基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

西安文理學(xué)院　李　航　李攀攀　韓利凱

基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

西安文理學(xué)院李航李攀攀韓利凱

為解決精確測(cè)量電壓的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表，可以測(cè)量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值，并通過(guò)數(shù)字顯示屏顯示出來(lái)，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低且測(cè)量精度較高。

單片機(jī)；數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換器

0　引言

在電量的實(shí)際測(cè)量中，電壓、電流、頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)對(duì)象，其中，電壓的測(cè)量是最頻繁的，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度電壓的測(cè)量成為必然，因此，數(shù)字電壓表就成為必不可少地測(cè)量工具。由于數(shù)字測(cè)量?jī)x器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精確度高、靈敏度高、分辨率高、誤差小，測(cè)量速度快等特點(diǎn)，所以倍受用戶(hù)的親睞［1］。

1　設(shè)計(jì)方案

1.1工作原理

利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表，此方案的原理是：

（1）模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測(cè)量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測(cè)電壓；

（2）模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來(lái)采集這些數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電壓的值；

（3）單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好的被測(cè)電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字電壓表中包含三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸入/輸出模塊。

（1）在數(shù)據(jù)采集模塊中，主要是對(duì)電壓信號(hào)采樣前，用放大器進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)保持器保持采樣。

（2）A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0832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)間成100μs，模擬輸入電壓范圍為0V～+5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)，功耗低，約15mw［2］。

（3）單片機(jī)采用AT89C51作為系統(tǒng)的控制單元，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將被測(cè)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)中，再由單片機(jī)來(lái)送顯。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由6個(gè)部分組成：A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及測(cè)量電壓輸入電路，硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3　系統(tǒng)的程序計(jì)及仿真調(diào)試

3.1程序設(shè)計(jì)方案

將系統(tǒng)程序劃分為初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，程序流程如圖2所示。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換流程

（1）初始化程序

所謂初始化，是對(duì)將要用到的MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開(kāi)中斷和打開(kāi)定時(shí)器等［3］。

（2）A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序用來(lái)控制對(duì)輸入的模塊電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單位，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖3所示。

（3）顯示子程序

顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管顯示數(shù)值，在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí)，既要使LED顯示的比較均勻，又要有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率。系統(tǒng)采用掃描頻率為70HZ，間隔10ms對(duì)LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時(shí)間為1ms［4］，可以產(chǎn)生比較理想的顯示效果。

3.2仿真調(diào)試

運(yùn)用Proteus軟件進(jìn)行仿真，并結(jié)合Keil軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。當(dāng)CH0口輸入電壓值為3.50V，顯示結(jié)果如圖4所示，測(cè)量誤差為0V。

圖4　輸入電壓為3.50V時(shí)，LED的顯示結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外接元件少、成本低，在實(shí)際測(cè)量工作中，使用方便，測(cè)壓準(zhǔn)確，精度較高。

［1］吳金戌，沈慶陽(yáng)，郭庭吉編著.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［2］余文俊.C語(yǔ)言實(shí)習(xí)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

［3］王怡亭.基于單片機(jī)控制的新型交流電壓表系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2013（2）.103～104.

［4］吳昌東，吳學(xué)杰著.基于單片機(jī)的新型數(shù)字式電壓表設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（5），133～134.

Design of Simple Digital Voltmeter Based on Single-chip Microcontroller

Xi’an University of Arts and Science
Li hang Li pan-pan Han li-kai

In order to solve the problem of the precise measurement of voltage， design a simple digital voltage meter microcontroller based on can measure 0-5V road DC analog input voltage value， and displayed through the digital display， system circuit is simple， reliable， low cost and high measurement precision.

Single-chip microcontroller;Digital voltmeter;A/D converter