单片机的多量程数字电压表的设计
单片机的多量程数字电压表的设计[20200128195608]
日期： 摘要
本设计主要采用AT89C51单片机和A/D转换器ADC0808来完成一个具有三个量程的数字电压表，能够对输入的0～200V的模拟直流电压进行测量，利用Protues软件仿真测试其性能并制作了实物。
单片机复位和时钟电路、A/D转换电路、显示电路三个模块电路组成了本次设计的数字电压表的原理图电路部分。主要由芯片ADC0808来完成对输入信号的A/D转换，它负责采集输入的模拟信号并把采集到的信号转换为相应的数字信号再传送到数据处理模块。数据的处理是由芯片AT89C51来负责的，它负责把从ADC0808传送过来的数字信号经过相应的数据处理，产生与设计程序相对应的显示码输送到显示模块电路由数码管进行显示；另外芯片ADC0808的工作流程还由它还主宰着。显示电路主要由4位8段数码管及其相应的驱动构成，负责显示出测量到的电压值。此次设计的电压表有2伏、20伏、200伏三个量程，调试时拨动三刀开关便可实现量程的改变。
摘要 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机；A/D转换器；模块电路；量程选择；
一、引言 2
(一)课题研究的背景及意义 2
(二)数字电压表的设计方案选择 2
(三)本设计的主要研究内容及设计思路 3
二、硬件设计 4
(一)硬件设计原理框图 4
(二)关于AT89C51单片机 4
(三)关于ADC0808转换器 7
(四)模块电路设计 10
(五)总电路原理图 13
三、软件设计 13
(一)软件设计总方案 14
(二)软件程序框图 14
(三)程序设计 15
四、仿真与调试 17
(一)软件调试 17
(二)显示结果 18
(三)误差分析 20
五、实物制作 20
(一)元器件选择 20
(二)电路的焊接 20
(三)实物调试 21
总结 22
致谢 23
参考文献 23
附录一：多量程数字电压表的设计的总电路图 24
附录二：多量程数字电压表的设计的程序代码 25
附录三：元器件清单 28
附录四：实物图 29
一、引言
(一)课题研究的背景及意义
1.设计背景
数字化是目前计量仪器的主要发展方向之一。使用智能化的数字仪器不仅能够提高测量精确度以及测量人员的工作效率,而且还可以在此基础上很方便的扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)。数字化仪器因具为具有读数精度高，准确方便，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量快速等特点而倍受用户关注。
电压，电流和频率是电量的各种参数的测量中最基本的三个被测量。作为众多数字化仪表的核心与基础的数字电压表,是实现自动化、规范化测量、提高工作效率不可或缺的仪表之一。随着现代技术的不断发展其功能越来越强，其被广泛的应用于各种电子电工测量、工业测量、自动化仪表等领域。电压表的数字化是将连续的模拟量直流电压转换成离散的数字形式并加以显示，具有清晰直观、读数准确、扩展功能强等特点。
本文将设计一款以单片机为主要部件的多量程数字电压表，其读数的精确度高，体积小，重量小，价格适中，电路外围部件少，还具有较高的性价比。
2.设计意义
1) 作为最基本的电子测量仪器的数字电压表，被广泛的应用于很多不同的测量领域，每一次测量的准确度和可信度仅与所用的电压表本身的主要性质和技术指标有关，因此设计并动手制作数字电压表也就有了强烈的实用意义。此外，测量本身是一种认知的过程，即用实验的方法比较要测量和被选用的相同参量，从而确定它的大小。如果对数字电压表稍加改造，还可以在此基础上扩展其功能，用于其他电量和非电量的测量，本设计具有很强的可扩展性。
2)自己动手设计数字电压表并对其进行仿真、制作、调试、排故、参数分析，完整的掌握数字化仪器的设计、制作的流程，学会发现问题、分析问题和解决问题的科学方法，不仅能将自己的所学的电路分析、单片机设计、装配工艺等理论知识与实践技能相结合，提高自身专业水平，还可以扩展自己的思路，创新性的思考问题。
(二)数字电压表的设计方案选择
可以采用多种方法来完成对数字电压表的设计，大规模集成电路数字芯片的飞速发展以及数字芯片种类的多样化，使用不同方法设计的数字电压表能够采集的模拟量也不相同，对数据的处理及显示方式也更加不相同。在现实的工作生活中，由于需要被测量的模拟电压的范围比较的广，必须要对输入的电压作一定的分压处理，而且每个数据处理芯片能够处理的电压范围也是不同的，因此不同设计方法的分段也就不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。
方案一：由数字电路及相关芯片实现。
这种设计方案是用模拟电路与数字电路构成数字电压表，由输入放大器、A/D转换器和基准电压源三部分组成模拟电路；数字电路则由计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器几部分构成。它的核心器件是A/D转换器，其功能是把采集到的模拟量转变成数字量。此设计方案中的数字部分和模拟部分之间是相互关联的，控制信号是由控制逻辑电路产生的，按照程序设定的时序打开A/D转换器中的某一组模拟开关，从而保证A/D转换正常进行。由计数译码电路把A/D转换的结果转变成相应的段码，最后再由驱动显示器电路显示出转换后的具体数值。此方案设计的优点是设计的成本比较低，而且适用于普通的的电压测量。其缺点是设计灵活性不高，采用的都是纯硬件电路，难以在其原有的基础上进一步扩展。
方案二：由单片机系统及A/D转换芯片实现。
这种方案利用的是以单片机为主并与模数转换芯片、模块显示电路相结合实现多量程数字电压表的设计。它的基本工作原理是分别把基准电压和被测电压接到模/数芯片的基准电压源端和被测电压的输入端，模/数转换芯片将被测电压输入端所采集到的模拟电压信号按照编好的程序转换成对应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，使用设计好的算法计算出被测量电压的数值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按照一定的时序送入数码管电路进行显示。此次设计方案的优点是简单的电路设计，在原来的基础可以进行扩展电路。
对比以上两种设计方案不难发现，方案二不仅够克服方案一的设计灵活性不高的缺点，其设计的电压表精确度、准确度更高，而且体积更小，重量轻，价格便宜，电路的外围部件少，也大大增强了数字电压表的性价比。
综上所述，本设计选择第二种设计方案，即由单片机及数字芯片实现的方法来实现数字电压表的设计。
(三)本设计的主要研究内容及设计思路
1.主要研究内容
1)数字电压表的设计参数；
2)数字电压表的硬件部分设计，包括电路框图，绘制详细电路图；
3)数字电压表的软件部分设计，包括程序流程，源程序；
4)数码管显示电路；
5)利用PROTUES软件完成性能仿真测试；
6)完成数字电压表的制作；
7)对数字电压表的相关性能进行测试。
2.设计思路
1)根据设计要求，选择AT89C51单片机作为整个设计的核心控制器件，完成对转换好的数字信号的采集以及计算出被测电压的值并传送到显示电路模块；
2)采用ADC0808作为A/D转换器，实现对输入的模拟信号的采集与转换，为连接电路的方便，其与单片机的接口选用 P1口；
3)电压显示采用4 位一体的共阴极LED 数码管；
4)P0口外接的上拉电阻可以驱动LED数码管的显示，所以选用P0口驱动LED的段码显示，即显示数码管字符，选用P2口高四位作为LED位码，即选择点亮哪一位LED；
5)用三刀开关实现2伏、20伏、200伏的量程切换。
二、硬件设计
(一)硬件设计原理框图
硬件电路由5个功能模块组成：A/D转换电路、AT89C51单片机主控电路、电压显示电路、时钟和复位电路以及测量电压输入电路。
根据研究内容的具体要求，硬件电路的主体设计方案如下：采用AT89C51单片机芯片配合ADC0808模/数转换芯片构成一个具有三个量程的数字电压表。其主要工作过程是：由测量电压输入电路输入模拟电压，A/D转换电路将输入的模拟电压进行采集并转换为对应的数字信号，由P1口送入到单片机系统，单片机根据已经编好的时序把输入的模拟信号计算为相应的电压值传送到电压显示电路显示，电压显示由P0口驱动数码管的段码显示，即显示字符，由P2口高四位选择数码管位码，即选择由哪一位数码管来显示。其原理框图如图2-1所示。
日期： 摘要
本设计主要采用AT89C51单片机和A/D转换器ADC0808来完成一个具有三个量程的数字电压表，能够对输入的0～200V的模拟直流电压进行测量，利用Protues软件仿真测试其性能并制作了实物。
单片机复位和时钟电路、A/D转换电路、显示电路三个模块电路组成了本次设计的数字电压表的原理图电路部分。主要由芯片ADC0808来完成对输入信号的A/D转换，它负责采集输入的模拟信号并把采集到的信号转换为相应的数字信号再传送到数据处理模块。数据的处理是由芯片AT89C51来负责的，它负责把从ADC0808传送过来的数字信号经过相应的数据处理，产生与设计程序相对应的显示码输送到显示模块电路由数码管进行显示；另外芯片ADC0808的工作流程还由它还主宰着。显示电路主要由4位8段数码管及其相应的驱动构成，负责显示出测量到的电压值。此次设计的电压表有2伏、20伏、200伏三个量程，调试时拨动三刀开关便可实现量程的改变。
摘要 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机；A/D转换器；模块电路；量程选择；
一、引言 2
(一)课题研究的背景及意义 2
(二)数字电压表的设计方案选择 2
(三)本设计的主要研究内容及设计思路 3
二、硬件设计 4
(一)硬件设计原理框图 4
(二)关于AT89C51单片机 4
(三)关于ADC0808转换器 7
(四)模块电路设计 10
(五)总电路原理图 13
三、软件设计 13
(一)软件设计总方案 14
(二)软件程序框图 14
(三)程序设计 15
四、仿真与调试 17
(一)软件调试 17
(二)显示结果 18
(三)误差分析 20
五、实物制作 20
(一)元器件选择 20
(二)电路的焊接 20
(三)实物调试 21
总结 22
致谢 23
参考文献 23
附录一：多量程数字电压表的设计的总电路图 24
附录二：多量程数字电压表的设计的程序代码 25
附录三：元器件清单 28
附录四：实物图 29
一、引言
(一)课题研究的背景及意义
1.设计背景
数字化是目前计量仪器的主要发展方向之一。使用智能化的数字仪器不仅能够提高测量精确度以及测量人员的工作效率,而且还可以在此基础上很方便的扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)。数字化仪器因具为具有读数精度高，准确方便，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量快速等特点而倍受用户关注。
电压，电流和频率是电量的各种参数的测量中最基本的三个被测量。作为众多数字化仪表的核心与基础的数字电压表,是实现自动化、规范化测量、提高工作效率不可或缺的仪表之一。随着现代技术的不断发展其功能越来越强，其被广泛的应用于各种电子电工测量、工业测量、自动化仪表等领域。电压表的数字化是将连续的模拟量直流电压转换成离散的数字形式并加以显示，具有清晰直观、读数准确、扩展功能强等特点。
本文将设计一款以单片机为主要部件的多量程数字电压表，其读数的精确度高，体积小，重量小，价格适中，电路外围部件少，还具有较高的性价比。
2.设计意义
1) 作为最基本的电子测量仪器的数字电压表，被广泛的应用于很多不同的测量领域，每一次测量的准确度和可信度仅与所用的电压表本身的主要性质和技术指标有关，因此设计并动手制作数字电压表也就有了强烈的实用意义。此外，测量本身是一种认知的过程，即用实验的方法比较要测量和被选用的相同参量，从而确定它的大小。如果对数字电压表稍加改造，还可以在此基础上扩展其功能，用于其他电量和非电量的测量，本设计具有很强的可扩展性。
2)自己动手设计数字电压表并对其进行仿真、制作、调试、排故、参数分析，完整的掌握数字化仪器的设计、制作的流程，学会发现问题、分析问题和解决问题的科学方法，不仅能将自己的所学的电路分析、单片机设计、装配工艺等理论知识与实践技能相结合，提高自身专业水平，还可以扩展自己的思路，创新性的思考问题。
(二)数字电压表的设计方案选择
可以采用多种方法来完成对数字电压表的设计，大规模集成电路数字芯片的飞速发展以及数字芯片种类的多样化，使用不同方法设计的数字电压表能够采集的模拟量也不相同，对数据的处理及显示方式也更加不相同。在现实的工作生活中，由于需要被测量的模拟电压的范围比较的广，必须要对输入的电压作一定的分压处理，而且每个数据处理芯片能够处理的电压范围也是不同的，因此不同设计方法的分段也就不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。
方案一：由数字电路及相关芯片实现。
这种设计方案是用模拟电路与数字电路构成数字电压表，由输入放大器、A/D转换器和基准电压源三部分组成模拟电路；数字电路则由计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器几部分构成。它的核心器件是A/D转换器，其功能是把采集到的模拟量转变成数字量。此设计方案中的数字部分和模拟部分之间是相互关联的，控制信号是由控制逻辑电路产生的，按照程序设定的时序打开A/D转换器中的某一组模拟开关，从而保证A/D转换正常进行。由计数译码电路把A/D转换的结果转变成相应的段码，最后再由驱动显示器电路显示出转换后的具体数值。此方案设计的优点是设计的成本比较低，而且适用于普通的的电压测量。其缺点是设计灵活性不高，采用的都是纯硬件电路，难以在其原有的基础上进一步扩展。
方案二：由单片机系统及A/D转换芯片实现。
这种方案利用的是以单片机为主并与模数转换芯片、模块显示电路相结合实现多量程数字电压表的设计。它的基本工作原理是分别把基准电压和被测电压接到模/数芯片的基准电压源端和被测电压的输入端，模/数转换芯片将被测电压输入端所采集到的模拟电压信号按照编好的程序转换成对应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，使用设计好的算法计算出被测量电压的数值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按照一定的时序送入数码管电路进行显示。此次设计方案的优点是简单的电路设计，在原来的基础可以进行扩展电路。
对比以上两种设计方案不难发现，方案二不仅够克服方案一的设计灵活性不高的缺点，其设计的电压表精确度、准确度更高，而且体积更小，重量轻，价格便宜，电路的外围部件少，也大大增强了数字电压表的性价比。
综上所述，本设计选择第二种设计方案，即由单片机及数字芯片实现的方法来实现数字电压表的设计。
(三)本设计的主要研究内容及设计思路
1.主要研究内容
1)数字电压表的设计参数；
2)数字电压表的硬件部分设计，包括电路框图，绘制详细电路图；
3)数字电压表的软件部分设计，包括程序流程，源程序；
4)数码管显示电路；
5)利用PROTUES软件完成性能仿真测试；
6)完成数字电压表的制作；
7)对数字电压表的相关性能进行测试。
2.设计思路
1)根据设计要求，选择AT89C51单片机作为整个设计的核心控制器件，完成对转换好的数字信号的采集以及计算出被测电压的值并传送到显示电路模块；
2)采用ADC0808作为A/D转换器，实现对输入的模拟信号的采集与转换，为连接电路的方便，其与单片机的接口选用 P1口；
3)电压显示采用4 位一体的共阴极LED 数码管；
4)P0口外接的上拉电阻可以驱动LED数码管的显示，所以选用P0口驱动LED的段码显示，即显示数码管字符，选用P2口高四位作为LED位码，即选择点亮哪一位LED；
5)用三刀开关实现2伏、20伏、200伏的量程切换。
二、硬件设计
(一)硬件设计原理框图
硬件电路由5个功能模块组成：A/D转换电路、AT89C51单片机主控电路、电压显示电路、时钟和复位电路以及测量电压输入电路。
根据研究内容的具体要求，硬件电路的主体设计方案如下：采用AT89C51单片机芯片配合ADC0808模/数转换芯片构成一个具有三个量程的数字电压表。其主要工作过程是：由测量电压输入电路输入模拟电压，A/D转换电路将输入的模拟电压进行采集并转换为对应的数字信号，由P1口送入到单片机系统，单片机根据已经编好的时序把输入的模拟信号计算为相应的电压值传送到电压显示电路显示，电压显示由P0口驱动数码管的段码显示，即显示字符，由P2口高四位选择数码管位码，即选择由哪一位数码管来显示。其原理框图如图2-1所示。
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