基于簡易直流數字電壓表的硬件仿真

王剛

摘要： 本文設計了一個簡易直流數字電壓表，通過Keil軟件的程序編譯、調試和Proteus的硬件仿真，利用單片機、A/D轉換芯片以及數碼管對0～5V的模擬直流電壓進行測量、顯示。本設計具有電路結構簡單、成本低廉、精度較高等特點。通過簡易數字電壓表的硬件仿真，對虛擬設備的教學展示及應用系統的設計具有較大作用。

Abstract： This paper designed a simple DC digital voltmeter， through the Keil software program compilation， debugging and Proteus hardware simulation， single-chip， A / D conversion chip and digital tube 0 ～ 5V analog DC voltage are used for measurement and display. The design has a simple circuit structure， low cost， high precision. Through the simple digital voltmeter hardware simulation， it is important for the virtual equipment teaching display and application system design.

關鍵詞： Proteus；Keil；單片機；A/D轉換；硬件仿真

Key words： Proteus；Keil；single chip microcomputer；A/D conversion；hardware simulation

中圖分類號：TM933.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0223-02

0 引言

電壓表可分為模擬式和數字式兩大類。隨著半導體技術、集成電路和微處理技術的發展，數字電路和數字化測量技術有了巨大進步，促使了數字電壓表的快速發展。相對于指針式電壓表，數字電壓表一般具有準確度高、數字顯示、讀數迅速準確、精度高、操作簡便等優點，使其獲得越來越廣泛的應用。

本設計選用Proteus和Keil的開發平臺。Proteus是英國著名的EDA工具，將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其支持的處理器模型種類繁多。在編譯方面，支持多種編譯器。Keil 是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機軟件開發系統。Keil提供C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境將這些部分組合在一起，使程序設計事半功倍。

1 系統總體設計

考慮系統功能及要求，本次設計的簡易直流數字電壓表主要由三個模塊組成：A/D轉換模塊、數據處理模塊及顯示模塊。A/D轉換模塊采用芯片ADC0831，數據處理模塊選用單片機STC89C52，顯示模塊采用四位一體的共陽數碼管。系統組成框圖如圖1所示。

2 硬件仿真設計

系統仿真電路主要由A/D轉換、數據處理、顯示等部分組成，仿真電路如圖2所示。

①A/D轉換：常用的A/D轉換方式可分為并行A/D和串行A/D。并行方式轉換效率較高，但芯片引腳較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需數據。使用串行器件可節省單片機的I/O資源，電路簡單。本次設計選用串行A/D轉換芯片ADC0831。該芯片是8引腳雙列直插式A/D轉換器， 8位的分辨率（最高分辨可達256級），可以適應一般的模擬量轉換要求。芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。轉換速度快且穩定性能強。由于它體積小，兼容性強，轉換速度較高（轉換時間32uS），單電源供電，功耗低（15mW），性價比高并適用于各種便攜式智能儀表而深受單片機設計愛好者及企業歡迎。在本電路中ADC0831的輸入口VIN+接收0～5V的模擬量直流電壓，經過模數轉換后，產生的數字量經過其輸出通道DO傳送給單片機的P1.2口。ADC0831的片選信號由單片機P1.0口控制，時鐘信號由單片機P1.1口為其提供。

②數據處理：選用單片機STC89C52。在實時檢測和自動控制的應用系統中，單片機往往作為一個核心部件來使用。STC89C52是低功耗、高性能的8位單片機。它因體積小、成本低、功能強而得到了廣泛的應用。在本電路中構成的單片機最小系統負責把模數轉換后的數字量經過數據處理，產生正確的顯示段碼，經過P2.0～P2.7通過數碼管顯示出來。同時單片機還通過其I/O口的P0.1～P0.4作為顯示部分的位選信號，送給數碼管的位選端，控制對應數碼管的亮滅。

③數據顯示：選用一個四位一體的共陽7段數碼管，用于顯示簡易直流數字電壓表測量到的電壓值。數碼管顯示分為動態顯示和靜態顯示。如果采用靜態顯示控制4個LED，需要對單片機的I/O口進行擴展，這將大大增加硬件電路的復雜性及成本，因此本設計選用動態顯示。動態顯示是利用人的視覺暫留效應，按位輪流點亮各位LED，如果每位LED閃動的頻率足夠高，就可以給人一種穩定顯示的視覺效果。本電路中每位數碼管的各個段碼分別與單片機P2口連接，單片機段選信號的輸出信號經過電阻來控制數碼管某一段點亮，電阻起到限流作用，以防止電流過大燒壞數碼管。數碼管的位選端用于接收單片機P0口產生的位選碼。endprint

3 軟件設計

簡易直流數字電壓表的程序編寫采用C語言進行設計，C語言因執行效率高、可移植性好，可直接對硬件進行操作等多種優勢而被廣泛使用。程序設計采用查詢方式，能夠對外部電壓的變化實時查詢、數據處理，使數碼顯示隨之發生相應的變化。程序的主函數包括三部分：讀取A/D轉換數據函數READ_ADC0831（ ）、數據處理函數data_process（voltage）、動態顯示函數seg_display（ ）。以下為主函數。

void main （ ）

{ unsigned int voltage；

while（1）

{ unsigned char READ_ADC0831（ ）；

voltage=READ_ADC0831（ ）；

data_process（voltage）；

seg_display（ ）；delay_ms（1）；}}

①讀取A/D轉換數據函數：A/D轉換子函數用來將輸入的模擬直流電壓信號轉換為對應的數值并存入單片機相應的內存單元。通過查閱ADC0831的相關資料，按其工作時序圖，進行讀取轉換程序進行設計，并在主函數中調用A/D轉換數據函數。

②動態顯示函數：采用動態掃描法實現四位數碼管的數值顯示。動態掃描顯示過程：在某一時段只讓其中1位的LED位選口有效，并在段選口上送出相應的字形顯示編碼。這時在選中的LED上顯示指定字符，其他位的LED處于熄滅狀態；延時一段時間，下一時段按順序選通另外1位LED，并送出相應的字形顯示編碼，依此規律循環下去，直到最后1位LED被選通，顯示指定字符。反復進行以上LED動態掃描過程，就能實現各位LED穩定顯示字符的效果。動態顯示函數設計如下：

void seg_display（void）

{#define segdata P2

#define segselt P0

unsigned char code segtab[]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x83，0xf8，0x80，0x98}；

unsigned char i，scan；scan=1；

for（i=0；i<5；i++）{segselt =scan；segdata =segtab[disp[i]]；

delay_ms（1）； scan<<=1；}}

③數據處理函數：將A/D轉換程序的8位二進制數（00H-FFH）轉換成0.000～5.000的字符形式，4位LED數碼管上需要顯示其中的高四位，數據處理函數采用拆字法實現，設計如下：

void data_process（unsigned char value）

{unsigned int temp；temp=value*196；

disp[0]=temp/10000；

disp[1]=（temp/1000）%10；

disp[2]=（temp/100）%10；

disp[3]=（temp/10）%10；}

4 測量結果

硬件仿真電路調試運行后，通過數碼管顯示的數字與仿真電路中電壓表所測得的電壓值進行比較，成功的取得了一組測量數據。測量結果如表1所示。

5 結語

通過系統的總體設計、搭建硬件仿真電路、軟件設計、軟硬聯調，成功設計了簡易直流數字電壓表，該表具備功能可靠、精度較高、結構簡單等優點。此次設計的硬件仿真適合應用于虛擬儀器的教學演示和實際應用系統設計等方面。

參考文獻：

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