简易数字电压表的设计
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 本设计的研究 2
2 设计总体方案 2
2.1 设计要求 2
2.2 设计方案选择 2
2.3 设计原理 4
3 硬件电路设计 4
3.1 主控芯片模块设计 4
3.2 信号输入与A/D转换模块设计 8
3.3 显示模块设计 11
3.4 按键模块设计 13
3.5 系统整体设计 14
4 软件程序设计 14
4.1 主程序流程图 14
4.2 初始化程序 15
4.3 A/D转换子程序流程图 15
4.4 显示子程序流程图 16
5 系统测试 17
5.1 软件仿真 17
5.2 硬件实物 20
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 选题背景及研究意义
在电量的测量中，最基本的三个被测量是电压、电流和频率，而其中最为经常的是电压量的测量。早期的电压表采用的是传统的指针式刻度电压表，但是它已经不能满足数字化时代的需要了，因为它的功能单一，精度低，从而容易产生视差和视觉疲劳。随着市场需求的不断提高，采用数字化测量技术的数字电压表便应运而生了。数字电压表简称DVM，它可以把采集到的连续的模拟电压量转换成不连续的数字量，然后对离散的、不连续的数字量处理后，再通过显示仪表将其电压值显示出来。随着电子科学技术的发展，数字电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
压表已经成为一种不可或缺的测量仪器，因为人们经常需要测量高精度的电压，而高速发展的数字电压表正好满足人们的需求。
数字电压表的准确度很大程度上受到转换精度的影响，并且高精度和低成本这两个方面也将是以后数字电压表的发展着眼点。目前，A/D转换器是数字电压表的内部核心器件，基于单片机的数字电压表它具有较高的精度、较强的抗干扰能力和较强的扩展性，集成方便，还可与PC实时通信。因而，我们全面深入的学习基于单片机的数字电压表是很有意义的。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
为了满足测量自动化、提高工作效率的需要，快速发展的数字电压表已经成为必不可少的仪表，并且在多种应用领域中被广泛使用。目前，数字电压表主要在新技术和复合型、智能化两个方面有重大突破：
（1）新技术的广泛应用
新的A/D转换技术于20世纪90年代初由世界各国陆续研制。例如：美国研发的四斜率A/D转换技术；荷兰研发的80C51系列的智能化专用芯片；英国研发的自动校准技术等。如今，新研发的数字电压表的精度和可靠性越来越高，而成本却越来越低，并且有向智能化方向发展的趋势。在这些新技术的支持下，数字电压表的发展将有着源源不断的动力。
（2）智能化、复合型仪表
智能仪表只须在外围配置少量元器件，并把CMOS数字IC、模拟IC及微处理器集成在一个超大规模集成电路内即可[1]。它可以完成多项功能，比如：存储、计算、比较、控制等，是一种复合型、智能化的仪表。但是，在实际应用中，数
字电压表并不是各方面都优于指针表，它和指针式电压表各有优缺。比如：在实际应用中，有时候需要观察电压的变化趋势，在这点上数字电压表就不如指针表显示的直观形象，它不能很好的显示出电压的连续变化性。而后，新研发的“一种数字/光柱”的双重显示仪表在20世纪90年代初诞生，它的出现成功地克服了这一不足并运用于生产实践。
数字电压表的高速发展给仪器仪表带来了深远影响，由它发展而来的通用和专用数字仪器仪表不计其数。同时，测量技术也随着数字电压表的发展而被提高到了新的水平，无论是在电量还是非电量测量方面。微型化、集成化、高精度化等是当今的电子科技发展的主要特点，并且呈现出一种长期的发展趋势，这样的发展趋势对我们的设备提出了更高的要求，力求我们的设备更加精密，其中当然也包括测量工具。电压表作为最基本的也是最为常用的电子测量工具在以后的发展中还将面临着更高的要求。
对于未来数字化的仪器仪表的发展，主要有以下几个方面的要求：积极使用新技术，开创创新，研发新产品；显示直观清晰，读数准确；提高测量速度和抗干扰能力，向模块化发展；分辨率高，量程大；集成度高，微功耗。
1.3 本设计的研究
本文研究内容是设计一个简易数字电压表。本系统主要包括三大模块：主控模块、A/D转换模块及显示模块。本设计将要学习了解数字电压表的结构组成、工作原理以及实现方法。通过本设计也将学习了解模数转换的概念、原理、功能及使用方法；掌握数字电压表内部主控器件的工作原理；学习显示装置的设计原理。
2 设计总体方案
2.1 设计要求
本设计的任务要求是设计一个简单数字电压表。电压表所测电压最大量程为300V；有三个档位，3V，30V和300V；数字显示测量值。
2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
设计方案选择
2.2.1 主控模块的选取
本设计的主控模块设计有两种方案，其一是选用STC89C52RC单片机；其二是选用译码芯片CD4543作为设计的主控芯片。若采用第二种方案，实际上它是通过数字电路来实现的。这个方案虽然能够实现设计要求的功能，但它有很多不足的地方，比如：稳定性不高、结构复杂等。若采用第一种方案，选用STC89C52RC单片机作为系统的主控器件，这样的设计相对于选用译码芯片CD4543来说有很多优势，比如它的成本低、功耗低，而且操作容易。单片机可以接收A/D转换后的数据，然后在单机内进行数据处理后，最后再送入显示程序。由此可见，在单片机的控制下本设计的各类功能易于实现，并且测量结果可以稳定的显示出来。通过上述两种方案的性能分析与比较，本设计选择STC89C52RC单片机作为系统的控制单元。
2.2.2 A/D转换模块的选取
单片机虽然拥有很多功能，是一个微型集成芯片，它但是却无法直接处理一个模拟量，所以要借助A/D转换器把模拟量转换成一个数字量，然后再由单片机来处理。目前，在大规模集成电路的发展有利形势之下，不同厂家为了迎合不同应用市场的需求，已经研发出了各种各样型号的A/D转换器。A/D转换器可以分为双积分式、并行式、逐次逼近式，这是根据不同的转换原理划分的[2]。在这3种类型中，双积分式和逐次逼近式A/D转换器是目前应用市场上最常用的。
双积分式A/D转换器一般具有自动调零、七段码输出等功能，比如ICL71XX系列等。逐次逼近式A/D转换器的功能和双积分式有所差异，它一般带有8路模拟选通开关、地址译码、锁存电路等功能，比如ADC0809等。双积分式A/D转换器主要优点在于它具有较强的抗干扰能力和较高的转换精度。而逐次逼近式A/D转换器却拥有更快的转换速率和更高的转换精度。最重要的是，虽然双积分式A/D转换器的价格便宜，但是逐次逼近式A/D转换器它们可以与单片机系统直接相连，这与接口模块采用STC89C52RC单片机作为系统的主控器件的选取相一致。综上所述，在本设计中选择ADC0809芯片。
1 引言 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 本设计的研究 2
2 设计总体方案 2
2.1 设计要求 2
2.2 设计方案选择 2
2.3 设计原理 4
3 硬件电路设计 4
3.1 主控芯片模块设计 4
3.2 信号输入与A/D转换模块设计 8
3.3 显示模块设计 11
3.4 按键模块设计 13
3.5 系统整体设计 14
4 软件程序设计 14
4.1 主程序流程图 14
4.2 初始化程序 15
4.3 A/D转换子程序流程图 15
4.4 显示子程序流程图 16
5 系统测试 17
5.1 软件仿真 17
5.2 硬件实物 20
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 选题背景及研究意义
在电量的测量中，最基本的三个被测量是电压、电流和频率，而其中最为经常的是电压量的测量。早期的电压表采用的是传统的指针式刻度电压表，但是它已经不能满足数字化时代的需要了，因为它的功能单一，精度低，从而容易产生视差和视觉疲劳。随着市场需求的不断提高，采用数字化测量技术的数字电压表便应运而生了。数字电压表简称DVM，它可以把采集到的连续的模拟电压量转换成不连续的数字量，然后对离散的、不连续的数字量处理后，再通过显示仪表将其电压值显示出来。随着电子科学技术的发展，数字电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
压表已经成为一种不可或缺的测量仪器，因为人们经常需要测量高精度的电压，而高速发展的数字电压表正好满足人们的需求。
数字电压表的准确度很大程度上受到转换精度的影响，并且高精度和低成本这两个方面也将是以后数字电压表的发展着眼点。目前，A/D转换器是数字电压表的内部核心器件，基于单片机的数字电压表它具有较高的精度、较强的抗干扰能力和较强的扩展性，集成方便，还可与PC实时通信。因而，我们全面深入的学习基于单片机的数字电压表是很有意义的。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
为了满足测量自动化、提高工作效率的需要，快速发展的数字电压表已经成为必不可少的仪表，并且在多种应用领域中被广泛使用。目前，数字电压表主要在新技术和复合型、智能化两个方面有重大突破：
（1）新技术的广泛应用
新的A/D转换技术于20世纪90年代初由世界各国陆续研制。例如：美国研发的四斜率A/D转换技术；荷兰研发的80C51系列的智能化专用芯片；英国研发的自动校准技术等。如今，新研发的数字电压表的精度和可靠性越来越高，而成本却越来越低，并且有向智能化方向发展的趋势。在这些新技术的支持下，数字电压表的发展将有着源源不断的动力。
（2）智能化、复合型仪表
智能仪表只须在外围配置少量元器件，并把CMOS数字IC、模拟IC及微处理器集成在一个超大规模集成电路内即可[1]。它可以完成多项功能，比如：存储、计算、比较、控制等，是一种复合型、智能化的仪表。但是，在实际应用中，数
字电压表并不是各方面都优于指针表，它和指针式电压表各有优缺。比如：在实际应用中，有时候需要观察电压的变化趋势，在这点上数字电压表就不如指针表显示的直观形象，它不能很好的显示出电压的连续变化性。而后，新研发的“一种数字/光柱”的双重显示仪表在20世纪90年代初诞生，它的出现成功地克服了这一不足并运用于生产实践。
数字电压表的高速发展给仪器仪表带来了深远影响，由它发展而来的通用和专用数字仪器仪表不计其数。同时，测量技术也随着数字电压表的发展而被提高到了新的水平，无论是在电量还是非电量测量方面。微型化、集成化、高精度化等是当今的电子科技发展的主要特点，并且呈现出一种长期的发展趋势，这样的发展趋势对我们的设备提出了更高的要求，力求我们的设备更加精密，其中当然也包括测量工具。电压表作为最基本的也是最为常用的电子测量工具在以后的发展中还将面临着更高的要求。
对于未来数字化的仪器仪表的发展，主要有以下几个方面的要求：积极使用新技术，开创创新，研发新产品；显示直观清晰，读数准确；提高测量速度和抗干扰能力，向模块化发展；分辨率高，量程大；集成度高，微功耗。
1.3 本设计的研究
本文研究内容是设计一个简易数字电压表。本系统主要包括三大模块：主控模块、A/D转换模块及显示模块。本设计将要学习了解数字电压表的结构组成、工作原理以及实现方法。通过本设计也将学习了解模数转换的概念、原理、功能及使用方法；掌握数字电压表内部主控器件的工作原理；学习显示装置的设计原理。
2 设计总体方案
2.1 设计要求
本设计的任务要求是设计一个简单数字电压表。电压表所测电压最大量程为300V；有三个档位，3V，30V和300V；数字显示测量值。
2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
设计方案选择
2.2.1 主控模块的选取
本设计的主控模块设计有两种方案，其一是选用STC89C52RC单片机；其二是选用译码芯片CD4543作为设计的主控芯片。若采用第二种方案，实际上它是通过数字电路来实现的。这个方案虽然能够实现设计要求的功能，但它有很多不足的地方，比如：稳定性不高、结构复杂等。若采用第一种方案，选用STC89C52RC单片机作为系统的主控器件，这样的设计相对于选用译码芯片CD4543来说有很多优势，比如它的成本低、功耗低，而且操作容易。单片机可以接收A/D转换后的数据，然后在单机内进行数据处理后，最后再送入显示程序。由此可见，在单片机的控制下本设计的各类功能易于实现，并且测量结果可以稳定的显示出来。通过上述两种方案的性能分析与比较，本设计选择STC89C52RC单片机作为系统的控制单元。
2.2.2 A/D转换模块的选取
单片机虽然拥有很多功能，是一个微型集成芯片，它但是却无法直接处理一个模拟量，所以要借助A/D转换器把模拟量转换成一个数字量，然后再由单片机来处理。目前，在大规模集成电路的发展有利形势之下，不同厂家为了迎合不同应用市场的需求，已经研发出了各种各样型号的A/D转换器。A/D转换器可以分为双积分式、并行式、逐次逼近式，这是根据不同的转换原理划分的[2]。在这3种类型中，双积分式和逐次逼近式A/D转换器是目前应用市场上最常用的。
双积分式A/D转换器一般具有自动调零、七段码输出等功能，比如ICL71XX系列等。逐次逼近式A/D转换器的功能和双积分式有所差异，它一般带有8路模拟选通开关、地址译码、锁存电路等功能，比如ADC0809等。双积分式A/D转换器主要优点在于它具有较强的抗干扰能力和较高的转换精度。而逐次逼近式A/D转换器却拥有更快的转换速率和更高的转换精度。最重要的是，虽然双积分式A/D转换器的价格便宜，但是逐次逼近式A/D转换器它们可以与单片机系统直接相连，这与接口模块采用STC89C52RC单片机作为系统的主控器件的选取相一致。综上所述，在本设计中选择ADC0809芯片。
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