单片机的数字电压表设计与实现
摘 要本课题基于单片机设计数字电压表控制系统，选用了ATMEL公司推出的AT89S51单片机作为核心部件，设计了一个能够实现直流电压快速检测、显示功能的智能系统。这款控制系统的实现主要依靠了51单片机强大的控制作用，通过输入输出各种形式的电平信号来对ADC0832模数转换器以及LCD1602液晶屏等模块的控制，从而将各模块的功能融为一体。本文在硬件和软件两个层面上对数字电压表控制系统进行了分别设计，在软件上通过原理图以及在软件上通过流程图的形式对整个控制系统的设计思路以及设计过程进行了阐述。经过了大量的测试和验证，本文所设计的系统能够达到很高的性能指标，非常适合将其推向数字电压表系统的市场之中，并且具有取代现有相关产品的实力。
目录
一、引言
二、方案选择及元器件介绍
（一） 主控器的选取
（二） AT89S51单片机
（三） ADC0832模数转换器芯片简介
（四） LCD1602显示器概述
三、硬件系统设计
（一）数字电压表控制系统结构框图设计
（二）最小系统设计
1. 时钟电路设计
2. 复位电路设计
（三）ADC0832转换电路设计
（四）显示电路设计
（五）按键电路
四、软件系统设计
（一）数字电压表控制系统软件工作流程设计
（二）直流电压采集流程设计
（三）显示器工作流程设计
五、实物制作
（一）实物制作
（二）调试问题总结
六、总结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 程序
一、引言
电压检测技术是伴随着半导体技术的出现和发展而实现的，这种技术能够实现模拟电压值得快速测量并通过特定方式进行显示，并伴有一定的报警信号等常见功能，目前电压检测技术已经形成了模拟电路检测以及数字电路检测两种大类，其中模拟电路检测具有检测速度快、响应时间短以及功耗低等显著特点，而数字电路检测具有检测清晰度高以及显示效果好
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
等特点。最早的电压检测得益于法拉第电磁感应效应的发现，当一定的电压流过导线时，导线周围将产生一定的磁感应效应，科学家通过对这种现象的应用，发明了能够实现对电磁感应的测量，这种测量方式也就是我们今天经常使用到的机械式电压表，机械式电压表中的表头是一种能够对电磁场做出迅速反应的一种机械结构，表头中的指针会随着磁场强度的不同大小发生不同角度的旋转，这种电压表由于不需要消耗任何电能，并且对被测电路不会产生任何影响，因此在将其推向市场后并经过不断的改进和优化，一直沿用至今。当半导体技术在二十世纪出现后，许多的测量技术已经能够很方便的通过电路来实现，这种测量电路由于只依靠半导体器件的连接来实现，因此在外观上比机械式测量表的体积要小得多，许多半导体公司对电子式电压测量技术进行了大量的研发并推出相关的产品，这些产品在进入市场后迅速赢得了用户的喜爱。这些被植入电子测量技术的系统在使用时能够呈现出比机械式电压表更好地显示效果，通过相应的数字技术，将LCD等液晶屏嵌入到电子式电压表中，不但能够对测量结果进行直接的显示，不但省去了在使用机械式电压表时读取测量结果的时间，并且还大大降低了认为误读因素等导致的错误测量结果率，因此电子式电压表在其发展过程中不断地将机械式电压表进行淘汰。目前电子式电压表的测量前端有两种主要方式，第一种是通过模拟电路来实现，将待测电压信号通过前端的衰减、放大、滤波、波形整形以及比较等处理，能够在很短的响应时间下快速得到测量数据，将测量数据传送到后端的数字处理模块进行显示以及报警等操作；第二种方法是通过高清晰度或者高速的A/D（模数转换器）来对待测电压进行采集，并将采集结果转换为相应位数的数字信号，传送到后续的单片机等控制芯片内，对采集结果进行解码、显示以及报警等处理，这种纯数字式的电压检测相比模拟电路检测来说，响应时间较长并且系统的整体功耗高，然而近些年随着模数转换技术的不断发展，纯数字式电压检测系统也在不断的得到发展和普及。
目前国内外对于电压检测技术都有着广泛的研究，虽然对于直流电压以及低频信号电压已经有了非常完善的测量方法，但是对于高频以及甚高频的测量方法还不能得到普及，尽管ADI以及TI公司等都有推出其独特并且能够对射频信号电压进行检测的集成芯片，但是这些芯片的成本较为昂贵，还不能够实现在电压表中的普及，因此目前国内外的科研小组以及研究所对于高频电压的检测仍在不断地进行攻坚克难。目前国内外对于电压测量技术的实现上，所取得的现状主要表现在能够实现较高位数的测量结果，六位半的电压表造价已经大幅度降低，国外先进的电压表已经能够达到八位。
本文选用了目前在市场上和大学单片机教学中使用最为广泛，并且受到一致好评的51单片机作为主要控制芯片，以此作为核心芯片，设计了一款能够实现
直流电压快速检测、显示功能的单片机自动控制系统，通过对硬件系统以及软件系统的构建，轻松地实现了毕业设计初期设立的所有指标和性能，并最终通过Proteus 7.8仿真平台实现了对控制系统的仿真，通过电脑显示器展现了单片机控制系统实际运行中所表现的功能和现象。
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
4、能实现电压的采集和转换；
5、能实现51单片机对ADC0832模数转换器的驱动，通过ADC0832实现对模拟电压信号进行检测和转换，将转换后的数字信号传送给51单片机进行处理和现实；
6、电压测量范围为0~5V，精度误差0.02V以内；
二、方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89S51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89S51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89S51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89S51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路解决很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89S51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89S51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89S51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
目录
一、引言
二、方案选择及元器件介绍
（一） 主控器的选取
（二） AT89S51单片机
（三） ADC0832模数转换器芯片简介
（四） LCD1602显示器概述
三、硬件系统设计
（一）数字电压表控制系统结构框图设计
（二）最小系统设计
1. 时钟电路设计
2. 复位电路设计
（三）ADC0832转换电路设计
（四）显示电路设计
（五）按键电路
四、软件系统设计
（一）数字电压表控制系统软件工作流程设计
（二）直流电压采集流程设计
（三）显示器工作流程设计
五、实物制作
（一）实物制作
（二）调试问题总结
六、总结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 程序
一、引言
电压检测技术是伴随着半导体技术的出现和发展而实现的，这种技术能够实现模拟电压值得快速测量并通过特定方式进行显示，并伴有一定的报警信号等常见功能，目前电压检测技术已经形成了模拟电路检测以及数字电路检测两种大类，其中模拟电路检测具有检测速度快、响应时间短以及功耗低等显著特点，而数字电路检测具有检测清晰度高以及显示效果好
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
等特点。最早的电压检测得益于法拉第电磁感应效应的发现，当一定的电压流过导线时，导线周围将产生一定的磁感应效应，科学家通过对这种现象的应用，发明了能够实现对电磁感应的测量，这种测量方式也就是我们今天经常使用到的机械式电压表，机械式电压表中的表头是一种能够对电磁场做出迅速反应的一种机械结构，表头中的指针会随着磁场强度的不同大小发生不同角度的旋转，这种电压表由于不需要消耗任何电能，并且对被测电路不会产生任何影响，因此在将其推向市场后并经过不断的改进和优化，一直沿用至今。当半导体技术在二十世纪出现后，许多的测量技术已经能够很方便的通过电路来实现，这种测量电路由于只依靠半导体器件的连接来实现，因此在外观上比机械式测量表的体积要小得多，许多半导体公司对电子式电压测量技术进行了大量的研发并推出相关的产品，这些产品在进入市场后迅速赢得了用户的喜爱。这些被植入电子测量技术的系统在使用时能够呈现出比机械式电压表更好地显示效果，通过相应的数字技术，将LCD等液晶屏嵌入到电子式电压表中，不但能够对测量结果进行直接的显示，不但省去了在使用机械式电压表时读取测量结果的时间，并且还大大降低了认为误读因素等导致的错误测量结果率，因此电子式电压表在其发展过程中不断地将机械式电压表进行淘汰。目前电子式电压表的测量前端有两种主要方式，第一种是通过模拟电路来实现，将待测电压信号通过前端的衰减、放大、滤波、波形整形以及比较等处理，能够在很短的响应时间下快速得到测量数据，将测量数据传送到后端的数字处理模块进行显示以及报警等操作；第二种方法是通过高清晰度或者高速的A/D（模数转换器）来对待测电压进行采集，并将采集结果转换为相应位数的数字信号，传送到后续的单片机等控制芯片内，对采集结果进行解码、显示以及报警等处理，这种纯数字式的电压检测相比模拟电路检测来说，响应时间较长并且系统的整体功耗高，然而近些年随着模数转换技术的不断发展，纯数字式电压检测系统也在不断的得到发展和普及。
目前国内外对于电压检测技术都有着广泛的研究，虽然对于直流电压以及低频信号电压已经有了非常完善的测量方法，但是对于高频以及甚高频的测量方法还不能得到普及，尽管ADI以及TI公司等都有推出其独特并且能够对射频信号电压进行检测的集成芯片，但是这些芯片的成本较为昂贵，还不能够实现在电压表中的普及，因此目前国内外的科研小组以及研究所对于高频电压的检测仍在不断地进行攻坚克难。目前国内外对于电压测量技术的实现上，所取得的现状主要表现在能够实现较高位数的测量结果，六位半的电压表造价已经大幅度降低，国外先进的电压表已经能够达到八位。
本文选用了目前在市场上和大学单片机教学中使用最为广泛，并且受到一致好评的51单片机作为主要控制芯片，以此作为核心芯片，设计了一款能够实现
直流电压快速检测、显示功能的单片机自动控制系统，通过对硬件系统以及软件系统的构建，轻松地实现了毕业设计初期设立的所有指标和性能，并最终通过Proteus 7.8仿真平台实现了对控制系统的仿真，通过电脑显示器展现了单片机控制系统实际运行中所表现的功能和现象。
1、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发；
2、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块；
3、采用+5V直流电压进行系统供电。
4、能实现电压的采集和转换；
5、能实现51单片机对ADC0832模数转换器的驱动，通过ADC0832实现对模拟电压信号进行检测和转换，将转换后的数字信号传送给51单片机进行处理和现实；
6、电压测量范围为0~5V，精度误差0.02V以内；
二、方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89S51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89S51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89S51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89S51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路解决很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89S51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89S51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89S51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
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