基于单片机的数字电压表的设计

题目基于单片机的数字电压表的设计目录摘要 1关键词 1引言 引言数字电压表(数字面板表)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，有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。在电气测量过程中，电压是一个很重要的技术参数。如何准确地测量模拟信号的电压真有效值，一直是电测仪器研究的内容之一。真有效值数字仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用。数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表相较于指针式电压表，精度更高、抗干扰能力更强，还能够和PC端实时通信。它已被广泛用于工业自动化仪表、自动系统等智能化领域，显示出其强大的生命力。数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。单片机的诞生和独立的技术发展道路，充分表明单片机是一个应用于对象体系的智能化工具。这也在仪表应用领域中得到充分肯定。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。智能数字电压表的特点：1.准确度高：能自由切换量程；分辨率和精度都很高。2.数显：结果直观，避免视觉误差。3.测速快：消除指针的惯性，测速极快。4.能自动化测量：大多用单片机作核心控制部件，能够自动化测量。第一章总体方案设计本设计电路采用STC89C51芯片与ADC0809芯片与0P07集成运放模块及AD637有效值转换模块及其他若干电子元件共同构成一个多量程的真有效值数字电压表，能够对输入的模拟交流电压进行测量，并通过数码管显示模块进行显示。电路主要分为5个模块:交流输入电压转换模块、放大电路模块、模数转换模块、主控模块、数码管显示模块。交流输入电压有效值转换模块主要由AD637芯片构成，能对输入的待检测的交流电压进行直流电压的转换。转换后的直流电压量经0P07芯片进行放大，A/D模数转换模块主要由芯片ADC0809构成，它在电路中把采集的模拟电压量转换成与之相应的数字量再传送到STC89C51中进行进一步的处理。主控模块主要由单片机STC89C52构成，它的核心工作就是将模数转换模块ADC0809传送来的数据通过内部处理后，产生相应的信号来控制数码管显示模块进行显示。数码管显示模块负责完成对整个测量数据的显示。电路主体框如图1.1所示：图1.1电路主体框图第二章系统硬件电路设计数字电压表由真有效值转换模块、A/D转换模块、数据处理模块、集成运放模块、显示控制模块几部分构成，它以STC89C52单片机和ADC0809转换器为为中心，测量0～24V范围内的输入电压值。STC89C52是整个电路系统的为中心，通过它可以进行量程的切换，模数转换后数据的处置及在液晶上的体现，供给芯片ADC0809的工作频率等功能。模拟量转换成数字量(A/D转换)和数字量转换成模拟量(D/A)是计算机进行外部控制的必要过程。计算机的输出信号通过D/A转换成模拟信号送到现场去驱动机械或电气设备动作。图2.1近式A/D转换器结构A/D逐次逼近，双积分转换.及线。三者中逐次比较式转换速度较快，精度更高，抗干扰能力略弱。用ADC0809的A/D转换器.一个比较器.顺序比较寄存器.设置数目选择逻辑电路和时钟的形式，如图2-2所示。其基本原理：启动后，设置逻辑电路数逐次逼近寄存器选择将最高位置“1”，D/A转换和模拟值的比较值，电压比较器的比较结果。若大于则比较器就为"1”，小于就为"0”，通过若干次对比修改后的数字量，就是A/D转换的结果。2.1模数转换模块本设计的主要工作模块采用适合做为在便携式智能仪器使用的ADC0809模数转换芯片，不止它的功耗低，而且它的性价比高，非常合适便携式智能器。它主要包括：8位的高分辨率，它的最高特性分辨率水平为256，能够很轻易的满足一般情况下的模拟转换的普通要求。而能够进行双数据输出的芯片可以作为一个检验数据，从而避免或减少不必要的数据误差，而且此类芯片不但它的开关速度快，而且它的稳定性也非常强，它能够非常迅速的通过数据的输入，因此它就可以非常轻松的实现信道选择功能。由于不同型号的A/D转换芯片，它们的模拟转换电路与外接电路的要求是不同的。基于设计中电路要求，考虑到对模拟量尽可能的最大转换速度和转换精度及数据的可靠和正确。本设计经过不同芯片的类比和筛选最终选择ADC0809这款A/D转换芯片，以确保电路测量的转换稳定性。由于ADC0809的零点无须调整。当输入电压最大值与输出电压最小值相当时，调整端电压值的输出码为FEH或FFH。ADC0809为控制A/D变换精度的换算，全范围的输入要求。如果输入电压动态范围很小，改变参考电压，A/D、D/A芯片上都有专门提供了AGND和DGND的引脚。所以ADC0809模块和数字模拟电路应特别注意地面的连接正确，否则干扰严重，甚至影响转换结果的准确性。ADC0809的连接如图2.3所示：图2.2ADC0809与STC89C52连接图ADC0809引脚功能如表1所示：引脚功能D7-D08位数字量输出引脚IN0-IN78位模拟量输入引脚VCC+5V工作电压GND地REF(+)参考电压正端REF(-)参考电压负端STARTA/D转换启动信号输入端ALE地址锁存允许信号输入端表1ADC0809引脚功能表2.2AD736有效值模块AD736引脚图+Vs：正电源端，电压范围为2.8～16.5V；-Vs：负电源端，电压范围-3.2-16.5V；Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电

压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式

将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式

的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。COM：公共端；

Vo：输出端；

CF：输出端滤波电容，一般取10μF；

CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33μF。主要特点：1、测量速率快，频率特性好(工作频率范围可达0～460kHz)。

2、输入阻抗高，输出阻抗低，电源范围宽。

3、功耗低，最大电源工作电流为200μ。4、测量正弦波电压的综合误差不超过±0．3％。

AD736主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元(又称有值芯子RMS

CORE)、偏置电路、输出放大器等组成。VIN输入端。工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压则经全波整流后

送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的VO端输出。偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。AD736典型电路应用AD736双电源供电典型应用上图为双电源供电时的典型应用电路，该电路中的+Vs与COM、-Vs与COM之间均应并联一只0.1μF电容以便滤掉该电

路中的高频干扰。Cc起隔直作用。若按图中虚线方向将①脚与⑧脚短接而使CC失效，则所选择的是AC十DC方式；而去掉短路线即为AC方式。R为限流电

阻，D1、D2为双向限幅二极管，可起到过压保护作用，通常选1N4148高速开关二极管即可。2.3OP07集成运放模块OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25uV），所以OP07在很多应用从场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大信号等方面。特点超低偏移：150μV最大。低输入偏置电流：。低失调电压漂移：0.5μV/℃。超稳定时间：2μV/month最大高电源电压范围：±3V至±22V

工作电源电压范围是±±18V；0P07外形图0P07引脚图OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚

6为输出，7接电源+0P07内部电路图2.4主控模块电路单片机STC89C52作为具有在系统可编程功能控制整个电路的运行的主控芯片。它可以很方便的改写其内部存储器内的程序从而去没必要把芯片中从工作环境中剥离。STC89C52的功耗低，性能高，片内含4kBISP只读程序存储器，由ATMEL公司采用高密度、非易失性存储技术的器件制造而成，能够全面兼容80C51结构的引脚与MCS-51标准指令系统。STC89C52连接电路如图2.4所示：图2.4STC89C52图引脚功能引脚功能P0.0～P0.78位双向I/O口P3.0RXD（串行输入口）P2.0～P2.78位双向I/O口P3.1TXD（串行输出口）P1.0T2（定时器/计算器2）P3.2INT0（外部中断0）P1.1T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P3.3INT1（外部中断1）P1.5MOSI（用于在线编程）P3.4T0（定时器0的外部输入）P1.6MISO（用于在线编程）P3.5T1（定时器1的外部输入）P1.7SCK（用于在线编程）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）表2端口引脚与功能表2.4.1最小系统连接在单片机最小系统的必要条件是：电源，EA引脚，晶振电路，复位电路。2.4.2晶振电路晶振电路：晶振是晶体振荡器的简称。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近。在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感。所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路。此设计片内的高增益反相放大器通过XTAL1\XTAL2外接作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的一个自激振荡器。晶振电路如图2.5所示图2.5晶振电路2.4.3复位电路复位分为两种方式的上电复位、外部复位，因为上电复位复位时必须断开电源，通过外部复位设计，按下开关可以实现可靠复位。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位电路如图2.7所示：图2.7复位电路2.5LED数码管显示模块LED数码管（LED

Segment

Displays）是由多个发光二极管封在在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似3位“+1”1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LEDLED的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。2.5.1LED基本结构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。在单片机中使用最多的是七段数码管显示器。LED七段数码管显示器由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。图1

这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管2.5.2LED数码管的分类LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A、静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。故实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动：数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。恒流驱动与非恒流驱动对LED数码管的影响主要有以下几点：1、显示效果：由于LED基本上属于电流敏感元件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动晶片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。2、安全性：即使是短时间的电流超载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。LED数码管实物图这类数码管可以分为共阴极和共阳极两种，共阳极就是把所有的LED阳极连接到共同接点com，而每个LED阴极分别为a,b,c,d,e,f,g和dp（小数点）；共阴极就是把所有的LED阴极连接到共同接点com，而每个LED阳极分别为a,b,c,d,e,f,g和dp（小数点）；如下图所示。图中的8个LED分别和上图的中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。第三章程序设计3程序设计框图程序在A/D转换程序、数码管显示子程序二者之间循环进行。整个程序流程框图如下图示。启动ADC0809直流电压输入信号的模数转换，通过INTR端状态检测知道转换完成，如果转换成功将通过P1口输入数据，也通过数据处理后在数码管上显示。整个主程序设计总方案可以通过模块的划分为：端口初始化程序、A/D转换子程序以及显示子程序，这三个程序模块共同组成了整个数字电压表系统软件的主程序。程序主体框图如图3.1所示：图3.1程序框图3.1初始化程序端口初始化程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。3.2A/D转换子程序A/D变换子程序来控制模块输入的电压信号采集测量，和相应的价值被保存到相应的存储单元，工作流程如图3.2示：图3.2A/D转换子程序3.2数码管显示子程序图3.3为数码管显示流程图：初始化数码管显示初始化数码管显示发送控制命令发送控制命令字设置显示数据设置显示数据发送带显示的字符数据发送带显示的字符数据返回返回图3.2数码管显示流程图第四章调试4软件调试在具现设计理念进行硬件实物焊制之前还必须先使用Protel99SE之类的仿真软件进行对设计好的电路进行软件仿真以检测电路是否真的具备可现实可行性，并且通过仿真得到的结果，修改已选用的电子元件的各参数和发现电路的出现的问题，从而减小实物焊制的难度和增加实物成功运行的成功率。Protel99SE是目前外围电路模拟的最佳工具，功能极其好。它既能仿真51系列单片机，又支持仿真AVR，还兼容PIC等常用的MCU，及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件）而且还可与PC进行实时通信提供芯片的工作频率等功能。虽然Protel99SE的外围电路模拟功能很强大，仿真效果非常好，但是，硬件的实践还是必不可少的。此外，即使有充足的硬件操作经验，利用这款软件中仿真功能进行电路元件参数的早期规划以减少残次率也是一个节约开发成本的很好的实用方案。设计进行仿真时，先得根据自己设计的电路图用Protel99SE软件画出电路模型，首先，根据已经确立好的设计电路图，使用Protel99SE软件绘制相对应的电路仿真模型，再进行软件仿真。仿真软件仿真KeilC与Protel99SE连接调试步骤和只需在初次使用设置并为该项目加入KeilC源程。然后我们用KEIL软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试。然后我们用KEIL51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后，端口电压对比测试精度高。根据被测信号方便地进行量程转换，显示位数较多，分辨率较高。计算机的输出信号又必须通过D/A转换成模拟信号送到现场去驱动机械或电气设备动作。计算机控制过程如计算机控制过程示意图最后进行端口电压的对比测试的第一路对比中标准电压Protel99SE软件中的模拟电压表测得。如图4.1所示：图4.1电路仿真图4.1显示结果当输入电压值是0V时，显示结果如下图所示，测量误差为0V。2.当输入电压值是1.5V时，显示结果如下图所示，测量误差为0.010V。3.当输入电压值是3.50V时，显示结果如下图所示，测量误差为0.010V。总结经过为期两个月的数字电压表的设计与制作过程，我成功的将书本上那些虚无的知识成功转化成现实产物。在这个两个月里，物品完成了设计的构思、设计初稿的制定，实物电路的鳞选与确立、仿真电路参数的验证和修改，元件的选择。另外在这次毕设过程中我碰到了不少的问题，如对真有效值转换AD637的元件性能不熟悉，外围电路构建了解不深，A/D转换芯片ADC0809的引脚功能和运行电路掌握不深等问题，这对我进行整体电路的构建造成了巨大的阻碍，并在后期仿真验证及确立元件参数时增加了不必要的工作量。在不断寻找问题然后解决问题之后，我最终完成了以STC89C52单片机为主体，A/D转换模块和有效值转换为辅的数字交值流电压表的设计及实现工作。在完成硬件电路设计域制作工作后手于软件调试工时，我出现了大量的不足之处如：程序调试、编写时对代码的理解和运用生硬，死板、对错漏程序的修改调试吃力等，这些都是基于我对课本的知识掌握与熟练程度不够，学习的过程中没有深入理解转化这些知识，前事难追，后事勿辙，我只能在以后加强这些方面的完善。致谢参考文献[1]陈权昌,李兴富.单片机原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社,2007.[2]李庆亮.C语言程序设计实用教程[M].北京:机械工业出版社,2005.[3]杨志忠.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2003.[4]及力.Protel99SE原理图与PCB设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.[5]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006.[6]王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育出版社,2004.[7]于殿泓，王新年.单片机原理与程序设计实验教程.西安电子科技大学出版社,2007.[8]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2008.[9]杨欣．电子设计从零开始[M].北京:清华大学出版社,2005.[10]胡健．单片机原理及接口技术.北京:机械工业出版社,2004.[11]陈权昌,李兴富.单片机原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社,2007.[12]谢维成.杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计实例.电子工业出版社，2006年.[13]李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社，2007年.[14]姜志海.黄玉清等著.单片机原理及应用[M].北京电子工业出版社.2005年.[15]魏立峰.单片机原理及应用技术.北京大学出版社，2005年.[16]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008.[17]汪文，陈林.单片机原理及应用[M].湖北:华中科技大学出版社,2007.[18]周润景.Protues在MCS-51&ARM7系统中的应用白例.第一版.北京：电子工业出版社，2006年.[19]边春远等著．MSC-51单片机应用开发实用子程序[M].北京：人民邮电出版社.2005年.[20]苗红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计[J].河海大学常州分校学报.2002年.[21]宋凤娟.孙军.李国忠.基于89C51单片机的数字电压表的设计[J].工业控制计算机，2007年.

英文翻译ThedesignofdigitalAC/DCvoltmeterbasedonMCULongJi(Technology

and

Information

Engineering

Chongqing

Three

Gorges

University,

Wanzhou

404000)AbstractThisdesigncircuitSTC89C51chipADC0809chipandAD637rmsconvertermoduleandanumberofotherelectroniccomponentstogetherformACandDCdigitalvoltmeter,analogDCvoltageinputcanbemeasuredanddisplayedbythedisplaymoduleLCD1602characterLCD.Circuitisdividedintofivemodules:ACinputvoltagermsconvertermodule,theamountofDCvoltageanalogtodigitalconversionmodule,maincontrolmodule,rangemodeselectionmodule,LCDdisplaymodule.ACinputvoltagermsconvertermoduleoftheAD637chipconfiguration,canbedetectedACvoltageinputDCvoltageconversion.TheamountofDCvoltageA/Danalog-digitalconversionmoduleiscomposedprimarilychipADC0809,itisinthecircuittobeconvertedintoitscorrespondingdigitalSTC89C51thentransmittedtofurtherprocessinginanalogvoltageacquisition.MastermoduleismainlycomposedofmicrocontrollerSTC89C51,itscoreisthedataADC0809analogtodigitalconversionmoduletransmittedthroughtheinternalprocessingtoproduceacorrespondingsignaltocontroltheLCDdisplaymodulefordisplay,anditalsocontrolstheADC0809chipthework.Rangeswitchingmodule3groundingpatchbuttonsareconnectedtothemicrocontrollerINTO,INT1,TOthreepincontrolmastermoduleandA/Dconversionmoduleontherangeselectionmode,youcanselecttherangethereare0~5V,0~12V,0~24Vandotherthirdgear.LCDdisplaymoduleiscomposedprimarilyLCD1602CscreenLCD,whichisresponsibleforthecompletionoftheentiremeasurementdataisdisplayed.KEYWORDS：ACvoltageDCvoltageLCDdisplaycircuitSCMA/Dconverter附录一主控模块电路原理图

附件二元件清单序号元件名称规格和型号单位数量备注1单片机STC89C52只12A/D转换器ADC0809只13AC/DC转换器AD736只14运算放大器OP07只15色环电阻10K只16色环电阻1.2K只17滑动变阻器100K只18色环电阻3K只19瓷片电容30PF只110瓷片电容30PF只111电解电容10uF只312电解电容3.3uF只113七段数码管共阴极1*LED只414晶振12M只115开关S只116印制板PCB块117座子8脚只21828脚只11940脚只120导线--米若干21焊锡1盒附录三硬件实物图附录四程序清单#include"reg52.h"#defineucharunsignedch