P1口接數(shù)碼管的七段發(fā)光管，P2.0—P2.3段選碼。

報(bào)警電路

當(dāng)測定值超出預(yù)設(shè)值5V時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲音并亮紅燈，提示超出量程。報(bào)警系統(tǒng)使用SPEAKER發(fā)出蜂鳴聲來仿真。報(bào)警系統(tǒng)與單片機(jī)接口電路如圖4所示。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（七）

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

CD4051是8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4．5～20V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號(hào)選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路圖如圖1所示。

單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字電壓表采用MSP430F427為主處理器，除包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的主控制芯片、3．3V電源電路、16MHz時(shí)鐘電路（內(nèi)部帶有看門狗）、外部復(fù)位電路外，主要選用其信號(hào)采集、LCD顯示、按鍵電路、JTAG接口電路、輸出控制接口電路等模塊組成。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（八）

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：89C51單片機(jī)系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路。測量最大電壓為5V，顯示最大值為5V。圖1是數(shù)字電壓表硬件電路原理圖。

單片機(jī)數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案（九）

本設(shè)計(jì)硬件電路大體可分為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、穩(wěn)壓電路、A／D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)碼顯示電路，其原理圖如圖1所示，由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、控制靈活等特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心器件，ADC0809作為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用。