数字电压表设计.docx

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数字电压表设计

第1章绪论

1.1.课题研究的背景及意义

数字电压表出现在50年代初,60年代末发起来的电压测量仪表,简称DVM,它采用的是数字化测量技术,把连续的模拟量,也就是连续的电压值转变为不连续的数字量,加以数字处理然后再通过显示器件显示。

这种电子测量的仪表之所以出现,一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制实验研究的领域,提出了将各种被观察量活被控制量转换成数码的要求,即为了实现控制及数据处理的需要;另一方面,也是电子计算机的发展,带动了脉冲数字电路技术的进步,为数字化仪表的出现提供了条件。

数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造,它刚开始是4位,50多年年来数字电压表有了不断的进步和提高。

数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。

开始是4位数码显示,然后是5位、6位显示,而现在发展到7位、8位数码显示;从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型;从最早的采用维电器、电子管发展到全品体管、集成电路、微处理器化:

从一台仪器只能测测1-2种参数到能测几十种参数的多用型;显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。

数字电压表的体积和功耗越米越小,重量不断变轻,价格也逐步下降,可靠性越米越高,量程范围也逐步扩大。

DVM的高速发展,使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表,数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一,而高准度的DC-DVC的出现,又使DWM进入了精密标准测量领域。

随着现代化技术的不断发展,数字电压表的功能和种类将越米越强,越米越多,其使用范围也会越米越广泛。

采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势,它们将不仅能提高测量准确度,而且提高电测量技术的自动化程序,可以扩展成各种通用数字仪表表、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湖量、工业测量、自动化仪表等各个领域。

从而提高计量检定人员的工作效率

这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解,自己动手设计数字电压表与仿真,它可以广泛的应用于电压测量外,通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量,测量是一种认识过程,就是用实验的方法将被量和被选用的相同参量进行比较,从而确定它的大小,DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。

所示我们要要学习和掌捏如何设计DVM就显得十分重要。

1.2.数字电压表的研究现状

中国数字电压表产业发展研究报告阐述了世界数字电压表产业的发展历程,分析

了中国数字电压表产业发展现状与差距,开创性地提出了“新型数字电压表产业”及替代品产业概念,在此基础上,从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数字电压表产业”及替代产品的内涵。

根据“新型数字电压表产业”及替代品的评价体系和量化指标体系,从全新的角度对中国数字电压表产业发展进行了推演和精准预测,在此基础上对中国的行政区划和四大都市圈的数字电压表产业发展进行了全面的研究。

新型数字仪表的发展主要方向:

（1）广泛采用新技术,不断开发新产品,向模块化发展

（2）显示清晰直观,读数准确传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数,在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

数字电压表则采用先进的数显技术,使测量结果一目了然,只要仪表不发生跳读现象,测量结果是唯一的

（3）扩展能力强,测量速度快,抗干扰自能力强

数字电压表,还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表,以满足不同的需要。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术,进一步提高了抗千扰能力,共模抑制比可达180dB。

（4）分辨率高,测量范围宽

数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称为仪表的分辨力,它反映仪表灵敏度的高低。

分辨力随显示位数的增加而提高。

分辨率是指所能显示的最小数字（零除外y与最大数字的百分比。

多量程DVM一般可测量0-100v直流电压,配上高压探头还可测上万伏的高压

（5）输入阻抗高,集成度高,微功耗

数字电压表具有很高的输入阻抗,通常为10MQ~100000MQ,最高可达1TQ。

并且

新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路,整机功耗很低。

第2章方案

2.1.主要方案

方案一：

硬件电路设计由6个部分组成;A/D转换电路，AT89S51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。

硬件电路设计框图如图1所示。

图1数字电压表系统硬件设计框图

方案二：

用ICL713与单片机AT89C52构成电压表系统。

ICL713的串行方式在实践中应用效果很好。

方框图如图2。

图2电压表系统框图

2.2.方案比较及选择

方案一和方案二在实际应用各有各地特点。

但方案一应用方便，原理易懂，结构简单，器件易购买;方案二中用到ICL713，但不太熟悉。

所以选择方案一。

第3章硬件电路设计

3.1.AD转换电路

电路图如图3所示。

在选择输入端时，是将A、B、C赋值为低电平，选择IN0作为输入端。

图3AD转换原理图

3.2.复位电路

单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。

当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位[1]。

复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。

单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图4是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。

图4复位电路

3.3.时钟电路

单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。

CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。

MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。

本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图5所示。

图5时钟电路原理图

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。

3.4.显示电路

显示电路是显示测量输入电压的数字。

如图6所示。

图6显示电路原理图

3.5.特殊器件介绍

3.5.1.主控芯片AT89S51

单片机AT89S51功能介绍

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，AT89S51芯片引脚图如图7所示。

图7AT89S51芯片引脚图

3.5.2.ADC0808

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域[5]。

ADC0808主要特性:

8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：

128μs；转换精度：

0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0-+5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约15mW。

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图8所示。

图8ADC0808引脚图

下面说明各个引脚功能:

IN0-IN7（8条）：

8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。

地址输入控制（4条）：

ALE:

地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ADDA,ADDB,ADDC:

3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表1所示：

表1ADC0808通道选择表

地址码

对应的输入通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

START：

START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。

EOC:

EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。

D1-D8：

数字量输出端，D1为高位。

OE：

OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。

REF+、REF-:

参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。

Vcc、GND:

Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF与GND连接在一起.

CLK:

时钟输入端。

3.5.3.LED

LED是发光二极管显示器的缩写。

LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。

LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件[6]。

在单片机中使用最多的是七段数码显示器。

LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。

LED引脚排列如下图9所示:

图9LED引脚排列

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择8位一体的数码型LED显示器，简称“8-LED”。

如图10所示。

图3-8LED显示器

图10LED显示器图

第4章软件部分设计

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图11所示。

图11数字式直流电压表主程序框图

4.1.A/D转换子程序

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图12所示。

开始

图12A/D转换流程图

4.2.显示子程序

显示子程序采用动态扫描实现八位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。

在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。

第5章电路仿真

5.1.软件调试

软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。

Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。

Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。

Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与uVisions3IDE工具软件结合进行编程仿真调试[8]。

本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。

5.2.显示结果及误差分析

1.当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图13所示，测量误差为0V。

图13输入电压为0V时，LED的显示结果

2.当IN0输入电压值为1.50V时，显示结果如图14所示。

测量误差为0.01V。

图14输入电压为1.50V时，LED的显示结果

3.当IN0口输入电压值为3.50V时，显示结果如图15。

测量误差为0.01V。

图15输入电压为3.50V时，LED的显示结果

通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表2所示：

表2简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表

标准电压值/V

简易电压表测量值/V

绝对误差/V

0.00

0.50

0.51

0.01

1.00

0.00

1.50

1.51

0.01

2.00

0.00

2.50

0.00

3.00

0.00

3.50

0.00

4.00

0.00

4.99

5.00

0.01

由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0808输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V（5/255）。

这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般以0.01V的幅度变化。

从上表可以看出，简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01V，这可以通过校正ADC0808的基准电压来解决。

因为该电压表设计时直接用5V的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。

当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。

第6章系统调试

完成了系统的硬件设计,制作和软件编程之后,要使系统能够按设计意图正常运行行,必须进行系件和软件调统调试。

调调试分了硬试。

6.1.硬件调试

硬件调试的主要任务是排除硬件故障,其中包括设计的错误和工艺性故障等

1.检查所设计的硬件电路板所有的器件和引脚是否正确,尤其是电源的连接是否正确;检查各总线是否有短路的故障。

检查开关/按键是否正常,是否连接正确,为了保护芯片,应先对各IC座电位进行检查,确认无误后再插入芯片。

2.将40芯片的仿真插头插入单片机插座进行调试,检查各接口是否满足设计的要求,有正常的程序测试硬件电路的好坏。

6.2.软件件调试

软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试,发现和纠正程序的错误,同时也能发现硬件的故障。

软件调试是一个模块一个模块进行的。

首先单独调试各子程序是否能够按照预期的功能,接口电路的容制是否正常。

最好调试整个程序，尤其注意的是各模块间能否正确传递参数。

1）检查LED显示模块程序。

观察在LED上是否能够显示相应的字符。

2）检查按键模块程序。

3）检查A/D转换模块程序。

可以在硬件电路的输入端输入已知的几个电压,分别观察LED上是否显示相应的电压值。

4）检查数据的转换模块程序。

6.3.软硬联调

该系统存在软件和硬件的紧密联系。

软硬件都调试通过后,整个系统连接仍会存在很多麻烦。

首先检查A/D部分,然后是单片机,最后是数码管,依次排除障碍。

总调试。

当相应的各模块环节都正确后,可程序下载到单片机。

接上电源运行。

再检查所有功能,观察是否能预期的一样。

如如果样,说明设计成功完成。

参考文献

1）沈佳玲,数字电压表的设计与制作[.考试周刊,2011.

2）赵波,杨迎春.基于AD转换器件ADC0809的数字电压表设计[].内蒙古石油化

工,2010.

3）李朝青,单片机原理及接口技术[M].第3版.北京:

北京航空航天大学出版社,

2008

4）宋春荣.通用集成电路速查手册[M.山东:

山东科学技术出版社,1995

5）沈小丰.电子线路实验一数字电路实验[M].北京:

清华大学出版社,2007

6）高吉样,电子技术基础实验与课程设计[Mn.第2版.北京:

电子工业出版社,2005

7）康华光.数字电子技术技术[M].武汉:

高等教育出版社2009.7

8）石,数字电子技术基础[M.第4版,北京:

高等教育出版社,2001

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