单片机的电压表控制系统设计
摘 要本文选择了“基于单片机的电压表控制系统设计”作为研究课题，设计了一款以C51单片机和ADC0832模数转换器作为核心芯片的电压表控制系统，实现了0~5V直流电压的高精度检测，并且具有良好的液晶显示效果。我所设计的这款自动控制系统经历了硬件系统和软件系统的设计和优化，在硬件上以较少的元器件和较低的成本构建了一个完整的硬件系统；在软件上以流畅的代码运行方式实现了对硬件的控制，具有性能可靠、精度高、电路简单、成本低的特点，为相关产品提供借鉴。
目录
一、 引言 1
（一） 电压检测的研究背景及意义 1
（二） 国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制芯片的选取 3
（二） STC89C51控制芯片简介 4
（三） AD采样芯片简介 5
（四） LCD1602显示器介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 电压表控制系统结构框图设计 8
（二） STC89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） ADC0832模数转换器电路设计 10
（四） 显示器电路设计 10
四、 软件系统设计 12
（一） 电压表控制系统软件工作流程设计 12
（二） AD转换工作流程设计 13
1. 启动指令 13
2. 通道选择指令 13
3. 读取指令 14
（三） 显示器工作流程设计 14
五、 实物制作与调试15 总结与展望19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 元件列表 23
附录三 程序 24
引言
电压检测的研究背景及意义
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的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
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
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。
国内外发展现状
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。
本文主要研究内容
本文在电压表发展背景的基础上选择了电压表作为研究课题，考虑到这种控制系统其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，使得相关产品的性价比一直上不去，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的电压表系统。
本设计采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发。同时使用了价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块。为其系统供电的+5v直流电压实现了对电压的采集和转换。同时实现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单片机进行处理和显示。实现了对0~5V的电压精确测量（精确到小数点后三位），对市场上的相关产品具有借鉴意义。
二、方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本章主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我大二学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的STC89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近二年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗 ，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，下图为STM32单片机的外形图。
目录
一、 引言 1
（一） 电压检测的研究背景及意义 1
（二） 国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制芯片的选取 3
（二） STC89C51控制芯片简介 4
（三） AD采样芯片简介 5
（四） LCD1602显示器介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 电压表控制系统结构框图设计 8
（二） STC89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） ADC0832模数转换器电路设计 10
（四） 显示器电路设计 10
四、 软件系统设计 12
（一） 电压表控制系统软件工作流程设计 12
（二） AD转换工作流程设计 13
1. 启动指令 13
2. 通道选择指令 13
3. 读取指令 14
（三） 显示器工作流程设计 14
五、 实物制作与调试15 总结与展望19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 元件列表 23
附录三 程序 24
引言
电压检测的研究背景及意义
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的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
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
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。
国内外发展现状
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。
本文主要研究内容
本文在电压表发展背景的基础上选择了电压表作为研究课题，考虑到这种控制系统其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，使得相关产品的性价比一直上不去，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的电压表系统。
本设计采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发。同时使用了价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块。为其系统供电的+5v直流电压实现了对电压的采集和转换。同时实现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单片机进行处理和显示。实现了对0~5V的电压精确测量（精确到小数点后三位），对市场上的相关产品具有借鉴意义。
二、方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本章主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我大二学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的STC89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近二年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗 ，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，下图为STM32单片机的外形图。
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