毕业设计论文可视化数字电压表的设计.docx

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毕业设计论文可视化数字电压表的设计

武汉理工大学

毕业设计（论文）

可视化数字电压表的设计

学院（系）：

自动化学院

专业班级：

自动化专业0806班

学生姓名：

指导教师：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）任务书

学生姓名专业班级自动化0806班

指导教师工作单位自动化学院

设计（论文）题目:

可视化数字电压表的设计

设计（论文）主要内容：

1、学习并掌握单片机和信号采集的有关知识；

2、设计单片机的最小系统；

3、设计A/D采集电路、采用液晶显示，设计显示和键盘输入电路

4、设计系统的程序流程，通过软件实现具有图形界面的数字电压表功能，计算出有效值、峰-峰值、周期频率等，实时显示出电压的波形及有效值、峰-峰值、周期频率，系统具有友好的界面。

5、对设计的部分电路和程序进行调试

要求完成的主要任务:

1、论文应包括以下几个部分：

任务书→开题报告→目录→摘要→ABSTRACT→绪论→正文→结论（或结束语）→参考文献→附录→致谢；

2、在论文的正文部分应包括：

系统的总体方案设计、单片机的最小系统设计，系统的硬件电路设计、A/D采集电路设计、液晶显示和键盘输入电路设计、元器件的选择、系统软件设计，调试及结果分析等，

3、毕业设计成果在文字上要求字数10000字以上；

4、设绘工作量：

不少于3张图纸；

5、阅读文献不低于15篇，其中外文文献不少于2篇；

6、翻译与课题相关的外文文献，不少于2万印刷符，译文无原则性错误。

必读参考资料:

[1]陈堂敏.刘焕平主编.单片机原理与应用.北京:

北京理工大学出版社,2007

[2]张毅刚.MCS-51系列单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2004

[3]张军，宋涛.AVR单片机实用C语言程序设计实例精粹.北京：

电子工业出版社.2009.1

[4]宋凤娟,孙军,李国忠.基于89c51单片机的数字电压表设计.制造业自动化，2007,

（2）

指导教师签名系主任签名

院长签名（章）_____________

武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告

一、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

数字电压表出现在上世纪50年代初，60年代末发张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，加以数字处理然后通过显示器件显示。

这种电子仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用推广到系统的自动控制信号的实验领域，提出了各种被观测量或被控制量转换成数字量的要求，即为了实时控制和数据处理的要求；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发展，为数字化仪表的出现提供了条件。

所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐与陈旧方式也促进了它的飞速发展。

如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。

如今，数字电压表已经绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表，因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候非常不方便还经常出错，而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛应用与电子和电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等领域。

显示出强大的生命力。

数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度较慢，体积重达几十公斤。

继之出现了谐波式电压表，它的速度方面稍有提高但准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，它不仅保持了比较是准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点就是抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响，随后，在谐波式的基础上双引申出阶梯波式，它的唯一进步就是成本降低了，可是准确度，速度及抗干扰能力都未提高。

而数字电压表的发展已经非常成熟，就原理来讲，它从原来的一两种已经发展到多种，在功能上讲，它从测单一的参数发展到能测多种参数；从制作原件看，发展到集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度已经达到1NV，读数速度达到每秒几万次，而相对以前价格已经降低了很多。

目前实现电压数字化测量的方法仍然是模—数（A/D）转换的方法。

数字电压表分类繁多，日常生活中一般根据原理的不同进行分类，大致分为：

比较式，电压—时间变换式，积分式等。

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经常。

而且随着电子技术的发展，更是需要经常测量高精度的电压，所以数字电压就成为必不可少的测量仪器。

另外，数字测量仪器具有读数准确方便，精度度高，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量速度快等特点倍受用户亲睐，数字电压表的设计就基于这种需求发展起来。

本设计将采用AVR单片机内部自带的AD转换器对模拟信号进行转换，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。

AD转换器将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号。

然后再通过对AVR单片机ATMEGA128进行软件编程，使单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过一定的算法计算算出被测量电压的峰峰值、有效值、平均值等，最后采用液晶屏LCD1602进行电压显示，并采用点阵型液晶屏LCD12864实时显示电压的波形曲线。

二、设计任务和技术方案：

1、主要设计内容：

1）系统的总体方案设计

2）单片机的最小系统设计

3）系统的硬件电路设计

4）A/D采集电路设计

5）液晶显示和键盘输入电路设计

6）系统软件设计

2、主要设计任务：

1）学习并掌握单片机和信号采集的有关知识；

2）设计单片机的最小系统；

3）设计A/D采集电路、采用彩色液晶显示，设计显示和键盘输入电路

4）设计系统的程序流程，通过软件实现具有图形界面的数字电压表功能，计算出有效值、峰-峰值、周期频率等，实时显示出电压的波形及有效值、峰-峰值、周期频率，系统具有友好的界面。

5）对设计的部分电路和程序进行调试

3、技术方案：

硬件框图：

图1数字电压表整体设计框图

数字电压表整体结构设计如图1所示，系统主要由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。

主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程自动转换功能。

软件流程图

图2主程序流程图

三、设计（论文）进度安排：

1－2周查阅相关文献；参加毕业实习；

3－4周翻译外语资料,学习了解相关知识，写开题报告

5－7周设计单片机系统的整体硬件电路；

8－9周设计A/D信号采集电路，液晶显示和键盘输入电路；

10－11周设计系统的程序流程，编制程序；

12－14周调试部分硬件电路和程序，测试完善工作；；

15周撰写论文并根据指导老师和答辩小组评阅的意见修改论文；

16周参加毕业答辩 

报告人签字：

年月日

四、指导教师意见

指导教师签名：

年月日

摘要

数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、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进行实时通信等优点。

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，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。

正是基于这种思想，我们设计的可视化数字电压表是基于AVR单片机的一种电压信号采样测量系统，该设计采用AVR单片机内部自带的AD转换器对输入的低频电压信号进行采样，采样的数据存放单片机中，利用相应的算法求出输入电压信号的最大值，最小值，平均值及有效值。

测量范围0~±20V（直流、交流均可测），使用1602LCD液晶模块显示各种要测的参数，可以显示一任意周期性的电压信号中的最大值，最小值，平均值及有效值，并用点阵型液晶12864显示输入的电压信号的波形变化曲线。

关键字：

测量单片机AD转换数字电压表可视化

ABSTRACT

DigitalVoltmeterabbreviationDVM,itisusingDigitalmeasurementtechnique,thecontinuousanalogueconvertedintoDigitalformofdiscontinuous,discreteandtoshowappearance.Thetraditionalpointertypevoltmeterandlowaccuracyofsinglefunction,andcan'tmeettheneedsofthedigitalage,usesthemonolithicdigitalvoltmeter,highprecision,stronganti-interference,extensibility,integrationisconvenient,stillcanandPCforreal-timecommunication,etc.Atpresent,byallsortsofsinglepieceofA/Dconverterinthecompositionofthedigitalvoltmeter,hasbeenwidelyusedintheelectronicsandelectricalmeasurement,industrialautomationinstrument,automatictestsystem,intelligentmeasurementfield,showstrongvitality.Atthesametime,theexpansionofDVMintogeneralandspecialdigitalinstruments,thepowerandthepowermeasurementtechnologytoanewlevel.

ItisbasedonthethoughtofourdesignofthedigitalvoltmeterisbasedonsinglechipmicrocomputerAVRavoltagesignalsamplingsystem,thisdesignusestheAVRsinglechipmicrocomputertoownADinternaltheinputvoltageconverterlowfrequencysignalsampling,samplingdatastoredinthesinglechip,usingthecorrespondingalgorithmfortheinputvoltagesignalofthemaximumandminimumvalues,theaverageandeffectivevalue.Measurementrange0~±20V（dc,ac,allcanmeasure）,use1602LCDmoduledisplayallkindsofparameterstomeasure,candisplayaanyperiodicvoltagesignalofthemaximumandminimumvalues,theaverageandeffectivevalue,andtheformationofliquidcrystaldisplayat12864inputvoltagesignalwaveformchangecurves.

KEYWORD:

Measurement,Single-chipmicrocomputer,ADtransform,DVM,

Visualization

1绪论

在现代检测技术中，常常需要用数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入到微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能。

因此，设计了一种实用的液晶显示数字电压表，其不仅能够对直流电压进行测量，还可以方便地进行量程的自动转换、与计算机通信等功能，并在液晶显示器上显示。

该液晶显示数字电压表采用AVR单片机ATMEGA128为控制平台，重点设计了A／D转换和液晶显示等硬件功能电路和系统软件。

现场实验显示，该液晶显示数字电压表具有转换速度快、可靠性高、性能稳定等优点，具有很好的使用价值。

1.1研究的目的及意义

随着电子科学技术的日益发展，电子测量也变得越来越普遍，并且对测量的功能要求也越来越高，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。

与传统的模拟式电压表相比，具有显示清晰直观，读数准确，测量范围广，扩展能力强等优点。

液晶显示数字电压表是将连续的模拟量，如直流电压，转换成不连续的离散的数字形式，并在液晶显示器上显示出来，这有别于传统的以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。

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测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，每次测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。

所以我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。

1.2国内外数字电压表的发展及现状

数字电压表出现在上世纪50年代初，60年代末发张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，加以数字处理然后通过显示器件显示。

这种电子仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用推广到系统的自动控制信号的实验领域，提出了各种被观测量或被控制量转换成数字量的要求，即为了实时控制和数据处理的要求；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发展，为数字化仪表的出现提供了条件。

所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐与陈旧方式也促进了它的飞速发展。

如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。

如今，数字电压表已经绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表，因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候非常不方便还经常出错，而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛应用与电子和电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等领域。

数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度较慢，体积重达几十公斤。

继之出现了谐波式电压表，它的速度方面稍有提高但准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点就是抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响，随后，在谐波式的基础上双引申出阶梯波式，它的唯一进步就是成本降低了，可是准确度，速度及抗干扰能力都未提高。

而数字电压表的发展已经非常成熟，就原理来讲，它从原来的一两种已经发展到多种，在功能上讲，它从测单一的参数发展到能测多种参数；从制作原件看，发展到集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度已经达到1NV，读数速度达到每秒几万次，而相对以前价格已经降低了很多。

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经常。

而且随着电子技术的发展，更是需要经常测量高精度的电压，所以数字电压就成为必不可少的测量仪器。

另外，数字测量仪器具有读数准确方便，精度度高，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量速度快等特点倍受用户亲睐，数字电压表的设计就基于这种需求发展起来。

1.3本文的研究内容

本次毕业设计的主要研究内容是：

（1）设计单片机的最小系统；

（2）设计A/D采集电路；

（3）设计液晶显示和键盘输入电路；

（4）设计系统的程序流程，通过软件实现具有图形界面的数字电压表功能，计算出有效值、峰-峰值等，并显示出电压的波形；

（5）对设计的电路和程序进行调试与仿真。

本文分为以下几个章节来详细介绍：

（1）第1章：

绪论，论述了本设计的目的意义、国内外研究现状、本文研究内容及论文结构的安排等；

（2）第2章：

数字电压表系统的设计方案，分块介绍数字电压表的方案设计；

（3）第3章：

数字电压表系统硬件设计，分别介绍数字电压表各个模块的硬件设计，使用proteus软件绘制硬件电路图；

（4）第4章：

系统软件的设计，运用C语言对单片机进行编程；

（5）第5章：

系统的仿真及调试。

最后：

结束语，总结本设计的完成情况，不足及展望。

2系统总体方案设计及工作原理

2.1总体方案设计

数字电压表整体结构设计如图1所示，系统主要由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。

主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程自动转换功能。

图1数字电压表整体方案结构图

系统设计需要基于自动控制原理，实现电压量程的自动切换、数据采样、电压显示等功能。

主要来说，系统由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。

对于求输入电压的有效值,目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成电路直接把交流信号变成直流输出，然后对直流输出信号进行处理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值转换芯片。

这种方法测量范围窄、精度低、转换芯片价格高、功能单一。

还有采用直接对交流信号进行整流的方法来实现直流变换的，价格便宜，但是精度更低，很难满足实际应用中的要求。

而且题目中要求要将输入电压的信号变化曲线描绘在点阵型液晶中，这很明显的告诉我们必须建立一个数据采集系统。

因此，我们决定用数据采集的思想来完成。

2.2系统工作原理

首先，输入的电压信号经过衰减电路的衰减后送入到输入电压信号迁移电路，使电压信号转化成AVR单片机内部AD转换器能够处理的信号。

然后再将处理完成的信号送入到ATMEGA128单片机内部自带的AD转换器中去，启动AD转换器进行转换，将其转换得到的数字信号数据送入到单片机中。

然后编程控制单片机，对转换得到信号进行计算处理，得到我们需要的各个测量的参数。

最后将计算所得到的数据通过外部显示模块LCD1602将其显示出来，并且利用点阵型LCD12864显示模块实时显示输入的电压信号的波形曲线。

2.3方案选择

2.3.1单片机选择

方案一：

选用51系列单片机。

51系列单片机目前得到广泛使用，如89S51它除了89C51所具有的优点外，还具有可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

当与其它型号单片机相比时，AT89S51八位单片机的价格便宜，再者编程方便。

编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟，这对于在网上查找相关资料和在图书馆查找相关资料时非常方便的。

但本系统是个多信息处理的复杂程序控制系统，需要占用大量的硬件资源，89S51单片机中的资源在此就显得相当紧张，将对整个系统的性能产生很大的影响。

方案二：

选用AVR系列单片机。

AVR单片机是高速单片机，硬件采用哈佛（Harward）结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令；它支持程序的在系统编程ISP，开发门槛较低，性价比高；有丰富的外设，如RTC、WATCHDOG、AD转换器、PWM、UART接口等，部分型号还可以使用片内振荡器提供系统1～8MHz的系统时钟,使该类单片机无外加晶振器件即可工作；I/O口功能强、驱动能力大，I/O口有输入/输出、三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,工业级产品，具有大电流（灌电流）10～40mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器,节省了外围驱动器件；具有较大容量EEPROM，可擦写10万次的EEPROM,为掉电后数据的保存带来方便,来电后能记住掉电时的工作状态.加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。

根据题目要求，综合考虑上述方案，我们选用ATMEGA128单片机作主控芯片。

2.3.2AD转换模块

方案一：

外接一AD转换芯片，利用单片机对其进行控制。

采样得到数据，然后通过其与单片之间的接口将数据传送给单片机。

按题目要求的精度，至少需要12位的AD转换器件。

但要测量一个小信号，除了要求AD的精度要达到外，还要模拟电路的前端处理部分要求低噪声，稳定性好。

但是在外部AD与单片机之间通信过程中会带来干拢信号。

而且不利于快速开发。

方案二：

直接用AVR单片机中自带的AD转换器。

其主要特点如下：

10位精度,我们可以降低AD转换基准的电压，以获得较高的精度。

65~260us的转换时间，在最大精度下可达每秒15KSPS的采样速率。

可选的2.56V的ADC参考电压源。

由于是单片集成，故其控制更容易，干拢也最小。

所以我们选项择方案二。

2.3.3显示器的选择

显示接口用来显示系统的状态、命令或采集的电压数据。

本系统显示部分用的是LCD1602液晶模块和12864点阵型液晶显示模块，采用一个16×2的字符型液晶显示模块LCD1602.它具有重量轻，体积小，功耗低，可显示192种字符，可自编8种字符，指令功能强，可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求，接口简单方便，可靠性高等优点，使用1602LCD液晶模块显示各种要测的参数，可以显示一任意周期性的电压信号中的最大值,最小值,平均值及有效值，并用点阵型液晶12864显示输入的电压信号的波形变化曲线。

本设计主要应用ATMEGA128将A/D转换来的信号进行处理，根据A/D转换的数据及溢出位等信号，来控制模拟开关进行自动换挡。

同时控制液晶屏显示电压值。

LCD1602液晶显示屏，它内带一定字符的字库，我们只要把对应数字的ASCII值，送到它的8位数据端，