【正文】 儀表，自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域， 已 顯示出強大的生命力。數(shù)字 式 電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字 量形式，并把它顯示出來，這有別于傳統(tǒng)的指針加刻度盤進行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的誤差和人為原因等很多情況 ，目前數(shù)字電壓表的核心部件是 A/D 轉(zhuǎn)換器， 因此 轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度。本設(shè)計主要分為兩 個 部分： 電壓表的 硬件電路 設(shè)計和軟件設(shè)計程序。而硬件電路又可以 分為單片機小系統(tǒng)電路、 復(fù)位 電路、液晶顯示器 電路 、系統(tǒng)報警 電路、電壓采集電路等 ，各部分電路的設(shè)計及原理將會在硬件電路設(shè)計中進行詳細的介紹。軟件程序?qū)⒃谖闹懈戒浿薪o出以便讀者日后更好的進行研究 。 設(shè)計的背景及意義 數(shù)字式電壓表作為數(shù)字技術(shù)的成功應(yīng)用典型，已經(jīng)發(fā)展的非常好。數(shù)字電壓表（ Digital Voltage Meter， DVM），因其功能齊全、精確度高、靈敏度較高、顯示電壓直觀等突出優(yōu)點深受廣大用戶的歡迎和喜愛。其中尤其是以 A／ D 轉(zhuǎn)換器為代表的集成電路為最優(yōu)，進而使 DVM 向著多功能化、小型化、智能化的方向快速發(fā)展。 DVM運用單片機控制技術(shù)，組成智能的儀表；并與計算機相連接，組成自動測試系統(tǒng)。在這個數(shù)字化快速發(fā)展的時代，從大到空間的雷達，地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，移動通信設(shè)備，小到家 庭使 用 的 計算機，數(shù)碼電器設(shè)備，數(shù)字錄音筆等設(shè)備中，數(shù)字技術(shù)與數(shù)字電路組成的數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)成為這些現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分。 數(shù)字電壓表正進入一 個高速發(fā)展的黃金時期，一方面它開拓了電子測量領(lǐng)域的先河，另一方面它本身也在朝著準(zhǔn)確度、智能化、低成本的方向發(fā)展。 目前，數(shù)字電壓表作為數(shù)字化儀表的基礎(chǔ)與核心，已被廣泛用多個領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。與此同時，由電壓表擴展而成的各種通用及專用儀表，也將電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 2 眾所周知在日常生活生活中 電壓 測量是故障診斷中最常使用的檢測方法。因此擁有一塊好的電壓表是很 重要的，對我們的工作生活都是非常有益的。 我們對電壓表的分類有很多方法，既可以 根據(jù)電壓測量對象的類型不同， 可分為直流電壓測量和交流電壓測量兩種：又 可以 因使用的工具工作原理的不同，又可分為模擬式電壓表測量和數(shù)字式電壓表測量兩類。 模擬電壓表為指針式， 一般 用磁電式電流表頭作為指示器，并在電流表盤上 加以電壓刻度。由于表頭中是以電流流經(jīng)磁場中的線圈所產(chǎn)生的電磁力，作為指針偏轉(zhuǎn)的動力。因此測量時需要從被測對象中獲取一定量的電流， 因此 將不可避免的對被測對象 的數(shù)值 造成一定的影響，其影響的程度 大小 與表頭的靈敏度有關(guān)。 數(shù)字式電壓表則 于指針式完全 不同， 因為 輸入的被測量電壓首先經(jīng)過前端的分壓器進行分壓 ，從而 實現(xiàn)量程的選擇，再將輸入 的模擬量 過 A/D 轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量送入控制器 中 ，并以十進制數(shù)字 的方式 直接顯示出來。 發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 數(shù)字電壓最早是 1952 年由美國 NLS 公司 研制成功的 ，它剛開始 使用 時它只有 4位， 60 多年以來經(jīng)過多次的改良變革技術(shù)突破， 數(shù)字 式 電壓表 已 有了 相對 較大的進步和提高。數(shù)字電壓表是從電位差計的自動化過程中研制成功的。剛開始是 4 位數(shù)碼顯示，進而是 5 位， 6 位顯示，而現(xiàn)在發(fā)展到 7位， 8 位數(shù)碼顯示；也從最初的只有一 兩種類型發(fā)展到今天原理不同的幾十種類型；從最早的采用繼電器，電子管技術(shù)發(fā)展到如今全晶體管，集成電路，微處理 器化技術(shù)；傳統(tǒng)的電壓表功能單一、精度比較低，早已不能滿足時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、 集 成方便 ，還可以與 PC 進行實時通信， 目前，由各種單片 A/D 轉(zhuǎn)化器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，以被廣泛用于生產(chǎn)生活的廣泛領(lǐng)域，擁有較強的發(fā)展空間。與此同時，由 DVM 擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀表儀器， 也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新高度。 數(shù)字式電壓表的設(shè)計和研究，現(xiàn)在已有了許多的類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表也有許多特色，它們主要適用于現(xiàn)場手工的測量，如果想要實現(xiàn)遠程測量并想要對測量數(shù)據(jù)做處理，它是根本就無法實現(xiàn)的。然而基于 PC 通信的新式數(shù)字電壓表，他既能完成數(shù)據(jù)的傳遞，又能借助 PC 對測量的數(shù)據(jù)進行進一步的處理。因此數(shù)字式電壓表不論在功能上還是在實際中，都擁有傳統(tǒng)電壓表無法相比的優(yōu)點，這使得他的開發(fā)和應(yīng)用擁有良好的發(fā)展前景 。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 3 數(shù)字電壓測量的原理 數(shù)字電壓表的基本工作原理是利用 A/D 轉(zhuǎn)換電路將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過相應(yīng) 的 換算后將測試結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電壓 測量設(shè)備 。較之于一般的模擬電壓表，數(shù)字電壓表 擁有 精度高、測量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、使用方便等優(yōu)點。 電壓表的數(shù)字化測量，關(guān)鍵在于如何把隨時連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，完成這種轉(zhuǎn)換的電路叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）。數(shù)字電壓表的核心部件就是 A/D 轉(zhuǎn)換器，由于各種不同的 A/D 轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成了各種 不同類型的 數(shù)字式電壓表 。一般說 講 ， A/D轉(zhuǎn)換的方式可分為兩類：積分式和逐次逼近式。 積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器是先用積分器將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，再將其數(shù)字化。根據(jù)轉(zhuǎn)化的中間量不同，它又分為 UT（電壓 時間）式和 UF（電壓 頻率）式兩種。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器分為比較式和斜坡電壓式，根據(jù)不同的工作原理，比較式又分為逐次比較式及零平衡式等。斜坡電壓式又分為線性斜坡式和階梯斜坡式兩種。在高精度數(shù)字電壓表中，常采用由積分式和比較式相結(jié)合起來的復(fù)合式 A/D 轉(zhuǎn)換 .本設(shè)計以 ATmaga16 單片機為核心，液晶顯示 器 12864 為主體，構(gòu)造了一款簡易的數(shù)字電壓表 。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 2 設(shè)計總體方面 設(shè)計要求 ⑴主要 以 Atmega16 單片機作為核心器件，組成一個簡單實用的 數(shù)字電壓表。 ⑵ 采用 2 路模擬電壓 輸入， 目的使它 能夠測量 024V之間的直流電壓值。 ⑶ 電壓顯示用 液晶 12864 顯示， 分別顯示兩點的電壓和兩點之間的電壓差 。 ⑷盡可能的 使用較少的 電氣 元器件 ，來實現(xiàn)較多的功能要求 。 設(shè)計 實現(xiàn)功能 1 驗證登陸 功能 本實例設(shè)計 的電壓測量 功能模塊僅為持有密碼的使用者使用。使用者在進入系統(tǒng)前必須通過按鍵輸入登錄密碼， 在驗證密碼成功 之 后，系統(tǒng)對測量單元初始化 ，準(zhǔn)備進行電壓測量。如果密碼錯誤，系統(tǒng)將顯示“密碼錯誤”并進行 語音報警 ，要求使用者重新輸入密碼 。 如果連續(xù)三次密碼都錯誤，系統(tǒng)將暫停輸入密碼功能，并延時半分鐘后才能再次輸入開機密碼，成功后開始電壓測量。 功能 電壓測量是此設(shè)計中 單片機系統(tǒng)完成的一項典型處理任務(wù)。單片機控制 A/D 轉(zhuǎn)換器對被測電壓信號進行采樣及處理，處理的過程及結(jié)果顯示在 液晶顯示器 12864上。 當(dāng) 測量任務(wù)完成后，系統(tǒng)延時一段時間并返回登錄 初始 畫面。電壓的測量范圍設(shè)計為 A、 B兩點均是 0V24V。本設(shè)計采用 ATmaga16 單片機內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器來釆樣電壓。 功能 通過 面板上的 按鍵輸入 開機 登錄密碼進行電壓測量 ,并可以 通過按鍵設(shè)置電壓測量上下限 的設(shè)置、修改開機密碼、系統(tǒng)復(fù)位、關(guān)機等功能 。 功能 本設(shè)計釆用一般實驗用蜂鳴器 來做 簡易的語音報警設(shè)備，當(dāng)?shù)顷懨艽a錯誤時蜂鳴器進行報警、測量電壓達到電壓設(shè)定的上下限時也會進行報警 。 開機顯示 “ 請輸入開機密碼 ” ，若密碼正確則顯 示 A 點電壓值、 B點電壓值、 AB之間電壓值、和電壓設(shè)置的上下限值，如密碼錯誤會顯示“密碼錯誤”當(dāng)測量的電壓超出或低于設(shè)定的電壓上下限時，系統(tǒng)會顯示“超出電壓設(shè)定值”或顯示“低于電壓設(shè)定值”。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 單片機的選型 如果想設(shè)計一個用單片機控制的實物，一般我們需要在 選擇單片機型號 時 的出發(fā)點 大體上 有以下幾個方面 考慮 ： 市場 的 貨源 系統(tǒng)設(shè)計者 一般 只能在市場上能夠提供的單片機中 進行 選擇 自己所需要的 ， 特別是作為產(chǎn)品大批量 使用。 生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選 擇 的單片機型號必須有穩(wěn)定 并且充足的貨源。 單片機 的 性能 必修 根據(jù)系統(tǒng)的 功能要求和各種單片機的性能，選擇 那些 最容易實現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號， 并 且 要 能達到較高的 性能價格比 。單片機性能 一般 包括片內(nèi)硬件 的 資源、運行 的 速度、可靠性 能 、指令系統(tǒng)功能、 體積和封裝方面 等 。 而 影響性價比的因素除單片機的性能 和 價格 以 外， 又需要考慮 包括硬件和軟件設(shè)計的 難易 程度、 所對 應(yīng)的工作量 多少 ， 并且運用的 開發(fā)工具的性價比 大小 。 選擇 AVR 單片機。這個單片機特別簡單，容易學(xué)習(xí)，價格便宜。 AVR 單片機也能升級，能節(jié)省很多費用。它的處理速度快，計算快。耗能低，保密性質(zhì)好。它的I/O 功能強大，能反映輸入 /輸出的真實情況。內(nèi)部自帶模擬比較器，可成為 A/D 轉(zhuǎn)換器。他能重設(shè)啟動復(fù)位，單片機非常具有可靠性。它還有功能強大的定時器 /計數(shù)器及通訊接口。 研制 的 周期 如果是在 研制 的 任務(wù) 很 重、時間 又很 緊的 狀況下 ， 就必修要 考慮所選的單片機型號是否 明白了解 ，能 否 馬上進行系統(tǒng)的設(shè)計。 并且 與研制周期有關(guān)的另一個重要因素 就 是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地 研制進程。 有利于我們更好的完成設(shè)計任務(wù)，早日實現(xiàn)我們需要的功能，對我們?nèi)蘸蟮脑O(shè)計工作有較大的好處。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 設(shè)計方案 此設(shè)計的 硬件電路設(shè)計 主要 由 6 個部分組成 。它們分別是語音報警電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、 Atmega16 單片機 電路 、液晶顯示器 12864 電路、密碼按鍵電路、電壓量采集電路 。硬件電路設(shè)計框圖如 下 圖所示。 圖 21 硬件設(shè)計 圖ATmega 16語音報警系統(tǒng)復(fù)位顯示接口按鍵電量采集Atmega 16語音報警系統(tǒng)復(fù)位電壓采集顯示接口按鍵天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 3 數(shù)字電壓表的簡介 數(shù)字電壓表簡稱 DVM，它主要是采用數(shù)字化測量的技術(shù)進行測量，就是把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）通過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。 數(shù)字電壓表的特點 1．顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確方便 傳統(tǒng)的模擬式儀表必須要借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)，因而在讀數(shù)過程中不可避免的會引入人為的測量誤差。而數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳讀現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。 2．顯示位數(shù) 顯示位數(shù)通常為 31/2 位、 32/3 位、 33/4/位、 41/2 位、 43/4 位、 51/2 位、 61/2位、 71/2 位、 81/2 位共 9種。判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：①能顯示 0～ 9所有數(shù)字的位是整數(shù)位；②分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時最高數(shù)字作分母。例如，某數(shù)字儀表的最大顯示 值為 1999，滿量程計數(shù)值為20xx，這表明該儀表有 3 個整數(shù)位，而分數(shù)位的分子為 1，分母是 2，故稱之為 31/2位，讀作三位半。 3．準(zhǔn)確精度高 準(zhǔn)確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。 4．分辨率較高 數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位 1個字所代表的電壓值，稱為儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如 31/2 位 DVM 的分辨率為 1/1999≈ ％。需要指出，分辨力與準(zhǔn)確度屬于兩個不同的觀念。從測量角度看，分辨力是 虛 指標(biāo)（與測量誤差無關(guān)），準(zhǔn)確度才是 實 指標(biāo)（代表測量誤差的大小）。 5．測量范圍寬 多量程 DVM一般可測量 0～ 1000V直流電壓，配上高壓探頭還可測上萬伏的高壓。 6．?dāng)U展能力強 在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，還可擴展成各種通用及專用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表（ DMM）和智能儀表，以滿足不同的需要。 7．抗干擾能力強 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 51/2 位以下的 DVM 大多采用積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，其串模抑制比、共模抑制比各別可達 100dB、 80～ 120dB。高檔 DVM 還采用數(shù)字濾波、浮地保護 等先進技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力，共模抑制比可達 180dB。 用于數(shù)字電壓表內(nèi)的 AD 轉(zhuǎn)化器分類 A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表、數(shù)字多用表及測量系統(tǒng)的 心臟 。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器已達數(shù)百種，大致可分為五大類：①單片 A/D 轉(zhuǎn)換器；②單片 DMM 專用 IC；③多重顯示儀表專用 IC；④專供數(shù)字儀表使用的特制 IC（ ASIC）；⑤其他通用型 A/D 轉(zhuǎn)換器，這種芯片僅能完成模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，不能直接配數(shù)字儀表。 1．單片 A/D 轉(zhuǎn)換器 所謂 單片 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，是采用 CMOS 工藝