【数字电压表实现研究8100字（论文）】

数字电压表的设计与实现1概论 11.1研究背景 11.2研究现状 11.3研究目的 11.4研究内容 22系统方案设计 32.1系统总体设计 32.2设计方案论证与选择 32.2.1数字电压表的设计方案 32.2.2输出显示 42.2.3单片机的选择 42.2.4A/D转换模块的选择 43系统硬件分析 53.1单片机主控模块的设计 53.1.1AT89S52单片机介绍 53.1.2单片机最小系统 63.2信号处理电路设计 63.2.1过压保护电路 73.2.2比较器和继电器 73.2.3工作过程 73.3数据采样模块设计 83.3.1ADC0809转换芯片的介绍 83.3.2A/D转换电路 93.4显示电路设计 93.5电源电路设计 104系统程序设计 114.1编程语言的选择 114.2系统主程序流程 114.2信号处理电路流程 124.3ADC0809采样流程 124.4OLED液晶流程图 135系统调试 155.1系统调试过程 155.2实物展示和调试结果 155.2.1实物展示 155.2.2调试结果与误差分析 166总结与展望 186.1总结 186.2展望 18参考文献 19附录 21附录一、原理图 21附录二、源程序 221引言随着现代信息技术的不断发展，测量工具和仪器的技术要求也越来越严格。在集成电路中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量的物理量，其中最常见的就是电压测量，而且往往还需要使用测量精度相对较高的电压，因此在很多时候，数字电压表已经变得越来越普遍了，而且越来越多地需要使用这些测量精密的仪器。数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟信号转换成不连续、离散的数字信号并加以显示的仪表。由于这种新型的数字化检测仪器在进行设计过程中具有读取数据准确方便、精度高、误差小、灵敏性强、分辨率高、测量速度快等优点，所以被广大用户所重视。数字电压表正是在这种市场需求下被设计出来的，它已经是一种不可或缺的工业电子电压测量标准仪器。2系统方案设计2.1系统总体设计该系统是一种基于单片机及其自动控制原理的多功能数字式电压表系统。它主要包括单片机、ADC0809采样电路、信号处理电路、显示模块及电源等部分。以单片机为主要的控制芯片，采用模数转换器工具作为一个数据采样系统，实现对被检测电压的数据采样；采用稳压二极管作为过压保护；用比较器和继电器作为模拟开关，实现对量程自动转换；字符液晶屏OLED显示器是用来显示被检测到的电压。它可以测试0~5V和0~51V的两个量程范围内的直流电压，其最小误差是50mV。另外，当它超出范围时，显示屏会显示报警。电源模块为整个电路提供电源支持。设计框图如图2-1所示。图2SEQ图\*ARABIC\s11系统设计框图2.2设计方案论证与选择2.2.1数字电压表的设计方案方案一：由数字电路及芯片构建成的系统。方案二：由一个单片机系统和一个A/D信号转换器两个芯片模块组成的控制管理系统。通过对两种选择方案进行对比和分析我们可得：基于单片机的数字电压表可控制性较强，能够精确显示，应用范围广；而由数字电路组成的数字电压表灵活性不够，不易控制，而且应用范围很受限制，误差存在较大，所以选择方案二作为数字电压表的设计方案。2.2.2输出显示方案一：选用数码管显示，只显示数字。方案二：可以选择OLED数字显示屏幕来进行数字显示，它的整个屏幕上可以同时显示和输出多种语言数字、文本、汉字、符号、图形。通过这两种方案的比较，方案一显示的太过于单一，且使用的数码管有点多。方案二可以显示电压的有效值，简单方便，可以使数据更有准确性，成本更低，发光效率好，所以选择方案二作为被设计的显示输出。2.2.3单片机的选择方案一：Intel公司MCS-51单片机。方案二：Atmel公司AT89S52单片机。通过对两种单片机的比较，AT89S52单片机对比MCS-51单片机来说功耗更低但性能却更高，更袖珍尺寸的芯片致使整体的硬件电路具有更小的体积更容易设计，另外较低的价格、更加稳定的性能也是它的优点。具有8k节的字节容量可反复进行擦写的flashROM、4组8位的高速可编程模拟I/O输入接口等等，这些配置可以很好的满足此次设计对测量和控制的要求。所以本次设计我们选择AT89S52单片机。2.2.4A/D转换模块的选择方案一：采用ICL7101型三位半显示的芯片。方案二：采用ADC0809转换芯片。通过对两种选择方案进行对比和分析可得：ADC0809是一种主要属于逐次转换比较型的高频A/D信号转换器，这种类型的A/D转换器除了转换信号速度快、分辨率高外，还有成本低廉、价格便宜等特点。ADC0809是用单一多通道模拟量进行输入，8位数值和数字量分别进行输出的功能A/D转换器，转换的时间限制为100μs，输入的电压范围控制在5V左右，具有一个参考电压的输入端，内部包括一个带有时钟信号的发生器，不需要校零，而且ICL7107数字电压表数字跳变不稳定，误差比较大，所以选择ADC0809作为A/D转换芯片。3系统硬件分析3.1单片机主控模块的设计3.1.1AT89S52单片机介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52单片机实物图和引脚图如图3-1所示。图3-1AT89S52单片机实物图与引脚图3.1.2单片机最小系统单片机最小系统，即一个可工作的单片机系统用的是最少的元件，它也可以叫做最小应用系统。定义中的51单片机最小系统包括：单片机、时钟电路、复位电路。单片机最小系统电路图如图3-2所示。时钟脉冲电路：这种新的时钟脉冲控制电路一般能够给整个单片机系统带来一定的时钟脉冲。图3-2中可以看出18和19引脚连接时钟电路的两端。我们使用两个33pF电容器，帮助晶体振荡器电路输出稳定的脉冲，达到极佳的滤波效果。复位电路：复位电路类似于手机的强制重启功能，如果一台在使用中遇到屏幕失灵或者黑屏死机，长按开机键数秒便会执行手机重启操作，手机程序从头进行。在图3-2中可以看到，单片机的第9号引脚接着整个复位电路，主要是由一个10uF的电容和10KΩ的电阻并联构成。其主要原理是当单片机系统开始通电，在系统启动时会进行一次复位，即上电复位。同时程序也会从头进行。图32单片机最小系统电路图3.2信号处理电路设计信号处理电路主要有过压保护电路、比较器和继电器组成。信号处理电路图如图3-3所示。3.2.1过压保护电路过压保护也叫过电压保护，是当电压超过预定的最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式。本次电压表中的过压保护电路采用稳压二极管来制成的稳压器或电压基准元件，因为这类二极管是利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象而制成的起稳压作用的二极管。3.2.2比较器和继电器1、比较器比较器的主要工作原理就是两个输入端之间的电压如果经过零时就会导致输出的运行状态发生变化，由于输入端有时候也可能会出现一个很小的输入电压，而这些输入电压也可能会直接引起比较器的输出发生变化，为了避免这种情况，新型的比较器通常需要具有几毫伏的滞回电压。例如，当“+”输入端的电压远远大于“-”输入端时，该比较器就会输出一个高电平，反之输出低电平。2、继电器继电器是一种具有隔离和保护功能的一种自动开关元件，当输入和回路中电压变化大于规定值时，能够实现对输出和回路中电压变化进行自动控制。它的工作原理主要是利用负载回路所产生的电磁吸力，通过一种机械方式来传递，带动整个回路之间的闭合，从而促进负载回路的工作。3.2.3工作过程在图3-3中是用比较器和继电器当作模拟开关来实现了输入量程的自动转换。首先对输入电压进行一个分压，而这个分压是通过1MΩ的电阻和100KΩ的电阻串联来实现的，然后进入比较器“+”的输入端，而流入“-”的输入端的是+5V的固定电压通过1MΩ的电阻和100KΩ的电阻串联而形成的电压，当一个比较器的“+”输入超过“-”的输入端时，比较器会输出一定的高电平，三极管导通，继电器与下面的引脚进行契合，然后将其构成回路，把V_H的电压传送到采集芯片，也就是说实现了一个大量程的转换；反之，当比较器输出一个低电平，三极管就不会导通，继电器与上面的引脚契合，这样继电器就会接收到输入电压通过220KΩ和1MΩ的电阻串联分压所产生的V_L电压，然后送入采集芯片，这样就选择了0-5V的量程。图33信号处理电路图3.3数据采样模块设计数据采集模块主要由ADC0809芯片组成。3.3.1ADC0809转换芯片的介绍ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其中每路A/D模数转换的运行时间大约为100μs，模拟信号在电源下输入的各个输出电压变化转换范围大约从0V变换到5V，由8路三态模拟输入开关、地址编码锁存与信号译码器、8位A/D模数转换器和3态模拟输出信号锁定保存信号缓冲器组成部件。其中的一个任务主要目的是将模拟信号转换为数字信号，以便计算机对此数字信号模型进行数据处理、存储和显示等。ADC0809的引脚图如图3-4所示。图3-4ADC0809引脚图3.3.2A/D转换电路A/D转换电路外接电路如图3-5所示。首先地址线A、B、C接地，这样会选通IN0这一路模拟输入端，因为IN0会接收到来自信号处理电路的电压信号，接着ALE接单片机P2.4引脚，会产生一个正脉冲以锁存信号；然后当START为上升沿时将进行逐次逼近寄存器复位，而下降沿会启动A/D转换；之后EOC输出信号会变低，指示转换正在进行，当A/D转换完成的时候，EOC变为高电平，结果数据会存入锁存器；最后当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，而D0~D7就是数字信号输出端，会被接到单片机P0端，这样会把A/D转换得到的数据及时传送到单片机进行处理。图3-5A/D转换电路图3.4显示电路设计OLED显示屏主要是一种利用有机电子和自发光二极管而制作的显示屏。它的主要发光原理是在每当正极有一个足够的发光电力可以进行发光供给时，正极的空穴和两个阴极的发光电荷将通过在两个发光原色层中相互作用结合而直接产生光，红、绿、蓝RGB三种发光原色将根据它们不同的发光公式顺序进行组合产生，构成一个基本的发光颜色。除此之外，OLED显示屏还可以完成一些特定的显示功能。OLED显示电路图如图3-6所示。显示屏的3~7号引脚分别接单片机P1.0~P1.4引脚，单片机会控制显示屏进行显示被测量的电压数值、所选的量程，并且alarm部分会显示NO，另外当超过量程时OLED显示屏中的alarm部分显示YES，这就起到超量程报警的功能。图3-6OLED显示电路图3.5电源电路设计用来为各模块提供工作电压的单片机电路我们统称为工作电源模块，在本文的设计中我们所使用的AT89S52单片机需要5V的工作电压进行供电，连接在单片机的40脚，而且每个模块均需+5V直流电源进行供电，所以我们使用USB的工作电压进行供电，其具备了非常高的稳定可靠的工作电压数值，利用其稳压性和功能就足够了。该电路能够提供稳定的工作电压，这样就能够使得该电路正常工作起来具有较好的可靠性。另外还同时并联几个电容，以便起到滤波、稳定电压的作用。电路图如图3-7所示。图3-7电源电路图4系统程序设计4.1编程语言的选择目前，单片机在软件开发中所使用的编程语言大致可以分为两种：计算机软件高级语言和计算机汇编语言。汇编语言凭借其良好的可控性和功能，在进行单片机设计和开发的过程中已经得到了普遍运行。但与其他汇编语言相比，C语言的专业编译器可以大大提高编译效率，C语言具有汇编语言所不具备的超强能力，即可以满足程序所需要的所有编译功能。C语言也具有出色的便携性，可以满足各种型号的需求。此外，C语言还允许用户进行实时的修改和编译逻辑过程中所有数据库。基于这种优秀的程序架构，可以很好地对各种单片机应用程序进行实际的编译和开发，从而完全改善了程序的基础架构，使每一个程序都有能正常运行，从而大大提高了单片机的系统整体性能。所以我们决定用C语言作为编译器语言。4.2系统主程序流程电源启动后，系统开始供电，首先需要让各个新的功能模块在各个端口都被重新配置好，初始化后，系统再次进行启动，依次开始调用各个新的功能模块。当被电压检测器达到额定电压时立即进入控制系统，进行电压信号采集处理、采样，完成后将电压信号数据送入液晶显示器上并进行信号显示。系统的总流程图如图4-1所示。图4-1系统主程序流程图4.3信号处理电路流程首先输入电压进来以后，进行一个串联分压，这个串联分压主要是通过1MΩ的电阻和100KΩ的电阻串联而实现的，然后这个电压会被传送到比较器的正极端口，另外在比较器负极端会有固定电压+5V通过1MΩ电阻和100KΩ的电阻之间进行串联式的分压所形成产生的电压，当输入电压比固定电压高时，比较器就会输出一个很高的电平，三极管导通，继电器与下端相互契合，然后组成一个回路，把输入电压被分压后的电压送到信号采集芯片；反之，当比较器的输出为低电平，三极管就不会导通，继电器与上端契合，这样继电器会接收到输入电压通过220KΩ和1MΩ的电阻串联分压所产生的电压，然后送入采集芯片。信号处理电路流程图如图4-2所示。图42信号处理电路流程图4.4ADC0809采样流程首先进行对ADC0809各端口进行配置，接着开始模数转化，执行后，如果检测到所有的数据转换未能完成则可以再继续循环并对其进行模数转化，如果在模数中的转化已经全部完成，执行接下来的一个模数转化指令，将对所有取得的模数转化数据结果全部转化成为工程量，最后转换结果送入显示屏进行显示。ADC0809采样流程图如图4-3所示。图43ADC0809采样流程图4.5OLED液晶流程图系统在通电后，配置好液晶端口，然后对OLED中的电源信号进行数据初始化，再调用OLED的信号读取和数据写入函数，可将数据采集处理后得到的电压值进行实时输出显示。如果测量电压小于51V时，显示屏会显示测量值和所选择的量程，alarm部分显示NO，如果测量电压大于51V，显示屏中的alarm部分显示YES。OLED液晶流程图如图4-4所示。图4-4OLED液晶流程图5系统调试5.1系统调试过程调试过程如下：(1)通电之前的检查：在进行通电调试之前，必须仔细检查电路连线是不是有错误。检查的具体方法是对照之前设计好的电路图，做好安全检测。我们应该特别注意仔细观察并检查其中一个电源引脚的极性位置是否存在有无接错或者不当之处，电源连接到的地方是否存在短接等异常现象，AT89S52、ADC0809和OLED显示器引脚位置是否正确，并仔细观察它们焊点的位置是否牢固。(2)通电检查：在电路板上安装好已经下载程序成功的AT89S52，然后再接通电源，正极接+5V的直流电源，负极接地。待电源接通后，看看是否有异常现象，比如元器件出现了发烫、发光等情况。如果有，应马上切断电源，待所有的故障原因全部解决后，才能正式接通电源。(3)对单片机的正确调试：在将单片机正确插入带有接口的引脚插槽后后，用万用表或仪器软件来准确测量它的引脚输出电压及由它输出的特定讯号信息，然后检查它的工作状态及单片机的电路。(4)A/D转换器的调试：在进行测试期间由于计算机得到的不是最终结果，所以我们可以首先忽视如何得出最终结果的具体逻辑操作和运算，先让它们直接通过输入转换结果，观看这些结果的计算方法是否正确合理，以此为基础来检查和验证A/D转换底层驱动程序的正确性和错误。(5)对所有实物样品进行一次整机性能调试：对所有实物的各个性能部分进行整机调试，不断地重新检查其中部分可能仍然存在的一些问题，不断地更新改善其中的一些部分，使得调试结果更加准确趋于最佳。5.2实物展示和调试结果5.2.1实物展示在对产品进行质量调试的操作过程中，数字电压表可能会出现一些质量问题，如电线接触不好，焊接操作工艺不牢固等，通过不断地调试进行完善、矫正以后，数字电压表逐步朝着产品设计过程中的各项指标和质量要求逐步靠拢。虽然我们所获得的测量数据和结果可能并非百分之百很精准，实物并没有特别美观，但是我自己觉得还是不错的。实物展示图如图5-1所示。图5-1实物展示图5.2.2调试结果与误差分析总共测试了几组数据，如表5-1所示。其中小量程3组，大量程3组，从表5-1所知，实际电压与测量电压存在一定的误差，误差产生的原因有很多，首先继电器和分压电阻有一定的误差，这方面我们可以做些改进：加个滑动变阻器对分压电路进行优化；其次A/D转换器在转换过程中可能存在一些误差，在这方面，我们可以提高芯片的转换精度和分辨率等等。除此之外，输入电压或者电源不稳定等方面都可能导致误差。所以我们可以采用一种通过多次进行测量数值并计算平均值的一种结果方式，用它来大大减小测量误差，或者说就是我们可以把采用A/D方式转换后的多次测量计算结果通过添加适当的误差修正值等因素，来大大改善多次测量的准确结果。表5-1测试数据表序号实际电压显示结果11.5V23V34.5V46V511V615V6总结与展望6.1总结此次毕业设计选择的是做一个基于单片机的数字电压表设计。该系统以单片机AT89S52作为控制核心，以模数转换器ADC0809为主要的数据采样控制系统，实现了被检测电压的数据采样，在此之前我们会有一个信号处理电路来对所需要采集的电压信号进行简单地分压处理、比较，然后再进行ADC采样；采样后转换为数字信号，最后我们利用了一个字符式的液晶OLED显示屏来显示所检测到的电压。在这类保护电路中，采用稳压二极管作为输出过压保护，并通过继电器和比较器作为一个模拟开关来实现完成输入量程的切换。本设计该系统既可以同时进行直流0~5V的测试和直流0~51V的测试（最低误差范围为50mV），此外还具备了一个超量程检测报警。6.2展望由于传统的电压表测量速度比较慢，读数不准确而导致误差较大，数字显示技术不高超等缺陷，因此在设计数字电压表的时候使用单片机来控制系统，可以让测量数据稳定，读数准确、美观，还有显示屏对模数转换后的数据进行实时显示。然而本次设计的电压表系统也还有一定的缺陷，有一些地方还需要改进，比如使用精度更高的AD芯片；在信号处理电路中可以加个滑动变阻器来对分压电路进行优化；或者使用更好的稳压器来保护电路等等，另外可以把报警电路分化出来，以蜂鸣器代替。目前，该系统仅仅测量电压，由于电压、电流、频率是经常测量的几个量，如果把此系统改成测量多个量的仪器，这样功能就比较强大，不再单一，提高了电路测量的效率。参考文献[1]黄志伟.全国大学生电子竞赛培训教程[M].北京电子工业出版社.2019.[2]刘波.51单片机应用开发典型范例：基于Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社.2014.[3]陈冬冬.液晶显示数字电压表的设计研究[J].黑龙江科技信息.2016,01.[4]李生明,杨红.PROTUES软件在学习单片机中的应用[J].清远职业技术学院学报.2013(6).[5]赵波,杨迎春.基于A/D转换器件ADC0809的数字电压表设计[J].内蒙古石油化工.2018(23).[6]车海波.基于51单片机的数字显示电压表的设计与仿真[J].智能城市.2016.08.[7]徐爱钧,徐阳.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社.2012.[8]金韦利,姜礼华.基于单片机的数字电压表设计[J].自动化与仪器仪表.2015(11).[9]张玲丽.基于Proteus的LED数字电压表的设计与仿真[J].中国新通信.2019(22).[10]陈飞,顾启民,王伟.基于Proteus和Keil的项目教学法在单片机教学中的应用[J].实验科学与技术.2019(05).[11]陈颖.电容式传感器在砂石计量系统中的应用研究[D].长沙理工大学.2012.[12]孙桐,郑天昱,陈龙.基于K66单片机的智能寻迹小车系统设计与实现[J].电子制作,2021(05):35-38.[13]Azcondo,FranciscoJ,DeCastro,Angel,Branas,Christian.CourseondigitalelectronicsorientedtodescribingsystemsinVHDL[C].IEEETransactionsonIndustrialElectronics.2010.[14]GajadhurMarta,RegulskaMariaMechanicalandlightresistanceofflexographicconductiveinkfilmsintendedforprintedelectronics[J].DyesandPigments,2020.[15]Y.Z.N.Htwe,W.S.Chow,G.Suriatietal.Propertiesenhancementofgrapheneandchemicalreductionsilvernanoparticlesconductiveinksprintedonpolyvinylalcohol(PVA)substrate[J].SyntheticMetals,2019,256.附录附录一、原理图附录二、源程序#include"support.h"#include<stdio.h>sbitCLK=P2^3;sbitALE=P2^4;sbitEOC=P2^1;sbitOE=P2^2;sbitST=P2^0;sbitMODE=P2^5;ucharad_data[5];//定义变量floatVoltage;unsignedcharmode=0;//Adc电压读取函数unsignedcharADC_Read(void){unsignedcharres;ALE=1; ST=1;delay_us(1); ST=0;ALE=0;//此时EOC为高，需要加个延时，等EOC复位delay_ms(10);while(!EOC);OE=1;delay_us(10); res=P0; OE=0;returnres;}voidTimer0_Init(void){ ET0=1; TMOD|=0x01; TH0=(65536-200)/256;//定时周期200个机器周期也就是200usTL0=(65536-200)%256; TR0=1; ST=0; ALE=0;}voidTImer0()interrupt1{ TH0=(65535-200)/256;//重装定时器定时周期200个机器周期也就是200us TL0=(65535-200)%256; CLK=~CLK;}voidShowMainMenu(void){//第1行显示OLED_ShowString(0,0,"Multimeter");//第2行显示OLED_ShowString(0,2,"V