基于单片机的数字电压表的设计与仿真.docx
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基于单片机的数字电压表的设计与仿真
基于单片机的数字电压表的设计与仿真
摘要
本文介绍一种基于AT89S52单片机的一种电压测量电路,该电路采用模/数转换芯片ADC0808，它具有转换速度快、高精度、单极性、调整VREF可改变其动态范围的特点。
测量范围直流0-5V，使用LCD液晶模块显示，可以与PC机进行串行通信。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了双积分电路的原理，AT89S52的特点，ADC0808的功能和应用，LCD1602的功能和应用。
该电路设计新颖、精度高、可扩展性强。
关键词：
电压测量;单片机;ADC0808；LCD1602
Abstract
Theintroductionofacost-basedAT89S52MCUavoltagemeasurementcircuits,thecircuitsused.ADC0808,speed,highprecision,unipolar,VREFcanbechangedtoadjustthedynamicrangecharacteristics.MeasuringrangeDC0-5V,theuseofLCDliquidcrystaldisplaymodulethatcancommunicatewiththePCserialmachine.Textgivesthesoftwareandhardwaresystemsfocusedonvariouspartsofthecircuit,introducingtheprincipleofdoubleintegralcircuit,AT89S52features,ADC0808featuresandapplications,LCD1602featuresandapplications.Theinnovativecircuitdesign,highaccuracy,scalability,strong.
Keywords:
Voltagemeasurement;microcomputer;ADC0808;LCD1602
1．设计内容及要求
1.1设计目的及主要任务
1.1.1设计目的
（1）学会根据已学知识设计具有某一特定功能的电路。
（2）学会基本电路的组装与调试。
（3）掌握集成电路基础知识，并且能熟练应用于工程设计。
（4）掌握数字电压表的原理及设计方法。
1.1.2设计任务及主要技术指标
设计一个量程为5V、精度为0.05V的数字电压表，用三位数字显示。
当被测电压超出测量范围时报警。
（用LED显示）
③确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
④用Proteus软件完成仿真。
⑤查阅至少5篇参考文献。
⑥按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
1.2设计思想
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，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。
重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。
2.电路工作原理分析、方案论证和确定
2.1电路工作原理分析
如图1所示，模拟电压经过分压电路衰减后，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1原理框图
2.2方案论证
2.2.1方案一
采用双积分式A/D转换器CC7106、CC4070、LCD，以及外围电路构成数字电压表。
它由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器A、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。
由图可见，模拟电路和数字电路是互相联系的，有逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。
图2数字电压表组成框图
2.2.2方案二
采用AT89S52单片机和A/D转换芯片ADC0808作为核心器件，用LCD1602作为显示模块，以及一些外围电路构成数字电压表。
ADC0808具有转换速度快、高精度、单极性、调整VREF可改变其动态范围的特点。
可以与PC机进行串行通信。
图3数字电压表系统框图
2.3方案确定
方案一虽然有应用技术成熟，系统可靠性高等诸多优点，但电路过于复杂。
方案二使用单片机作为控制核心，整个系统具有极为灵活的可编程性，外部电路也比较简单，精度也符合设计的要求。
故采用方案二。
3.单元电路设计、参数计算及器件选择
3.1A/D转换芯片ADC0808的应用
1.转换方式
ADC0808采用逐次逼近式ADC工作原理。
图4ADC0808/9芯片的引脚图
引脚介绍：
：
主电源输入端。
REF（+）、REF（-）：
基准电源输入端，使用中REF（-）一般接地，REF（+）最大可接+5.12V，要求不高时，REF（+）接VCC的+5V电源。
GND：
模拟地数字地共用的接地端。
CLK：
时钟输入引脚，时钟频率范围10KHz～1280KHz，典型值640KHz，此时转换时间约为100us。
IN0～IN7：
8路模拟量单极性电压的输入引脚。
ADDA、ADDB、ADDC：
8选1模拟开关的三位通道地址输入端,用来选择对应的输入通。
ALE：
为通道地址锁存允许选通控制端，输入上跳沿有效；它有效时，C、B、A的通道地址值才能进入通道地址锁存器，ALE下跳为低电平（无效）时，锁存器锁存进入的通道地址。
START：
启动A/D转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿后，ADC开始逐次比较；也可将START与ALE连接在一起使用，安排一个CPU写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（码）被写入通道地址锁存器，下降沿启动A/D转换，参见时序图。
EOC：
ADC转换状态输出信号引脚，未启动转换时，EOC为高电平，启动转换后，正在逐次逼近比较期间EOC为低电平，低电平持续时间为A/D转换时间，约100us（与时钟频率有关），一旦转换完毕，EOC端上跳为高电平，此信号可供CPU查询或向CPU发中断。
2-1～2-8：
8位数字量输出引脚，2-1为d1（MSB），
为d8（LSB），它是三态输出数据锁存器的输出引脚，未被选通时，8个引脚对片内均为高阻断开；因此可与系统数据总线D7～D0直接相连。
OE：
数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；它有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数字量各位被送到2-1～2-8引脚上；它无效时，2-1～2-8浮空（高阻隔离）；显然OE端必须设置一个CPU读数据的端口地址，未访问时，必须为低电平。
单极性：
ADC0808本身是单极性转换器，也可以通过外偏置电路方法，变成双极性输入电压的A/D转换器。
图5ADC0808的原理框图
2.电路结构
ADC0808是一款8位逐次比较型A/D转换器，其结构框图如图4所示。
它由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。
图6逐次比较型A/D转换器框图
3.工作原理
逐次逼近式转换过程和用天平称物重非常相似。
天平称重物过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体行进比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。
再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。
照此一直加到最小一个砝码为止。
将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。
仿照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。
对图6的电路，它由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使时序产生器的最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将10000000，送入D/A转换器。
输入电压首先与D/A器输出电压（VREF/2）相比较，如v1≥VREF/2，比较器输出为1，若vI比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。
然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。
如最高位已存1，则此时Vo=（3/4）VREF。
于是v1再与（3/4）VREF相比较，如v1≥（3/4）VREF，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则Vo=VREF/4，与Vo比较，如V1≥VREF/4，则Dn-2位存1，否则存0……。
以此类推，逐次比较得到输出数字量。
图6电路为8位A/D转换器，例如，输入模拟量vA=6.84V，D/A转换器基准电压VREF=10V。
根据逐次比较D/A转换器的工作原理，可画出在转换过程中CP、启动脉冲、D7～D0及D/A转换器输出电压
Vo的波形，如图6所示。
由图7可见，当启动脉冲低电平到来后转换开始，在第一个CP作用下，数据寄存器将D7～D0=10000000送入D/A转换器，其输出电压Vo=5V，VA与Vo比较，VA>Vo存1；第二个CP到来时，寄存器输出D7～D0=11000000，Vo为7.5V，VA再与7.5V比较，因VA<
7.5V，所以D6存0；输入第三个CP时，D7～D0=10100000，v0=6.25V；VA再与Vo比较。
如此重复比较下去，经8个时钟周期，转换结束。
由图中Vo的波形可见，在逐次比较过程中，与输出数字量对应的模拟电压Vo逐渐逼近VA值，最后得到A/D转换器转换结果D7～D0为10101111。
该数字量所对应的模拟电压为6.8359375V，与实际输入的模拟电压6.84V的相对误差仅为0.06%。
图78位逐次比较型A/D转换器波形图
4.特点
（1）转换速度：
速度快。
（2）调整VREF，可改变其动态范围。
3.2测量控制电路
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
由于AT89S52单片机诸多优点，故我们采用其作为控制芯片。
测量的基本原理是：
待测电压通过一个分压电阻输入A/D转换芯片ADC0808进行A/D转换，然后将转换结果送到单片机AT89S52进行处理并输出，最后用LCD1602显示测量的结果。
由单片机AT89C52、晶体振荡器、复位电路构成了主处理电路—即最小系统电路；这部分电路作为检测仪的工作过程的“总指挥”，起着控制、计算、判断等主要作用。
图8最小系统主控电路
AT89S52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
并采用12M晶振组成振荡电路。
3.3液晶显示部分与AT89S52的接口
如图9所示：
用AT89S52的P2口作为数据线，用P0.1、P0.2、P0.3分别作为LCD的E、R/W、RS。
其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：
显示模块初始化：
首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为2行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁，最后设置为正向增量方式且不移位。
向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示。
首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时1ms，判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。
图9LCD与AT89S52的接口框图
4.电路安装与调试
安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。
调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使之达到性能的改善。
测试是采用电子仪器测量相关点的数据，以便准确判断设计电路的性能。
装配前必须对元器件进行性能参数测试。
根据设计任务的不同，有时需进行印制电路板设计制作，并在印制电路板上进行装配调试。
按照电路图将元器件摆放在通用板上，以确定元器件的大致位置，接着使用电烙铁将各个元件焊接在电路板上，确保焊接过程中无元件损坏，接着开始焊接连线，从电路最左边开始一级一级焊接，每焊接一级便用万用表测试一下此级中有无损坏的元件或是连线错误[6]。
5软件仿真
ProteusISIS是英国LabcenterElectro-nics公司开发的一款电路分析与实物仿真软件，该软件集单片机和SPICE分析于一身，具有强大的原理图绘制和软件调试功能。
鉴于ProteusISIS极其强大功能和使用的便捷性，最终我们选用了它作为仿真软件。
单片机AT89S52的程序用C语言编写，其内部有8KB的FLASHROM（闪速EEPROM）,所以单片机内部最多可以固化8KB的程序代码。
此外，AT89S52具有强大的加密功能和不可破译性。
系统软件由主程序和若干子程序构成，包括LCD驱动子程序、显示子程序和测试子程序。
这样的程序编写不仅提高了单片机的运行效率，也容易查找程序的运行结果。
程序流程框图如图10所示。
图10主程序流程图
图11数字电压表仿真截图
6.课程设计心得体会
这次课程设计历时两个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
虽然这只是一次的极简单的课程制作（数字频率计），可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！
通过这次课程设计，我想说：
为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，在这几天工作的日子里，我们有说有笑，相互帮助，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这几天的实习。
这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，当我们连好线，按下按钮，LCD亮了起来，我们的心中就不免兴奋，不免激动。
以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
7．元件清单
表1元件的规格
名称
序号
型号参数
数量
贴片电阻
R1
4.7kΩ
5
R2
10kΩ
1
四位共阳数码管
LED
SR410361K
1
三级管
PNP
S8550
5
单片机
PIC
AT89s52
1
蜂鸣器
BZ
5V
1
石英晶振
HC-49U
12M
1
按键开关
K
1
瓷片电容
C
30pF
2
铝电解电容
C
10uF/25V/10A
1
电路板
通用型大锡板
1
电线
若干
参考文献
[1]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）北京：
北京航空航天大学出版社，2004.
[2]吴金戌，沈庆阳.8051单片机实践与应用.北京：
清华大学出版社，2002
[3]焦宝文.课程设计指南.北京：
电子工业出版社 ,2005年09月
[4]高峰.单片微型计算机与接口技术.北京：
科学出版社，2003
[5]康华光.电子技术基础.北京：
高等教育出版社,2006年01月
[6]龙海燕.现代电子技术.北京：
电子工业出版社，2004
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