基于单片机的数字电压表设计.docx

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基于单片机的数字电压表设计

基于单片机的数字电压表设计

设计总说明

本文详细介绍了一种基于单片机的数字电压表设计方案。

该设计方案主要由四个模块组成：

模拟输入模块，A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。

模拟输入模块会根据待测电压的大小自动选择不同的转换通道，A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量，然后传送到单片机的数据处理模块。

数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示，此外,它还控制着ADC0809芯片工作。

采用该方案设计的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。

此数字电压表可以测量0-20V的1路模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的七段数码管显示出来，具有量程自动转换功能。

关键字:

单片机；A/D转换；数据处理；量程自动转换

DesignofDigitalVoltageMeter

basedonSingle-chipMicrocomputer

DesignDescription

Thispaperwhichintroducesakindofsimpledigitalvoltmeterisbasedonsingle-chipmicrocontrollerdesign.Thecircuitofthevoltagemeterismainlyconsistedoffourmouldpieces:

Anologinputmouldpiece,Anologinputismainlyconvertautomaticallyselectdifferentchannelsaccordingtothesizeofthetestvoltage.A/Dconvertingmouldpiece,A/DconvertingismainlycompletedbytheADC0809,itconvertsthecollectedanalogdataintothedigitaldataandtransmitstheoutcometothemanifestationcontrollingmouldpiece.DataprocessingismainlycompletedbytheAT89C51chip,itprocessesthedataproducedbytheADC0809chipandgeneratestherightmanifestationcodes,alsotransmitsthecodestothemanifestationcontrollingmouldpiece.Also,theAT89C51chipcontrolstheADC0809chiptowork.

Thevoltmeterfeaturesinsimpleelectricalcircuit,loweruseofelements,lowcost,moreover,itsmeasuringprecisionandreliability.Thevoltmeteriscapableofmeasuringvoltageinputsfrom1routerangingfrom0to20volt,anddisplayingthemeasurementsthoughadigitalcodetubeof7piecesofLED,andithasaautomaticrangeconversionfunction.

Keywords:

Single-chipmicrocontroller;Digitalvoltmeter;A/Dconverter;Automaticconversionrange

1绪论

数字电压表简介

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。

而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。

数字电压表（DigitalVoltmeter）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，由各种单片机和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，显示出强大的生命力。

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。

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，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，这有别于传统的从指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

目前数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，本文A/D转换器采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号[1]。

数字电压表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具。

数字电压表的主要技术指标有：

测量范围、输入阻抗、显示位数、测量速度、分辨率。

1）新技术的广泛应用 

20世纪90年代初，世界各国相继研发了新的A/D转换技术。

例如：

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、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。

2）智能化、复合型仪表 

由CMOS数字IC、模拟IC及微处理器集成在一个超大规模集成电路内，只须外围配置少量元器件，即可构成完整的智能仪表，可以完成存储、计算、比较、控制等多项功能。

实际上数字电压表并不能完全取代指针式电压表，在反映电压的连续变化和变化趋势方面不如指针表直观。

为克服这种缺憾，20世纪90年代初“一种数字/光柱”的双重显示仪表开始出现，并成功地应用于生产实践[2]。

课题意义和目的

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。

以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：

温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。

除此之外，数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点：

读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强等。

因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

但是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，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，可是这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求。

而应用微处理器（单片机）为核心单元的数字电压表，其灵活性高、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。

在这些背景下，设计一种以单片机为基础、结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。

2基于单片机的数字电压表的整体设计

设计指标

本课题需要以单片机为基础设计出一种能测量0-20V电压的数字电压表，数字电压表分为0-5V和5-20V两档，档位可以根据待测电压的大小自动切换，分辨率达到0.05V。

系统概述

本课题所设计的数字电压表主要包括两部分：

硬件电路及软件程序。

而硬件电路采用AT公司的AT89C51作为主处理器，系统主要由信号采集、A/D转换、数据处理输出、驱动显示等几个功能模块组成,整个硬件电路的软仿真在Proteus环境下完成，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用C语言编程，利用Keil软件对其编译和仿真，详细的设计算法将会在程序设计部分介绍。

图21数字电压表系统框图

系统框图如下：

图2-1系统框图

被测直流电压先经过量程选择电路选择合适的量程，再由A/D转换单元通过相应的通道采集和量化，接着由单片机对A/D转换的结果进行标度变换，得到被测电压的数值，通过单片机串行数据接口把所得数值输出给显示驱动单元，由该单元完成译码，并驱动数码管显示。

硬件电路图如下：

图22硬件电路图

在电路设计和软件设计中都采用了分模块设计，这种设计方法为以后的调试和维修带来了极大的方便。

特别是在软件设计中，这种方法增强了程序的可移植性，为以后的功能扩展奠定了基础。

3基于单片机数字电压表的硬件设计

器件的选择

单片机AT89C511块

模数转换器ADC08091块

显示驱动74HC2451块

AD转换时钟信号74HC741块

四位一体数码管HS420561K-321块

继电器模块SRD-05VDC-SL-C1块

升压模块

12M晶振1个

30pF电容2个

10uF电解电容1个

按键开关1个

300Ω电阻1个

100Ω电阻3个

200Ω电阻1个

1KΩ电阻1个

10KΩ电阻1个

量程选择电路

量程选择电路是本课题的核心环节，由于ADC0809只能转换0V-5V的电压，要达到对20V待测电压的测量，就必须进行降压，但不能对任何输入电压都降压处理，因为如果待测电压过小，再进行降压处理，最后得到的电压必然精度降低。

因此，将待测信号分为0V-5V，5V-20V两档，0V-5V将直接进入A/D转换进行测量，5V-20V信号通过分压网络进行分压，使其范围落在0V-5V，然后进入A/D转换进行测量。

3.1.1重要元器件介绍

LM393介绍

LM393是双电压比较器集成电路。

主要性能参数：

比较器数:

2

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源：

±1～±18V；

消耗电流小，ICC=0.8mA；

输入失调电压小，VIO=±2mV；

共模输入电压范围宽，VIC=0～VCC-1.5V；

图31LM393引脚图

其引脚图（内部结构图）如下：

3.1.2量程选择电路

R2和R3对输入信号进行分压，R5、R6和R18产生1.25V的基准源，LM393构成比较器，当正端大于负端输入时将输出高电平（+5V）,当正端小于负端输入时将输出低电平（0V）;RL1为常闭继电器，NPN三极管组成开关电路，当LM393输出高电平时，三极管导通，电流经R17和三极管流向继电器源绕组从而关断继电器。

通过上述分析，不难得出：

当输入信号小于5V时，电阻R3端电压小于1.25V，LM393输出低电平，三极管截止，继电器导通，信号直接传递至A/D转换器的通道0；当输入信号大于5V而小于20V时，电阻R3端电压大于1.25V,LM393输出高电平，三极管导通，继电器截止，跳转到常开端口，信号经R2和R3分压后，转变为0V-5V信号传递至A/D转换器的通道1。

同时单片机引脚P3.3和ADC0809引脚ADDA变为高电平。

A/D转换电路

3.1.3A/D转换芯片的选择

A/D转换电路是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。

随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同