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数字电压表设计报告(终结版)

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2

数字电压表

摘要

在电子器件设计中，以单片机作为控制核心的系统得到了广泛的应用，尤其以MCS-51最为普遍。而数字电压表的基本原理是对直流电压进行模数转换，并将其结果用数字直接显示出来。为以单片机为控制核心实现数字电压表的设计，结合了模数转换技术，段码显示以及液晶显示，并结合ADC0809芯片及74HC573，进而实现了对5V以内的直流电压的准确测量，并在数码管以及液晶显示屏上同时显示。并进一步扩展，实现了最多可以对八路电压同时进行测量。而且对于超出测量范围的电压能够以LED灯的闪烁实现报警。

关键词：MSC-51 ADC0809 数字电压表 数模转换 LCD

目录

1 系统设计 3
1.1 方案设计与论证 3
1.1.1 方案设计 3
1.1.2 方案论证 3
1.2 主要部件原理及参数计算 3
1.2.1 输入单元电路设计 3
1.2.2 A/D转换电路设计 4
1.2.3 单片机主控电路设计 5
1.2.4 电压显示电路设计 6
1.3 系统设计 7
1.3.1 硬件设计 7
1.3.2 软件设计流程 7
2. 系统测试 9
2.1 测试方法与结果 9
2.2 测试结论 9
2.2.1 功能实现 9
2.2.2 误差分析 10
3. 附录 10
3.1 参考文献 10
3.2 附图 10
3.3 源程序 12

1. 系统设计
1.1 方案设计与论证
数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，目前采用单片机设计的数字电压表，由于精度高、抗干扰能力强、可扩展性强、集成方便，还可以与PC进行实时通信，所以以下方案均采用单片机设计。

1.1.1 方案设计
方案一：基于MSP430F448单片机的数字电压表设计。MSP430F44x系列单片机片内集成了8路12位A／D、串行通信接口、看门狗定时器、比较器、硬件乘法器等外围设备模块，从而降低了应用电路的复杂程度，提高了系统的可靠性。该芯片可以工作于2．5V和3．3V两种电压下，其功耗非常低。
方案二：使用AT89C51单片机作为核心控制芯片，并用TLC549串行芯片作模数采样芯片。其占用的单片机的I/O口少且占用电路面积小。其缺点是编程比较复杂。
法案三：使用AT89C51单片机作为核心控制芯片，并采用ADC0809数模转换芯片其需要占用一个I/O口，可以循环采样8路模拟通道。占用板子面积大但编程相对更为简单。

1.1.2 方案论证
采用MSP430F44x系列单片机设计具有低功耗、系统稳定、外围电路简单等优点，但是考虑现有资源使用2．5V和3．3V电源供电具有一定难度。对比方案二和方案三，结合实际情况，采用TLC549串行芯片实现电路不具有可行性，所以本设计采用方案三。

1.2 主要部件原理及参数计算
如何实现5V模拟电压转换成数字电压？如何实现数字电压经过控制显示在数码管上和液晶屏上？它们的参数如何设置？下面将回答这些问题。

1.2.1 输入单元电路设计
输入电路的作用是把被测的模拟电压值送到模数转换器的模拟输入端，使用单片机学习板输出5V直流电压，然后经过电位器选择不同的电压，最后将转换后的模拟电压送至ADC0809芯片。

图1-2-1 输入电压等效电路
1.2.2 A/D转换电路设计
本设计采用ADC0809芯片进行数模转换，ADC0809是具有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。
A/D转换工作原理：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。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。其结构原理图和外部引脚图如图1-2-2所示。

图1-2-2 ADC0809内部结构框图及引脚图
本设计通过输入电路将8路输入电压送入ADC0809。并通过单片机P3端口控制实现模数转换，并将转换后的数字信号送入单片机的P2口。ADC0809芯片的时钟信号由单片机产生，送入芯片clock端口。芯片的基准电压和电源电压均由单片机学习板提供。
1.2.3 单片机主控电路设计
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图1-2-3所示。

图1-2-3 AT89C51引脚图
本电路通过单片机定时器给ADC0809芯片提供500KHz的时钟信号，用P3口来控制ADC芯片的工作和输入电压通道的选取。将数模转换后的数据通过P0端口送入74HC573芯片锁存，再由P1端口控制将其数值分别显示在数码管和液晶屏上。
1.2.4 电压显示电路设计
（1）LED显示
LED显示器引脚如图1-2-4所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管其中a，b，c，d，e，f，g为4位LED各段的公共输出端1，2，3，4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后引出到器件的外部。本电路通过使用两天74HC573芯片分别控制LED的位选与段选。

图1-2-4 LED数码管引脚图

（2）LCD液晶屏显示
本电路采用LCD1602液晶屏来显示电压值1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。其引脚图如图1-2-5所示。本设计通过单片机P0口直接与LCD的输入端相连，并通过单片机P3口来控制液晶屏的显示。

图1-2-5 LCD1602引脚图

显示电路总体思路是以单片机为主要控制核心芯片，并结合锁存芯片对LED进行位选与段选，并通过P3口控制液晶屏来实现。具体电路如图1-2-6所示。

图1-2-6 显示电路

1.3 系统设计
多路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和液晶屏显示电路组成。

1.3.1 硬件设计
本设计的数字电压表的系统框图如图1-3-1所示。
LED显示
单片机控制
A/D
转换

输入
电路

LCD显示

图1-3-1 系统框图

1.3.2 软件设计流程
（1）主程序
主程序包括初始化部分，A/D转换控制部分和定时子程序。同时还设置了多路循环显示和超压报警子程序。程序框图如图1-3-2所示。

开始

初始化

转换完成？

开始A/D转换

转换完成？

NO

YES

数据处理

LCD、LED屏、警告循环显示50次

图1-3-2 主程序流程图

（2）显示子程序
该部分分别实现了LED数码管和LCD液晶屏的同步显示功能，并且在液晶屏上显示出对应的电压路数和一些适当的标志。
2. 系统测试
2.1 测试方法与结果
（1）测试方法
实物电路的测试，首先根据仿真电路图焊接实物电路，连接好后，将C语言程序下载到单片机内，进行测试，将侧的的数值记录下来，然后再用已有的数字电压表对可变电阻的电压进行测量，将两组数据进行比较，看结果是否一致，如果不一致，计算测量误差。
（2）测试结果
表2-1-1实物电路的测试结果

R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
第一次
真实值（v）
3.17
3.02
1.78
3.34
1.83
3.63
2.88
2.13
测得值
3.20
3.03
1.80
3.34
1.84
3.65
2.89
2.14
第二次
真实值
3.27
4.98
1.68
0.92
4.15
2.15
3.15
1.33
测得值
3.28
4.98
1.68
0.92
4.17
2.17
3.17
1.34
2.2 测试结论
通过使用万用表多次测量，并与实际值进行对比。

2.2.1 功能实现
以上测试结果表明，本设计完成了基本要求，并且完成了发挥部分的全部要求。具体利于下：
（1）0-5V直流电压的获取。
（2）采用AD转换器ADC0809实现单通道直流电压检测。
（3）用学习板数码管以及外扩液晶1602显示所测电压值
（4）实现多通道直流电压检测，在数码管以及外扩液晶1602上轮流显示各路电压值。
（5）设定电压报警值（上下限），当超过这一数值时，会出现二极管闪烁。
（6）在基础和扩展要求实现的情况下，我们还将电压路数同时显示在液晶屏上，更具有实用性。

2.2.2 误差分析
通过分析以上测试数据，得出一下结论：
（1）测量值与实际值有一定的误差，其主要原因是因为A/D转换芯片自身的转换误差和实际电路延时问题造成的。
（2）两次测量值有一定的偏差，其主要原因是因为使用单片机学习班提供5V供电，由于单片机输出电压不稳定，造成以上结果。

3. 附录
3.1 参考文献
[1]胡汉才主编.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社,2010
[2]郭天祥主编.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009
[3]蒋青主编.通信原理.北京:人民邮电出版社，2011
[4] 蒋廷彪,刘电霆,高富强,方华.单片机原理及应用.出版社:重庆大学出版社.出版时间:2005
年1月第2次印刷
[5] 8051实验指导书电子电气综合实训系统.出版社:北京精仪达盛科技有限公司
[6] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版
社,2004
[7] 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002
[8] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.第一期
[9]《MCS-51系列单片机系统及其应用》蔡美琴 高等教育出版
[10]《过程控制与仪表》陈乐 中国计量学院出版社，2007-3

3.2 附图

附图1 系统仿真图

附图2 作品实物
3.3 源程序

void main()
{

TimeInitial();
init();
while(1){

for(lu=0;lu<8;lu++)
{
P3=lcd_wei[lu];
ST=0;
OE=0;
ST=1;
ST=0;
while(EOC==0);
OE=1;
getdata=P2;
OE=0;
deal();
lcd();
for(i=0;i<100;i++)
{
Display();
warning();
}

}
}
}
#include
#include
#define uchar unsigned char
unsigned char code dispbitcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c};
unsigned char code lcd_tab[]="0123456789.V";
unsigned char code lcd1_tab[]="The voltage is :";
unsigned char code lcd2_tab[]="num";
unsigned char code lcd3_tab[]="12345678";
unsigned char code lcd_wei[]={0x0f,0x1f,0x2f,0x3f,0x4f,0x5f,0x6f,0x7f};
unsigned char dispbuf[4];
unsigned int i,j,temp,temp1,lu;
unsigned char getdata,num;
sbit ST=P3^0;
sbit OE=P3^1;
sbit EOC=P3^2;
sbit CLK=P3^3;
sbit adca=P3^4;
sbit adcb=P3^5;
sbit adcc=P3^6;
sbit lcdrs=P1^4;
sbit lcden=P1^5;
sbit Dig_ce=P1^1;
sbit led_ce=P1^2;
void TimeInitial();
void Delay(unsigned int i);
void Display();
void lcd();
void key();
void warning();
void deal();

void write_com(uchar com)
{
lcdrs=0;
P0=com;
Delay(1);
lcden=1;
Delay(1);
lcden=0;
}

void write_data(uchar date)
{
P0=0;
lcdrs=1;
P0=date;
Delay(1);
lcden=1;
Delay(1);
lcden=0;
}

void init()
{
P0=0;
lcden=0;
write_com(0x38);
write_com(0x0c);
write_com(0x06);
write_com(0x01);
}

void main()
{

TimeInitial(); //提供时钟信号 //P3 口初始化
init();
while(1){

for(lu=0;lu<8;lu++)
{
P3=lcd_wei[lu];
ST=0; //初始化
OE=0; //初始化
ST=1; //复位 开始转换 下降沿开始转换
ST=0; //转换期间保持低电平
while(EOC==0); // EOC 为低时 表示正在转化 自循环
OE=1; // EOC 为高时 且oe=1时 转化完成 输出数据
getdata=P2;
OE=0; // adc禁止输出数据
deal();
lcd();
for(i=0;i<100;i++)
{
Display();
warning();
}

}
}
}

void deal()
{
temp=(getdata*1.0/255)*500; getgata=v*(2^8-1)/5
dispbuf[0]= temp/1000;
dispbuf[1]=temp/100%10;
dispbuf[2]= temp/10%10; dispbuf[3]=temp%10;
}
void lcd()
{
P0=0;
write_com(0x80);
for(num=0;num<16;num++)
{
write_data(lcd1_tab[num]);
}
write_com(0x80+0x40);
for(num=0;num<3;num++)
{
write_data(lcd2_tab[num]);
}
write_data(lcd3_tab[lu]);

write_com(0x80+0x49);
for(num=0;num<4;num++)
{
write_data(lcd_tab[dispbuf[num]]);
if(num==1)
write_data(lcd_tab[10]);
}
write_data(lcd_tab[11]);
}

void write_com(uchar com)
{
lcdrs=0;
P0=com;
Delay(1);
lcden=1;
Delay(1);
lcden=0;
}

void write_data(uchar date)
{
P0=0;
lcdrs=1;
P0=date;
Delay(1);
lcden=1;
Delay(1);
lcden=0;
}

void init()
{
P0=0;
lcden=0;
write_com(0x38);
write_com(0x0c);
write_com(0x06);
write_com(0x01);
}

void warning()
{
P0=0;
if((temp/100%10)>=4||(temp/100%10)<1)
{
led_ce=0;
P0=0xf0;
Delay(5);
led_ce=1;
}
void Display()
{
unsigned char i,a;
P0=0;
a=0xf7;
for(i=0;i<4;i++)
{
P0=a;
P1_1=1;P1_1=0; Delay(3);

P0dispbitcode[dispbuf[i]]; P1_0=1;
if(i==1)
P0_7=1;
P1_0=0;
Delay(4);
P0=0x00;
P1_0=1; P1_0=0;
a=_cror_(a,1)；
}
}

void TimeInitial()
{
TMOD=0x10;
TH1=(65536-200)/256; //200us
TL1=(65536-200)%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
}

void T1_timer()interrupt 3
{
TH1=(65536-200)/256;
TL1=(65536-200)%256;
CLK=~CLK;
}

void Delay(unsigned int i)
{
unsigned int j;
for(;i>0;i--)
for(j=124;j>0;j--);
}

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