简易数字电压表

目录

第1章数字电压表概述 (1)

第2章系统总体方案选择与说明 (2)

2.1 项目分析及其设计 (2)

2.1.1 通道转换方案设计 (2)

2.1.2 显示部分方案设计 (2)

第3章系统结构框图与工作原理 (3)

3.1 系统结构框图 (3)

3.2 工作原理 (3)

第4章各单元硬件设计说明及计算方法 (4)

4.1 单片机的选择 (4)

4.2 时钟与复位电路的设计 (4)

4.3 LED显示电路设计与器件选择 (5)

4.4 A/D转化电路及测量电路的设计 (7)

第5章软件设计与说明 (9)

5.1 数字电压表系统软件设计方案确定 (9)

5.2 数字电压表应用程序设计 (11)

第6章调试结果及其说明与使用说明 (13)

6.1 调试结果及其说明 (13)

6.2 使用说明 (13)

总结 (14)

参考文献 (15)

附录A 元件清单 (16)

附录B 系统原理图 (17)

附录C 系统程序 (18)

第1章数字电压表概述

模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。数字电压表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。

DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A ／D转换器，最后用电子计数器计数显示，困此，DVM的基本组成是A／D转换器和电子计数器。

DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。

第2章系统总体方案选择与说明

实现数字电压表的方案很多，目前广泛采用的时基于74系列逻辑器件，本设计将介绍基于单片机实现的方案。

2.1 项目分析及其设计

方案设计此设计包含两个模块，通道转换和显示部分方案。2.1.1 通道转换方案设计

方案一：考虑到ADC0808的8路模拟量输入本质上也是模拟开关，因此可以利用其8个模拟通道中的3个作为通道转换器，即根据通道对应的电压测量范围确定对应的电压方法倍数设计对应的放大电路。

方案二：利用手动开关实现通道转换。该方案可简化控制程序，消减系统开销。缩短反应时间，不足之处在于操作麻烦。

综上所述：方案二所需元件少、成本低且易于实现，则选此方案。

2.1.2 显示部分方案设计

方案一：单片机的P0、P2口分别接74LS248和ULN2003A芯片来驱动四位数码管

方案二：直接用单片机的P1、P2口驱动数码管，此处把ADC0808的输出端接P1口，因为P1口能够驱动数码管。

综上所述，两个方案都可行，但方案二所需元件少、成本低，则选择此方案。

第3章系统结构框图与工作原理

3.1 系统结构框图

根据项目要求，确定该系统的设计方案，图3-1为该系统设计方案的结构框图。硬件电路由6各部分组成，即单片机、时钟电路、复位电路、LED显示电路、A/D装唤器和测量电压输入电路。

图3-1 系统结构框图

3.2 工作原理

系统采用12M晶振产生脉冲做AT89C51的内部时钟信号，通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。利用中断设置单片机的P2.4口取反产生脉冲做AT89C51的时钟信号。通过键盘选择八路通道中的一路，将该路电压送入ADC0808相应通道，单片机软件设置ADC0808开始A/D转换，转换结束ADC0808的EOC 端口产生高电平，同时将ADC0808的EO端口置为高电平，单片机将转换后结果存到片内RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为0.00-5.00V分别保存在片内RAM;系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到LED显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。

第4章各单元硬件设计说明及计算方法

根据设计要求与思路，确定该系统的设计方案。硬件电路由5个部分组成，即单片机时钟电路、复位电路、4位显示器电路、A/D 转换电路和键盘及测量电路。

4.1 单片机的选择

根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。此电路选择Atmel公司生产的AT89C51。AT89系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便;第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个电路体积更小。它以较小的体积、良好的性价比倍受青睐。

4.2 时钟与复位电路的设计

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。

电路中，电容C1和C2对震荡电路有微调的作用，通常的取值范围位（30+10）pF。石英晶体选择6MHz或12MHz都可以，其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值，此设计取12MHz。

单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图4-2所示是51系列单片机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，它们都能很好地工作。复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。

电阻电容器件的参考值:R1=200Ω,R2=1KΩ,C3=22μF。RET按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。电路图如图4-1所示。

图4-1 时钟与复位电路

4.3 LED显示电路设计与器件选择

单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果。显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。

图4-2 LED显示管脚

LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，由图4-2可知，显

示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的P1，P2口驱动，实验证明可行。

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，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED 显示器。在我们的设计中，选择4位一体的共阴极时钟型LED显示器，采用动态显示方式。

图4-3 LED显示器接口电路原理

采用P1口作为LED的段码输出信号，P2口的低四位作为LED 位码的输出控制信号。硬件电路的连接如图4-3所示。

该电路的工作原理：当P1口输出段码信号的BCD码后，输出

具有一定驱动能力的七段字形码，由于4-LED的段码输入管脚是并联在一起的，所以每一位LED的段码输入管脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号控制。P2口低四位输出位码信号后接到LED的位码控制端，因此P2口的低四位的位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位LED被点亮，达到动态显示的目的。

说明：1位显示转换通道，2、3和4位显示电压表数值。4.4 A/D转化电路及测量电路的设计

A/D转换器的功能是将模拟量转换为与其大小成正比的数字量信号。能实现这种转换的原理和方法很多，此设计采用ADC0808转换器。ADC0808是一种逐次逼近型的8位A/D转换器件，片内有8路模拟开关，可输入8个模拟量，单极性，量程为0～+5V。引脚功能如下：

（1） IN0～IN7:8路模拟量输入。

（2） ADDA、ADDB、ADDC:模拟量输入通道地址选择，其8位编码分别对应IN0～IN7.

（3） ALE:地址锁存允许，上升沿将通道选择信号存入地址锁存器。

（4） START:ADC转换启动信号，正脉冲有效，引脚信号要求保持在200ns以上，其上升沿将内部逐次逼近寄存器清

零。

（5） EOC:转换解释信号，可做为中断请求信号或供CPU查询。

（6） CLK：时钟输入端，要求频率范围在10kHz～1.2MHz.

（7） OE：允许输出信号。

（8） Vcc:芯片工作电压。

（9） VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压的正、负值。

（10）OUT1～OUT8:8路数字量输出端。

74LS273: 是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用做8位地址锁存器。

基于上述，单片机的P2口高四位分别对应ADC0808的CLK、ALE、EOC和OE端，用软件设定给定的值。ADDA、ADDB和

ADDC连接74LS273的输出端，由74LS273输出值选择通道。IN0～IN7分别接上按钮，按钮的另一端全部接电位器，根据选择的通道，电位器选择测量相应通道的电位，电路图如图4-4所示。

图4-4 A/D转换及测量电路

第5章软件设计与说明

进行应用软件设计时可以采用模块化结构设计，其优点是：

①每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改；

②程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不变，易于功能扩充和版本升级；

③易于使用频繁的子程序可以建立子程序，便于多个模块调用；

④便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作，加快软件研制进度。

5.1 数字电压表系统软件设计方案确定

（1）根据设计要求，根据系统所要完成的功能，设计出图5-1所示的功能模块。

图5-1 数字电压表软件设计的模块

（2）程序的设计

1）主程序的设计主程序的内容一般包括：主程序的起始地址、中断服务额程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。根据设计要求，设计出如图5-2所示的主程序流程图。

图5-2 主程序流程图图5-3 A/D转换子程序流程图

2） A/D转换子程序的设计 A/D转换程序的功能是采集数据，再整个系统设计中占有很高的地位。当系统置好后，单片机扫描转换结束管脚P2.6的输入电平状态，当输入为高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描。程序流程图如图5-3所示。

3）数码转换及显示子程序的设计由于人们日常习惯使用十进制数，而计算机的键盘输入、输出以及显示常采用二进制编码的十进制数（即BCD码）或ASCII码。因此，在程序设计中经常要进行数码转换。流程图如图5-4、图5-5所示。

图5-4数码转换流程图 图5-5 显示子程序流程图

5.2 数字电压表应用程序设计

（1）程序起始地址 MCS-51系列单片机复位后，（PC ）=0000H ，而0003H ～002BH 分别为各中断源的入口地址。所以，编程序时应在0000H 处写一条跳转指令。当CPU 接到中断请求信号并予以响应后，CPU 把当前的PC 内容压入栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序入口处执行。

（2）ADC0808时钟脉冲信号 本例中，采用软件定时的方式，

即T0溢出中断功能实现11μs的定时（ADC0808要求外接时钟信号的频率范围10KHz～1.2MHz）。

该单片机的时钟频率为12MHz，1个机器周期时间是1μs。T0定时器产生11μs的定时，可以计算出计数初值X

X=256-1×11=245

即有 TH0=#245 TL0=#245

工作方式寄存器TMOD=0000 0010B=02H

T0定时器以工作方式2完成定时。

（3）LED动态显示延时 LED显示器每一位的显示时间是5ms,延时5ms子程序是典型的软件定时程序。

说明：LED采用7段字形代码，第2位采用把dp置1的方式显示小数点。

（4）键盘抖动延时防抖动的时间是10ms。

第6章调试结果及其说明与使用说明

6.1 调试结果及其说明

首先采用Keil μVision编译器进行源程序编译及仿真调试，调试好程序后将目标文件导入Proteus进行软件调试。

在Proteus ISIS编辑窗口中单击开始仿真按钮，4位LED数码管显示相应的电压值。当通道打到通道0时，滑动变阻器RV1的阻值调至最小位置时，LED显示00.00，正确显示数值；把RV1调至中间位置时，LED显示02.49，同样正确读出数据；当把RV1的阻值调至最大位置时，LED显示05.00，正确读出数据。同理调试其他通道时，能正确显示通道数和电压值，证明该8路电压表合格。

6.2 使用说明

该数字电压表可以同时测量8路直流数据，电压表测量范围为0.00～5.00V，测量最小分辨率为19.5mv。

总结

本设计以AT89C51单片机为控制核心，通过集成模数转换芯片ADC0808将被测信号转换成数字信号，经单片机内部程序处理后，由LED显示器显示结果。

在此谈谈这次课程设计所遇到的问题及解决方法。首先来说LED驱动的问题。最开始我不清楚加驱动芯片与不加有什么区别，因为有时直接把单片机的输入/输出口与LED相连可以正常工作，后来接电路我把P0口直接接段管脚，结果是LED不能正常显示，如此简单的问题我竟然不知道哪里出错，后来同学帮我指出问题所在。犯的另一个错误就是网络标号的标错，导致电路短路，很明显说明我不够细心，不会检查线路，导致根本就找不出问题。

通过这两周得课程设计，我学会了如何使用Proteus软件，对单片机有了更深的认识和了解，能够用单片机编程解决接单的控制问题，动手能力有了进一步认识和了解。同时，我应该吸取教训，学习就得一丝不苟。

参考文献

1 王迎旭.单片机原理与应用.北京：机械工业出版社，2004.7

2 周向红.51系列单片机应用与实践教程.北京：北京航空航天大学出版社，2008.5

3 刘国荣.单片机微型计算机技术.北京：机械工业出版社，1996

4 周坚.单片机轻松入门（第2版）.北京：北京航空航天大学出版社，2009.1

附录A 元件清单

表1 元件清单表

元件名称所属类类

所属子

AT89C51 CRYSTAL CAP

CAP-ELEC RES

ADC0808

POT-HG BUTTON

74LS273

7SEG-MPX4-CC

8051 Fami ly

Mi croprocessor ICs

Mi scel laneous

Capacitors

Capacitors

Resistor

Data Converters

Resistor

Swi tches&Relays

--

Generi c

Generi c

10 Wait Ri rewound

A/D Converters

Variable

Swi tches

TTL 74LS seri es Fl ip-Fl ops&Latches Optoel ectroni cs7-seg ment Display Swi tches&Relays Swi tches

Swi tch

附录B 系统原理图

附录C 系统程序

WIN1 EQU 30H

WIN2 EQU 31H

WIN3 EQU 32H

WIN4 EQU 33H

BBC EQU 35H

ST BIT P2.5

EOC BIT P2.6

OE BIT P2.7

CLOCK BIT P2.4

ORG 0000H

AJMP START

ORG 000BH

AJMP ST_T0

START: MOV WIN1, #00H ；清零显示数据存储单元 MOV WIN2, #00H

MOV WIN3, #00H

MOV WIN4, #00H

MOV TMOD, #02H

MOV TH0, #245

MOV TL0, #245

MOV IE, #82H

SETB TR0

WAIT: CLR ST

SETB ST

CLR ST ；启动转换

JNB EOC, $

SETB OE

MOV BBC, P0 ；读取AD转换结果

CLR OE

ZH: MOV A, BBC ; 数码转换

MOV B, #51

DIV AB

MOV WIN3, A

MOV A, B

CLR F0

SUBB A, #1AH

MOV F0, C

MOV A, #10

MUL AB

MOV B, #51

DIV AB

JB F0, L1

ADD A, #5

L1: MOV WIN2, A

MOV A, B

CLR F0

SUBB A, #1AH

MOV F0, C

MOV A, #10

MUL AB

MOV B, #51

DIV AB

JB F0, L2

ADD A, #5

L2: MOV WIN1, A

LCALL EXPO

LCALL EXPO1

A1: JNB P3.5, S1 ; 等待按钮按下LJMP WAIT

S1: LCALL DELAY1

JB P3.5,A1；防抖动，不到10ms为干扰信号 INC R0

LCALL DELAY1

LCALL LP1

MOV A,R0