單片機(jī)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

摘 要

電壓表是測量儀器中不可缺少的設(shè)備，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。目前廣泛應(yīng)用的是采用專門集成電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電壓表。

本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，以逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)化器ADC0808、數(shù)碼管顯示器為主體，加上按鍵控制功能，設(shè)計(jì)了一款簡易的數(shù)字電壓表，通過按鍵控制，對ADC0808的輸入通道進(jìn)行選擇，且通過數(shù)碼管顯示出具體通道數(shù)值，可以測量0到5V的八路輸入電壓。

本次設(shè)計(jì)還使用按鍵實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管電路選擇顯示電壓值的功能。能夠測量0到5V的直流電壓，最小分辨率為0.01。設(shè)計(jì)大體分為單片機(jī)部分、測量部分、數(shù)碼管顯示部分。其中測量部分為本次重點(diǎn)，要求將外部采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，決定了數(shù)字電壓表的精度等主要性能指標(biāo)。

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測量速度快等特而得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，進(jìn)度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需要。采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，從而精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC實(shí)時(shí)通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表。目前，由各種單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。

最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路（IC）和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進(jìn)步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并不斷出現(xiàn)新的類型。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進(jìn)的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化（IC化），另一方面，精度也從0.01%-0.005%。

目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，因而，以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個(gè)方面。

本文是以簡易數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)為研究內(nèi)容，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808對輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51再對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置LED顯示數(shù)字電壓信號(hào)。

數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方案很多，但采用集成電路來設(shè)計(jì)較流行。其設(shè)計(jì)主要是由模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括A/D轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電源等;數(shù)字部分包括振蕩器，數(shù)碼顯示，計(jì)數(shù)器等。其中，A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它是數(shù)字電壓表的一個(gè)核心部件，對它的選擇一般三種選擇方案：

方案一、采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，它有多路調(diào)制的BCD碼輸出端和超量程輸出端，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但芯片只能完成A/D轉(zhuǎn)換功能，要實(shí)現(xiàn)顯示功能還需配合其它驅(qū)動(dòng)芯片等，使得整部分硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。

方案二、 A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7107型三位半顯示的芯片，輸入信號(hào)，流經(jīng)取樣電路取樣后送到ICL7107型三位半A/D轉(zhuǎn)換器，只需要很少的簡單外圍元件，就可組成數(shù)字電流表模塊，直接驅(qū)動(dòng)三位半LED顯示器顯示，最后輸入電流在顯示部分顯示。由于ICL7107做的LED數(shù)字表,最大的缺點(diǎn)就是數(shù)字亂跳不穩(wěn)定,特別最后一位。接口模塊：使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用譯碼芯片CD4543作為接口芯片，這種方案能實(shí)現(xiàn)功能，但穩(wěn)定性不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

方案三、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，采用ADC0808轉(zhuǎn)換芯片，其中A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單電源供電。它是具有8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，模擬輸入電壓范圍為0V～5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，功耗低，約15mW。 由于模擬轉(zhuǎn)換電路的種類很多，通過對轉(zhuǎn)換速度，精度和價(jià)格方面考慮。

綜上所述選擇方案三。采用ADC0808為本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)模塊采用AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，通過A/D轉(zhuǎn)換將被測值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)中，再由單片機(jī)來送顯。此方案各類功能易于實(shí)現(xiàn)，成本低、功耗低，顯示穩(wěn)定。

顯示部分可以采用各類數(shù)碼管或用LED顯示器顯示。在此簡化采用4位八段共陰極數(shù)碼管對A/D轉(zhuǎn)換變換后的結(jié)果加以顯示。

設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，基于單片機(jī)或數(shù)字邏輯電路，設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)化電路、密碼校驗(yàn)電路和控制輸出與顯示電路，實(shí)現(xiàn)用戶按鍵輸入密碼開鎖功能。

1、以單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表；

2、可以測量0～5V的8路輸入電壓值；

3、LED數(shù)碼管輪流顯示或單路選擇顯示電壓值；

4、最小分辨率為0.01V，測量誤差約為±0.01V。

本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)控制方案。 利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

晶振模塊設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可，如圖3.1所示。

圖3.1 時(shí)鐘電路

電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路。參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了30pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12MHz。

復(fù)位模塊設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)或者出現(xiàn)死機(jī)時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)（高電平有效）由RST引腳送入到內(nèi)部的復(fù)位電路，對AT89C51單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，要求至少兩個(gè)高電平，以便單片機(jī)做好準(zhǔn)備工作。當(dāng)上電時(shí)，由于電容的電壓不能突變，會(huì)輸出高電平，當(dāng)電容充電到一定程度，就會(huì)輸出低電平，單片機(jī)利用輸出高電平的這段時(shí)間復(fù)位。電阻和電容的值選擇要合適。在這要求R1<圖3.3 最小相位系統(tǒng)電路

AT89C51芯片的各引腳功能為：

P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口。這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況。

P1口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。這8個(gè)引腳和P0口的8個(gè)引腳

類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時(shí)，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。

P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。

P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同，如下表2所示：

ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，89C51的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51自動(dòng)在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。

/EA:片外存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效�？梢钥刂�89C51使用片內(nèi)ROM或使用片外ROM,若/EA=1，則允許使用片內(nèi)ROM,若/EA=0，則只使用片外ROM。

/PSEN：片外ROM的選通信號(hào)低電平有效。在訪問片外ROM時(shí)，89C51自動(dòng)在/PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。

RST：復(fù)位線，可以使89C51處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C51復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。

XTAL1和XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C51片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。

A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.4所示。

圖3.4 ADC0808 轉(zhuǎn)換電路

ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功能為：

(1) IN0~IN7：8路模擬量輸入端。

(2) D0~D7：8位數(shù)字量輸出端口。

(3) START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。

(4) ALE：地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。

(5) EOC：輸出允許控制信號(hào)，高電平有效。

(6) OE： 輸出允許控制信號(hào)，高電平有效。

(7) CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

(8)ADDA、ADDB、ADDC：轉(zhuǎn)換通道地址,控制8路模擬通道的切換。ADDA、ADDB、ADDC分別與地址線或數(shù)據(jù)線相連，三位編碼對應(yīng)8個(gè)通道地址端口，ADDA、ADDB、ADDC=000~111分別對應(yīng)IN0~IN7通道的地址端口。

使用方法：

ADC0808采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由ADDA、ADDB、ADDC的編碼來決定所選的通道。ADC0808完成一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，它具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到AT89C51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚珹DC0808可對0~5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

電壓顯示采用四位共陰極數(shù)碼管,這種數(shù)碼管可顯示4位值，每位由8個(gè)發(fā)光二極管（以下簡稱字段）即a、b、c、d、e、f、g、dp字段構(gòu)成，通過控制不同的LED的亮滅的不同組合可用來顯示數(shù)字09及小數(shù)點(diǎn)“”。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)。本次課程設(shè)計(jì)采用共陰極。

圖3.5 四位數(shù)碼管電路

共陰極數(shù)碼管0~9的C51編碼為：

其中1不帶小數(shù)點(diǎn)，2帶小數(shù)點(diǎn)。

共陽極就是數(shù)碼管的每段都接高電平，這樣要是哪段亮就這段就得接地。

通道選擇顯示采用7SEG-BCD，該數(shù)碼管內(nèi)含譯碼器，外部不需要再配，適用于直接加BCD碼，即直接加四位二進(jìn)制數(shù)，顯示0到F。這個(gè)數(shù)碼管用于顯示ADC0808的選擇輸入通道。

圖3.6 數(shù)碼管電路

通過可變電阻一端接電源+5v,一端接地GND，通過改變電阻的阻值，從而改變所測電壓值，實(shí)現(xiàn)電壓的模擬信號(hào)輸入。分別將八個(gè)輸入接入ADC0808中IN0到IN7引腳實(shí)現(xiàn)八路的輸入電壓。將通過按鍵選擇某一路輸入，實(shí)現(xiàn)單路選擇輸出電壓。

圖3.7 模擬輸入電路

通過兩個(gè)按鍵控制ADC0808的輸入通道同時(shí)將通道數(shù)傳遞給通道顯示的數(shù)碼管。按鍵一的功能為加一，即每按下一次，通道數(shù)加一。按鍵二的功能為減一，即每按一下，通道數(shù)減一。實(shí)現(xiàn)單路選擇顯示電壓。按鍵模型如圖3.8所示。

圖3.8 按鍵電路

要實(shí)現(xiàn)按鍵的功能需要知道ADC0808的ADDA、ADDB、ADDC的功能。ADC0808一個(gè)8路模擬開關(guān)，一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道IN0—IN7，允許8路模擬分量輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址輸入和控制線：4條，ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B，C為地址輸入線，用于選通IN0—IN7上的一路模擬量輸入。

由于ADC0808在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要有CLK信號(hào)，而此時(shí)的ADC0808的CLK是連接在AT89C51單片機(jī)的30管腳，也就是要求從30管腳輸出CLK信號(hào)供ADC0808使用。因此產(chǎn)生CLK信號(hào)的方法就等于從軟件產(chǎn)生。電壓表系統(tǒng)有主程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序、按鍵子程序和顯示子程序。主程序框圖如圖4.1所示。

圖4.1 主程序流程圖

ADC0808對模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換通過判斷EOC（P3.2來確定轉(zhuǎn)換是否完成若EOC為0則繼續(xù)等待若EOC為1則把OE置位，將轉(zhuǎn)換完成。加入按鍵控制，通過按鍵控制ADC0808對輸入電路的選擇，從而實(shí)現(xiàn)單路選擇電路電壓滿足設(shè)計(jì)要求。程序流程圖如4.2所示。

    圖4.2 A/D程序流程圖

其中A/D轉(zhuǎn)換子程序的C語言代碼如下

sbit START=P3^0;

sbit OE=P3^1;

sbit EOC=P3^2;

uint data  tvdata;   

void main(void)

{

  ET0=1;

  EA=1;

  TMOD=0x02;

  TH0=216;

  TL0=216;

  TR0=1;

while(1)

  {

   START=1;

   START=0;          //啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

   while(EOC==0);

   OE=1;

   tvdata=P1;

   tvdata*=20-0.01;

   OE=0;

}

}

系統(tǒng)上電后，配置數(shù)碼管個(gè)引腳，然后對其進(jìn)行初始化，再調(diào)用的讀寫函數(shù)，可將采集處理后的電壓數(shù)值實(shí)時(shí)顯示。其程序流程圖如圖4.3所示。

圖4.3 顯示程序流程圖

其中顯示子程序的C語言代碼如下：

uchar code  tv[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};

uchar code  a[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

void ledxianshi(void)     

{

  uchar k,i;

  if(tvdata>5000)

  tvdata=5000;

  led[0]=tvdata%10;

  led[1]=tvdata/10%10;

  led[2]=tvdata/100%10;

  led[3]=tvdata/1000;

  for(k=0;k<4;k++)

  {

   P2=tv[k];

   i=led[k];

   P0=a[ i];

   if(k==3)

   {

    P07 =1;

              }

   delay();

  }

}

通過按鍵控制ADC0808選擇的輸入通道。開始之后，進(jìn)行通道選擇，一個(gè)按鍵使通道加1，一個(gè)減1，從而選擇輸入，影響輸出。按鍵按下之后，重新進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，重新顯示電壓值與通道。

圖4.3 按鍵程序流程圖

其中按鍵子程序的C語言代碼如下：

void xuan( uint a)

{

  if(a==0)

  {

  P37=0;P36=0;P35=0;

  }

  if(a==4)

  {

  P37=0;P36=0;P35=1;

  }

   if(a==2)

  {

  P37=0;P36=1;P35=0;

  }

   if(a==6)

  {

  P37=0;P36=1;P35=1;

  }

   if(a==1)

  {

  P37=1;P36=0;P35=0;

  }

   if(a==5)

  {

  P37=1;P36=0;P35=1;

  }

   if(a==3)

  {

  P37=1;P36=1;P35=0;

  }

   if(a==7)

  {

  P37=1;P36=1;P35=1;

  }

}

              if( KEY2==0)

    {               

                    b--;

                              delay();

                              xuan(b);

                              delay();                                         

                              if(b==0)

                                          b=7;            

              }              

              if( KEY1==0)

    {               

                    b++;delay( );

                                xuan(b);

                              if(b==7)

                                          b=0;               

              }              

仿真結(jié)果分析：輸入的電壓從0～5V變化時(shí)，數(shù)字電壓表能夠測量出并利用數(shù)碼管顯示出來。測量的精度與要求的一致，前兩位精確，百分位不作精確。要更精確，只需修改相應(yīng)的源程序代碼即可。

本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)化電路、LCD顯示和按鍵系統(tǒng)組成。數(shù)字電壓表能完成測量0～5V的8路輸入電壓值并且通過按鍵控制可以使LED數(shù)碼管單路選擇顯示電壓值的功能。本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制，LCD顯示，按鍵配合，系統(tǒng)成本低廉，功能強(qiáng)大實(shí)用。