具有網(wǎng)絡通信功能的電壓表設計

西安建筑科技大學信控學院　梁思雨　李昌華

具有網(wǎng)絡通信功能的電壓表設計

西安建筑科技大學信控學院梁思雨李昌華

本文介紹了具有網(wǎng)絡通信功能的電壓表的設計。該系統(tǒng)主要由三個模塊組成：A/D轉換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉換由芯片ADC0808來完成，它負責把采集到的模擬信號轉換為相應的數(shù)字信號再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理由芯片STC89C2來完成，其負責把數(shù)字信號經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應的顯示碼送到顯示模塊進行顯示；此外，它還控制著ADC0808芯片工作。數(shù)字電壓表電路簡單，所用元件較少，成本低，操作方便。此數(shù)字電壓表可以測量0～20V（0～5V和5～20V兩個量程）的直流輸入電壓值，并且能夠實現(xiàn)RS232通信功能。

數(shù)字電壓表；A/D轉換；STC89C52；ADC0808

1.引言

科學技術的發(fā)展為傳統(tǒng)測量儀器提供了新原理和新技術，同時也對測量儀表提出了更新、更高的要求。測量的儀器儀表不僅要求其測量范圍廣、精度高、價格低、抗干擾性強，還要有通信功能。

傳統(tǒng)的指針式電壓表利用磁電原理驅動指針運動，依靠指針偏向的位置來顯示電壓大小的表。數(shù)字電壓表可以顯示清晰、直觀、讀數(shù)準確、分辨率高、測量速度快、輸入阻抗高、集成度高、微功率和抗干擾能力強等特點。

2.數(shù)字電壓表的硬件電路設計

本設計基于STC89C52微處理器，數(shù)字電壓表系統(tǒng)的組成主要包括單片機最小系統(tǒng)、電壓信號采集電路、A/D轉換電路、LCD1602顯示電路以及通信接口電路。

2.1單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)，是指用最少的元件組成可以工作的單片機系統(tǒng)。對于片內有程序存儲器的51單片機來說，它的最小系統(tǒng)由電源、時鐘電路、復位電路組成。

2.1.1時鐘電路

本設計系統(tǒng)采用外部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器。簡化外部電路，只需要一個晶振和 2個電容即可。如圖2-1所示。

圖2-1　時鐘電路

電路中電容器C5和C6對震蕩頻率有微調作用，在這個系統(tǒng)中選擇了30pF；石英晶振選擇的是11.0592MHz，它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，因而時鐘信號的震蕩頻率為11.0592MHz。

2.1.2復位電路

單片機在啟動運行時都要先復位，使系統(tǒng)中部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。當RST恢復低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。單片機的復位方式有上電自動復位和按鈕復位兩種［7］，本系統(tǒng)采用的是單片機按鈕復位電路，當按下“復位”按鈕，單片機進入復位狀態(tài)。

2.1.3電源模塊

供電電壓是直流5V，為此采用專用直流穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電。其主要參數(shù)如下：

類型：AC/DC電源輸入

輸入：AC100-240V～/50-60HZ/75mA（V）

輸出功率：DC 5V 600mA

型號：NOKIA AC-8C

2.2電壓信號采集電路

電壓信號采集電路由LM317T基準電壓模塊和LM393電壓比較模塊組成。電壓信號采集電路如圖2-2所示。電壓信號經(jīng)輸入端對地輸入。R4、R5對輸入的信號進行分壓：LM317產(chǎn)生1.25V的基準源；LM393為雙電壓比較器，當正端輸入電壓大于負端輸入電壓時將輸出高電平（+5V），反之，將輸出低電平（0V）；PL1為常開繼電器；8050組成開關電路，當LM393輸出高電平時，8050導通，電流經(jīng)R7和8050集電極流向繼電器繞組從而閉合繼電器。當LM393輸出低電平時，8050截止，繼電器關斷。電流經(jīng)IN1通道輸入。

當輸入電壓小于5V時，電阻R4端電壓小于1.25V，LM393輸出高電平，8050導通，繼電器導通，信號通過繼電器傳遞至AD轉換通道IN0；當輸入電壓大于5V而小于20V時，電阻R4端電壓大于1.25V，LM393輸出低電平，8050截止，繼電器截止，信號經(jīng)R4、R5分壓后，轉變?yōu)?～5V信號傳遞至AD轉換通道IN1。

圖2-2　電壓信號采集電路

2.3A/D轉換模塊

A/D轉換電路將量程轉換電路輸入的模擬電壓信號轉成數(shù)字電壓信號，供給主控制器進行數(shù)據(jù)轉換。如圖2-3為A/D轉換系統(tǒng)。采用一片ADC0808，以逐次逼近原理進行模-數(shù)轉換的器件。本系統(tǒng)設計的是2路可自動轉換量程電路，此處只需ADC0808數(shù)據(jù)采集的兩個管腳口IN0、IN1，通過程序的設計形成兩個開關電路，通過單片機的控制可對不同的電壓信號進行數(shù)據(jù)采集和測量。

2.4LCD1602顯示電路

LCD要先進行初始化，之后才能進行顯示。顯示時應根據(jù)顯示的位置先定位，再根據(jù)當前顯示的緩沖區(qū)寫入要顯示的內容，如果連續(xù)顯示，則可連續(xù)寫入顯示內容。由于LCD是外部設備，處理速度比CPU的速度慢，向LCD寫入的命令到完成功能需要一定的時間，在這個過程中，LCD處于忙的狀態(tài)，不能向LCD寫入新的內容。LCD是否處于忙的狀態(tài)可通過忙讀標志命令來了解。另外，為了使LCD能夠正常顯示單片機要顯示的信息，必須使其接口正確的與單片機相連接。連線如圖2-4所示。

圖2-3　ADC0808與單片機的連接電路

圖2-4　LCD與單片機的連接電路

2.5通信接口電路

RS-232C和計算機的TTL電平相連使用時必須加上適當?shù)碾娖睫D換芯片。本系統(tǒng)中采用SIPEX公司生產(chǎn)的SP3223ECY芯片完成串行通信電平轉換，實現(xiàn)遠程計算機命令控制和存儲數(shù)據(jù)上傳。該芯片低能耗和具有待電工作模式。

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1主程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)運行原則，本系統(tǒng)程序劃分為初始化子程序、A/D轉換子程序及顯示子程序，這三個子程序構成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖3-1所示。

圖3-1　主程序流程圖

圖3-2　A/D轉換流程圖

3.2A/D轉換子程序流程圖

A/D轉換子程序控制對輸入的模擬電壓信號的采集測量，并將對應的數(shù)值存入相應的內存單元，其轉換流程圖如圖3-2所示。

3.3顯示子程序流程圖

LCD1602液晶顯示其初始化結束后，進行清屏。當收集到外部數(shù)據(jù)時，設置并顯示數(shù)據(jù)直到整個采集數(shù)據(jù)的轉換顯示完畢。

LCD1602顯示子程序流程圖如圖3-3所示。

圖3-3　顯示程序流程圖

4.測量結果

當調試完成后，讓系統(tǒng)對電壓進行測量。在測量過程中，利用系統(tǒng)對不同給定電壓的測量結果進行分析來檢驗系統(tǒng)的準確度。表4-1所示系統(tǒng)和萬用表對不同電壓進行測試比較的結果。

表4-1　系統(tǒng)和萬用表測量電壓對比結果

5.結論

實驗研究表明本設計提供的數(shù)字電壓表精度高、價格低、抗干擾性強，并且有通信功能。這種數(shù)字電壓表的控制方便，電路簡單，精度較高，成本低。利用AD轉換芯片設計的數(shù)字電壓表將模擬信號轉換為數(shù)字信號并顯示，這在生產(chǎn)生活中有很重要的實際應用方面的意義，今后這方面的技術將得到提高，運用更加廣泛。

［1］楊建成.基于單片機的數(shù)字電壓表設計與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術.

［2］沙占友，王曉君.數(shù)字化測量技術［M］.機械工業(yè)出版社，2009，03：187-189.

［3］陳權昌.單片機原理及應用［M］.華南理工大學出版社，2007：19-22.

［4］維庫電子通.電壓表［DB/OL］.http：//wiki.dzsc.com/info/1800. html.

［5］王偉.感悟設計 電子設計的經(jīng)驗與哲理［M］.北京航空航天大學出版社，2009，05：15-18.

［6］周磊.基于單片機的數(shù)字電壓表［J］.現(xiàn)代婦女（下旬），2013（11）.

［7］王清清.單片機數(shù)字電壓表的設計［J］.科技傳播，2013（21）.

梁思雨（1990—），陜西咸陽人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安建筑科技大學信控學院。

李昌華（1963—）， 寧夏銀川人，教授，碩博士生導師，主要研究方向：數(shù)字建筑，模式識別。