數字電壓表的設計與制作

　　摘 要： 本方案以單片機AT89C51為系統的控制核心，結合A/D轉換芯片ADC0809設計一個數字電壓表，能夠測量0—5V之間的直流電壓值，并通過四位數碼顯示。數字電壓表的電路圖設計在Proteus軟件中進行，執行程序應用C語言在Keil中編寫、調試。
　　關鍵詞： 單片機（AT89C51） 電壓 A/D轉換 ADC0809
　　
　　數字電壓表（Dligita Voltmeter）簡稱DVM，是利用A/D轉換原理，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。通常數字電壓表都采用大規模的A/D轉換集成電路，測量精度高，讀數方便，在體積、重量、耗電、穩定性及可靠性等方面性能指標均明顯優于指針式萬用表。其中，A/D轉換器將輸入的模擬量轉換成數字量，邏輯控制電路產生控制信號，按規定的時序將A/D轉換器中各組模擬開關接通或斷開，保證A/D轉換正常進行。A/D轉換結果通過計數譯碼電路變換成段碼，最后驅動數碼管顯示相應的數值。目前，由各種單片A/D轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。本方案以單片機AT89C51為系統的控制核心，結合A/D轉換芯片ADC0809設計一個數字電壓表，能夠測量0—5V之間的直流電壓值，通過四位數碼顯示。數字電壓表的電路圖設計在Proteus軟件中進行，執行程序用C語言在Keil中編寫、調試。
　　1.數字電壓表硬件電路設計
　　數字電壓表由AT89C51單片機控制電路、12MHz時鐘電路、復位電路、數碼管顯示電路、AD轉換電路和電源電路等主要電路組成，總體組成框圖如圖1所示。
　　1.1時鐘電路
　　時鐘電路也稱為振蕩電路，在計算機系統中起著非常重要的作用，是保證系統正常工作的基礎。80C51單片機芯片機集成了振蕩電路，只要在芯片的第18、19腳外接晶體振蕩器即可工作。如圖4中的晶體振蕩器（X1）、電容C1和C2即構成了單片機所需的時鐘電路。
　　1.2復位電路
　　復位電路的作用是使CPU和系統中的其他功能部件都處在初始狀態，并從初始狀態開始工作。單片機的復位電路是由外部電路來執行的，在RST引腳上加上持續二個機器周期以上的高電平就執行狀態復位。通常采用上電復位和開關復位二種方式。如圖4中單片機第9腳與R1、R2、C3和按鍵開關構成了單片機的復位電路。
　　1.3電源電路
　　電源電路是給數字電壓表提供+5V的供電電路，保證各電路正常工作。
　　1.4數碼管顯示電路
　　數碼管顯示電路的作用是顯示輸入0.00—5.00V的電壓值。系統通過對LED燈的動態顯示及不停的輪流給數碼管位選端加驅動電壓，在給其中一個數碼管位選段加驅動電壓的時候它才能變亮，而其他的是暗的，由于數碼管暗下來需要一定的時間，人眼具有視覺暫留特點，同時系統又給其他的施加驅動電壓，因此我們看到的就是穩定的亮著的數字了，如圖4所示。
　　1.5A/D轉換電路
　　A/D轉換電路的作用是將所輸入的模擬信號轉換成數字信號，然后進行處理。A/D轉換器的轉換精度對測量電路極其重要，它的參數關系到測量電路性能。A/DC0809轉換器的性能比較穩定，轉換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結構簡單。ADC08098路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關，以及相應的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉換時間為100μs左右，圖2為0809引腳圖。
　　1.5.1ADC0809的內部結構
　　ADC0809的內部邏輯結構圖如上圖3所示。
　　圖中多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，這是一種經濟的多路數據采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉換結果通過三態輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統數據總線相連，表1為通道選擇表。
　　1.5.2信號引腳
　　ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖3。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下。
　　IN7～IN0——模擬量輸入通道。
　　ALE——地址鎖存允許信號。對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中。
　　START——轉換啟動信號。START上升沿時，復位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，START應保持低電平。本信號有時簡寫為ST。
　　A、B、C——地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態與通道對應關系見表1。
　　CLK——時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。
　　EOC——轉換結束信號。EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。使用中該狀態信號即可作為查詢的狀態標志，又可作為中斷請求信號使用。
　　D7～D0——數據輸出線。為三態緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。D0為最低位，D7為最高位。
　　OE——輸出允許信號。用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。
　　Vcc——+5V電源。
　　Vref——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=-5V）。
　　1.5.3電路電路連接
　　ADC0809與單片機的電路連接主要涉及兩個問題。一是8路模擬信號通道的選擇，二是A/D轉換完成后轉換數據的傳送。根據表1中所示將ADC0809的地址線A、B、C接低電平即可選擇通道1（IN0），ADC0809的數據輸出線D7～D0接80C51的P0口，如圖4所示。
　　1.6測試電壓輸入電路
　　輸入電路的作用是把不同量程的被測的電壓規范到A/D轉換器所要求的電壓值。本電路設計所用電壓為0.00—5.00V，其大小通過滑動變阻器調節。
　　數字電壓表硬件電路如圖4所示。
　　2.數字式電壓表程序設計
　　2.1數字式電壓表程序流程圖
　　2.2Keil C51參考程序如下
　　#include "reg51.h"
　　#define uchar unsigned char
　　#define uint unsigned int
　　//*————————數碼管段碼定義————————*//
　　uchar code table={0xc0，0x99，0xa4，
　　0xb0，0xf9，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90}；
　　//*————————0809引腳定義————————*//
　　sbit st=P2^7；
　　sbit oe=P2^5；
　　sbit eoc=P2^6；
　　sbit clk=P2^4；
　　//*——————-延時子函數————————*//
　　void delay（uchar z）
　　{
　　uint x，y；
　　for（x=z；x>0；x——）
　　for（y=110；y>0；y——）；
　　}
　　//*———————啟動轉換子函數————————*//
　　void start（）
　　{
　　st=0；oe=0；st=1；st=0；
　　}
　　//*————————顯示子函數——————————*//
　　xian（uchar b）
　　{
　　P2=0x01；
　　P0=table［b%10］；
　　delay（1）；
　　P2=0x02；
　　P0=table［b/10%10］；
　　delay（1）；
　　P2=0x04；
　　P0=table［b/100%10］&0x7f；
　　delay（1）；
　　P2=0x08；
　　P0=table［b/1000］；
　　delay（1）；
　　}
　　//*————————-主函數————————*//
　　void main（）
　　{
　　uint B；
　　uchar date；
　　TMOD=0x01；
　　TH0=（65536-20）/256；
　　TL0=（65536-20）%256；
　　EA=1；
　　ET0=1；
　　TR0=1；
　　start（）；//啟動轉換
　　while（1）
　　{
　　while（eoc==0）；//等待轉換結束
　　oe=1；//允許輸出
　　date=P0；
　　start（）；
　　oe=0；
　　B=date*5.0/255；
　　xian（B）；//顯示轉換結果
　　}
　　}
　　//*————-T0定時器中斷子函數給ADC0809提供時鐘信號————-*//
　　void time0（）interrupt 1 using 1
　　{
　　TH0=（65536-20）/256；
　　TL0=（65536-20）%256；
　　clk=~clk；
　　}
　　3.測試與調試
　　本設計應用Proteus和Keil51軟件，首先根據自己設計的電路圖用Proteus軟件畫出電路模型，然后用Keil51軟件對所編寫的程序進行編譯、鏈接，如果沒有錯誤和警告便可生成程序的hex文件，再將此文件加到電路圖上使軟硬件結合運行，最后進行端口電壓的對比測試，測試的結果如圖5所示。
　　
　　參考文獻：
　　［1］姜治臻.單片機技術及應用.高等教育出版社，2009，7.
　　［2］彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例.電子工業出版社，2009，6.