【正文】 要 本文介紹的是數(shù)字電壓表的發(fā)展背景和利用單片機(jī) ， A/D 轉(zhuǎn)換芯片結(jié)合的方 法設(shè)計(jì)一個(gè)直流數(shù)字電壓表 。 單片機(jī)可單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能 ， 這是單片機(jī)最大的特征 。 觀察獨(dú)立分析 ， 設(shè)計(jì)單片機(jī)的能力 ， 以 及實(shí)際編程 技能 。 同時(shí)隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，正在引起測量控制儀表領(lǐng)域的新 的技術(shù)革命。 數(shù)字電壓表在 1952 年由美國 NLS 公司首次創(chuàng)造，它剛開始是 4 位， 50 多年來，數(shù)字電壓表有了不斷的進(jìn)步和提高。 DVM 的高速發(fā)展，使它已成為實(shí)現(xiàn)測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀 表， 數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量儀器發(fā)展的主要方向之一，而高準(zhǔn)度 DCDVC 的出現(xiàn)，又使 DVM 進(jìn)入了精密標(biāo)準(zhǔn)測量領(lǐng)域。 這個(gè)課 題的目的和意義在于使自己掌握對數(shù)字電壓表的理解，自己動手 設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應(yīng)用于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其他電量和非電量，測量是一種認(rèn)識過程，就是用實(shí)驗(yàn)的方法將被測量和被選用的相同參量進(jìn)行比較， 從而確定它的大小。 使得本直流電壓表具體精度高 ， 靈敏度強(qiáng) ，性能可靠 ， 電路簡單 ， 成本低的特點(diǎn) 。 使直流電壓表有著較高的智能水平 。 本文就數(shù)字電壓表加以敘述 。數(shù)字電壓表的體積和功耗越來越小，重量不斷變輕，價(jià)格也逐步下降，可靠性越來越高，量程范圍也逐步擴(kuò)大。 所以 ， 數(shù)字化測理儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的 ； 同時(shí) ， 為革新電子測量中的煩鎖和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展 。而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測量精度高 ， 速度快 ， 讀數(shù)時(shí)也非常的方便 ， 抗干擾能力強(qiáng) ， 可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于電子及電工的測量 ， 工業(yè)自動化儀表 ， 自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域 。 而現(xiàn)在 ， 數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)是非常的成熟 ， 就原理來講 ， 它從原來的一 ,二種已發(fā)展到多種 ,在功能上講 ， 則從測單一參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù) ； 從制作元件來看 ， 發(fā)展到了集成電路 ， 準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高 ， 精度高達(dá) 3 附錄 1NV； 讀數(shù)每秒幾萬次 ， 而相對以前 ， 它的價(jià)格也有了降低了很多 。 但在日常生活中 ， 數(shù)字電壓表一般是按照原理不同進(jìn)行分類的 ， 目前大致分為以下幾類 ： 比較式 ， 電壓 —— 時(shí)間變換式 ， 積分式等 。 設(shè)計(jì)意義 這個(gè)課題的目的和意義在于使自己掌握對數(shù)字電壓表的理解，自己動手設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應(yīng)用于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其他電量和非電量，測量是一種認(rèn)識過程，就是用實(shí)驗(yàn)的方法將被測量和被選用的相同參量進(jìn)行比較， 從而確定它的大小。又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。此方案的原理是模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓。 又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中 ， 電壓表的測量測程范圍是比較大的 ， 所以必須要對輸入電壓作分壓處理 ，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同 ， 則各種方案的分段也不同 。 其中 ， A/D 轉(zhuǎn)換器是它的核心器件 ， 它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 。 但設(shè)計(jì)不靈活 ， 都是采用純硬件電路 ， 很難將其在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展 。單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。觀察獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)單片機(jī)的能力，以及實(shí)際編程技能 。 模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 11 入 端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號 ， 然后通過對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程 ， 使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號 ， 通過一定的算法計(jì)算出被測量電壓的值 。由于采用高性能的單片機(jī)芯片為核心，同時(shí)利用 LED 數(shù)碼管為顯示設(shè)備，這樣就使 顯示清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確，大大地減少了因人為因素所造成的測量誤差事件 ，大大的提高了測量的精確度。 在這里 ， 不得不先簡單的介紹一下幾種常用的 8單片機(jī) 。 AVR 單片機(jī)是 atmel 公司推出較新的單片機(jī) ， 它的顯著特點(diǎn)是 ： 高性能 ， 低功能 ， 高速度 ， 指令單周期為主 ， 但性格方面比 51 單片機(jī)要高 。 在設(shè)計(jì)中 ， 單片機(jī)起著連接硬件電路與程序運(yùn)行及存儲數(shù)據(jù)的任務(wù) ， 一方面 ， 它將 A/D 轉(zhuǎn)換器 。其既具有 EPROM 一樣的可編程能力 ,又帶有象EEPROM 的電可擦除性能 ,而且還具有不揮發(fā)性、訪問速度快 (約 60ns)和密度高等特點(diǎn)。與 EEPROM 相比較 , FPEROM 大大縮短了存儲內(nèi)容擦除和寫入的時(shí)間 ,為在線改寫程序提供了極大的方便 ,而且價(jià)格也比帶 EPROM87C 系列單片機(jī)便宜 ,這就更顯示出了 89C 系列 的優(yōu)越性。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，若在該引腳接 +5 伏 備用電源，一旦在使用中突然掉電則可以保護(hù)片內(nèi) RAM 中的信息不丟失。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 30：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許 /編程線的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效 31 /VPP：當(dāng) 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 AT89C51在連線時(shí)要注意的問題 單片機(jī) AT89C51 在連線時(shí)，我認(rèn)為最需要注意的地方應(yīng)該是 AT89C51 的復(fù) 位 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 16 電路。復(fù)位后各片內(nèi)特殊功能寄存器狀態(tài)如表 所示。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 但數(shù)碼管只能是顯示 0— 9 的數(shù)據(jù) 。 但用 LED 點(diǎn)陣顯示的軟件程序設(shè)計(jì)比較麻煩 32 個(gè)字符 。 12864 液晶也是一種工業(yè)字符型液晶 ， 它不僅能夠顯示 1602 液晶所可以顯示的字符 ， 數(shù)字等信息 ， 而且還可以顯示 8*4 個(gè)中文漢字和一些簡單的圖片 ， 顯示信息也非常的清楚 。 而點(diǎn)陣顯示器件驅(qū)動顯示軟件程序編寫麻煩 ， 占用的引腳相對也較多 。 因此 ， 在本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)我們選擇 1602 液晶顯示器件 。 4. 寫數(shù)據(jù) :輸入 :RS=1， RW=0， D0D7 為數(shù)據(jù) ， E 為高脈沖 。 S=0 當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示不移動。 下面簡單介紹一下這三種芯片 。 AD0832 也是 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 可支持致命傷個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸 入通道 。 它有高速的轉(zhuǎn)換 ， 通用的控制能力 ， 具有簡化比率轉(zhuǎn)換 ， 刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離 ， 耐高溫等特點(diǎn) 。 下面就介紹此芯片的各方面資料 。片內(nèi)的 14 通道多路器可以選擇 11 個(gè)輸入中的任何一個(gè)或 3個(gè)內(nèi)部自測試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動的，轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC 輸出變高。 對 的 I/Oclk， 驅(qū)動源阻抗必須小于或等于 50 歐并且能夠?qū)⒛M電壓由 60PF的電容來限制其斜率 。 4 在個(gè)地址位被讀入地址寄存器后 ， I/O clk 將剩下的幾位依次輸入 。 6. GND 端是內(nèi)部電路的地回路端 ， 除加有說明外 ， 所有電壓測量都相對于 GND。 第三 ， 它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余 11位移出 data out 端 。 9. REF端通常接地 。 最高精度為 。 使用的基本元器件是 :AT89C51 單片機(jī) 。R電阻為 1K。 被測電壓輸入端 ， 整理過的模擬電壓輸入端 ， 開關(guān)與單片機(jī)的連接如圖所示 。 具體如 圖 8 所示 。 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 28 第 8章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 匯編語言和 C 語言的特點(diǎn)及選擇 本設(shè)計(jì)是硬件電路和軟件編程相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案 ， 選擇合適的編程語言是一個(gè)重要的環(huán)節(jié) 。 而 C語言雖然執(zhí)行效率沒有匯編語言高 ，但語言簡潔 ， 使用方便 ， 靈活 ,運(yùn)算豐富 ， 表達(dá)化類型多樣化 ， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型豐富 ， 具有結(jié)構(gòu)化的控制語句 ， 程序設(shè)計(jì)自由度大 ， 有很好的可重用性 ， 可移植性等特點(diǎn) 。 主程序設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)包括以下方面 : 按照硬件電路對單片機(jī)位定義 。 編寫鍵盤掃描模塊程序 。 1. 檢查所設(shè)計(jì)的硬件電路板所有的器件和引腳是否正確 ， 尤其是電源的連接是否正確 。 同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)硬件的故障 。 尤其注意的是各模塊間能否正確的傳遞參數(shù) 。 [2] 檢查按鍵模塊程序 。 可以在硬件電路的輸入端輸入已知的幾個(gè)電壓 ， 分別觀察液晶上是否顯示相應(yīng)的電壓值 。 [5] 總調(diào)試 。 程序仿真 當(dāng)相應(yīng)的各模塊環(huán)節(jié)都正確后 ， 可程序下載到單片機(jī) 。 2. 分為三檔量程 :2V， 20V， 200V。 4. 通過按鍵可以顯示 5秒的平均電壓的電壓值 。 因此本設(shè)計(jì)為之增加了可測 5秒內(nèi)平均電壓的電壓值 。 通過此設(shè)計(jì)可知在單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程應(yīng)注意以下事項(xiàng) 。 2. 因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì) ， 所以系統(tǒng)和硬件和軟件必須緊密配合 ， 協(xié)調(diào)一致 。 對于數(shù)字電壓表而 言 ， 功能將會越來越強(qiáng)大 。 sbit input=P1^4。 sbit key=P2^0。 sbit flag_4=P2^4。 uchar code tab3[]=Aver_V:。x0。 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 37 } void init_timer0()//定時(shí)計(jì)數(shù)器 0 初始 化函數(shù)， { TMOD=0x01。//打開中斷 TR0=0。 lcde=1。 } void write_dat(uchar x) { lcdrs=1。 delay(2)。 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 38 write_(0x06)。break。 write_(add)。 dat=dat/10。 write_dat(39。 write_dat(a[0]+0x30)。)。 write_dat(a[3]+0x30)。i5。break。 uchar i,a[5]。 } void init_1602() { write_(0x38)。 P0=x。 lcde=0。 lcdrs=0。//每 50ms 中斷一次 TL0=(6553650000)%256。y0。 void delay(int z)//延時(shí)函數(shù) { int x,y。 //顯示的單位及有關(guān)的字符 uchar code tab1[]=MV。//定義電壓表檔位相關(guān)標(biāo)志 sbit flag_2=P2^2。 sbit cs=P1^5。//1602 液晶寫命令 /數(shù)據(jù)標(biāo)志 ,0時(shí)寫命令 sbit lcdw=P1^1。 單片機(jī)的應(yīng)用如今已經(jīng)是在工業(yè) ， 電子等方面展示出了它的優(yōu)越性 ， 利用單片機(jī)在設(shè)計(jì)電路逐漸成了趨勢 ， 它與外圍電路再加上軟件程序就可以構(gòu)建任意的產(chǎn)品 ， 使得本設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí) 。 不能以元器件是否是最高性能作 為選擇元器件的標(biāo)準(zhǔn) ， 往往高性能器件的價(jià)格也是較高的 。 使直流電壓表有著較高的智能水平 。 使得本直流電壓表具體精度高 ， 靈敏度強(qiáng) ，性能可靠 ， 電路簡單 ， 成本低的特點(diǎn) 。 最高精度為 。 如果一樣 ， 說明設(shè)計(jì)成功完成 。 接上電源運(yùn)行 ， 再檢查所有功能 ， 觀察是否能預(yù)期的一樣 。 可以撥 動硬件電路的檔位開關(guān) ， 輸入相應(yīng)的電壓 ， 觀察液晶顯示的電壓值是否一致 。 觀察是否正確顯示 。 在主程序中調(diào)用 display()和 dislay_zifu()函數(shù) , 觀察在 1602 液晶上是否能夠顯示相應(yīng)的字符 。 首先單獨(dú)調(diào)試各子程序是否能夠按照預(yù)期的功能 ， 接口電路的控制是否正常 。 2. 將 40芯片的仿真插頭插入單片機(jī)插座進(jìn)行調(diào)試 ， 檢查各接口是否滿足設(shè)計(jì)的要求 ， 有正常的程序測試硬件電路的好壞 。 必須進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試 .調(diào)試分了硬件和軟件調(diào)試 。 編寫驅(qū)動 1602 液晶顯示模塊程序 。 用 C語言來控制單片機(jī)無疑是一個(gè)理 想的選擇 。匯編語言的特點(diǎn)是占用內(nèi)存單元少 ， 執(zhí)行效率高 ，