【文章內容簡介】 utomation instrument, automatic test system, intelligent measurement field, show strong vitality. At the same time, the expansion of DVM into general and special digital instruments, the power and the power measurement technology to a new level. It is based on the thought of our design of the digital voltmeter is based on single chip microputer AVR a voltage signal sampling system, this design uses the AVR single chip microputer to own AD internal the input voltage converter low frequency signal sampling, sampling data stored in the single chip, using the corresponding algorithm for the input voltage signal of the maximum and minimum values, the average and effective value. Measurement range 0 ~ 177。 20 V (dc, ac, all can measure), use 1602 LCD module display all kinds of parameters to measure, can display a any periodic voltage signal of the maximum and minimum values, the average and effective value, and the formation of liquid crystal display at 12864 input voltage signal waveform change curves. KEY WORD:Measurement ,Singlechipmicroputer ,ADtransform ,DVM , Visualization 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 在現(xiàn)代檢測技術中，常常需要用數(shù)字電壓表進行現(xiàn)場檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)送入到微計算機系統(tǒng)，完成計算、存儲、控制和顯示等功能。因此，設計了一種實用的液晶顯示數(shù)字電壓表，其不僅能夠對直流電壓進行測量， 還可以方便地進行量程的自動轉換、與計算機通信等功能，并在液晶顯示器上顯示。該液晶顯示數(shù)字電壓表采用 AVR 單片機 ATMEGA128 為控制平臺，重點設計了 A／ D 轉換和液晶顯示等硬件功能電路和系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)場實驗顯示，該液晶顯示數(shù)字電壓表具有轉換速度快、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，具有很好的使用價值 。 研究的目的及意義 隨著電子科學技術的日益發(fā)展，電子測量也變得越來越普遍，并且對測量的功能要求也越來越高，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表 (Digital Voltmeter)簡稱 DVM，它 是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量 (直流輸入電壓 )轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。與傳統(tǒng)的模擬式電壓表相比，具有顯示清晰直觀，讀數(shù)準確，測量范圍廣，擴展能力強等優(yōu)點。液晶顯示數(shù)字電壓表是將連續(xù)的模擬量，如直流電壓，轉換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式，并在液晶顯示器上顯示出來，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。 這個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，自己動手設計數(shù)字電壓表與仿真，它可以廣泛的應用于電壓測量外，通過各種變換器還可以測量其他電量和非電 量，測量是一種認識過程，就是用實驗的方法將被測量和被選用的相同參量進行比較，從而確定它的大小。 DVM 廣泛應用于測量領域，每次測量的準確度和可信度取決于它的主要性能和技術指標。所以我們要學習和掌握如何設計 DVM 就顯得十分重要。 國內外數(shù)字電壓表的發(fā)展及現(xiàn)狀 數(shù)字電壓表出現(xiàn)在上世紀 50年代初， 60年代末發(fā)張起來的電壓測量儀表，簡稱 DVM，它采用的是數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后通過顯示器件顯示。這種電子儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計算 機的應用推廣到系統(tǒng)的自動控制信號的實驗領域，提出了各種被觀測量或被控制量轉換成數(shù)字量的要求，即為了實時控制和數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計算機的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術的發(fā)展，武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產生與發(fā)展與電子計算機的發(fā)展是密切相關的；同時，為革新電子測量中的煩瑣與陳舊方式也促進了它的飛速發(fā)展。如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。 如今，數(shù)字電壓表已經絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，因為傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時候非常不方 便還經常出錯，而采用單片機的數(shù)字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時也非常方便，抗干擾能力強，可擴展性強等優(yōu)點已被廣泛應用與電子和電工測量，工業(yè)自動化儀表，自動測量系統(tǒng)等領域。數(shù)字電壓表最初是伺服步進電子管比較式，其優(yōu)點是準確度比較高，但是采樣速度較慢，體積重達幾十公斤。繼之出現(xiàn)了諧波式電壓表，它的速度方面稍有提高但準確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進逐次漸進式結構，它不僅保持了比較式準確度高的優(yōu)點，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點就是抗干擾能力差，很容易受到外界因素的影響，隨后，在諧波式的 基礎上雙引申出階梯波式，它的唯一進步就是成本降低了，可是準確度，速度及抗干擾能力都未提高。而數(shù)字電壓表的發(fā)展已經非常成熟，就原理來講，它從原來的一兩種已經發(fā)展到多種，在功能上講，它從測單一的參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作原件看，發(fā)展到集成電路，準確度已經有了很大的提高，精度已經達到 1NV，讀數(shù)速度達到每秒幾萬次，而相對以前價格已經降低了很多。 在電量的測量中，電壓，電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最經常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是需要經常測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓就成為必不可少的測量儀 器。另外，數(shù)字測量儀器具有讀數(shù)準確方便，精度度高，誤差小，靈敏度高，分辨率高，測量速度快等特點倍受用戶親睞，數(shù)字電壓表的設計就基于這種需求發(fā)展起來。 本文的研究內容 本次畢業(yè)設計的主要研究內容是： （ 1）設計單片機的最小系統(tǒng)； （ 2）設計 A/D 采集電路； （ 3）設計液晶顯示和鍵盤輸入電路； （ 4）設計系統(tǒng)的程序流程，通過軟件實現(xiàn)具有圖形界面的數(shù)字電壓表功能，計算出有效值、峰 峰值等，并顯示出電壓的波形； （ 5）對設計的電路和程序進行調試與仿真。 本文分為以下幾個章節(jié)來詳細介紹： （ 1） 第 1 章：緒論，論述了 本設計的目的意義、國內外研究現(xiàn)狀、本文研究內容及論文結構的安排等； 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 3 （ 2） 第 2 章：數(shù)字電壓表系統(tǒng)的設計方案，分塊介紹數(shù)字電壓表的方案設計； （ 3） 第 3 章：數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設計，分別介紹數(shù)字電壓表各個模塊的硬件設計，使用 proteus 軟件繪制硬件電路圖； （ 4） 第 4 章：系統(tǒng)軟件的設計，運用 C 語言對單片機進行編程； （ 5） 第 5 章：系統(tǒng)的仿真及調試。 最后：結束語，總結本設計的完成情況，不足及展望。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 4 2 系統(tǒng)總體方案設計及工作原理 總體方案設計 數(shù)字電壓表整體結構設 計如圖 1 所示， 系統(tǒng)主要由模擬信號調理電路、 A/D轉換電路、按鍵輸入電路、單片機控制系統(tǒng)、 LCD 顯示系統(tǒng)等幾個模塊組成 。主要用軟件編程的方式檢測輸入信號的大小來實現(xiàn)數(shù)字電壓表的量程自動轉換功能。 圖 1 數(shù)字電壓表整體方案結構圖 系統(tǒng)設計需要基于自動控制原理，實現(xiàn)電壓量程的自動切換、數(shù)據(jù)采樣、電壓顯示等功能。主要來說，系統(tǒng)由模擬信號調理電路、 A/D 轉換電路、按鍵輸入電路、單片機控制系統(tǒng)、 LCD 顯示系統(tǒng)等幾個模塊組成。對于求輸入電壓的有效值 ,目前常用的方法是采用 RMSDC 的方法，即用集成電路直接把交流信號變成 直流輸出，然后對直流輸出信號進行處理，比如采用 A/D 公司的 AD536A 真有效值轉換芯片。這種方法測量范圍窄、精度低、轉換芯片價格高、功能單一。還有采用直接對交流信號進行整流的方法來實現(xiàn)直流變換的，價格便宜，但是精度更低，很難滿足實際應用中的要求。而且題目中要求要將輸入電壓的信號變化曲線描繪在點陣型液晶中，這很明顯的告訴我們必須建立一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，我們決定用數(shù)據(jù)采集的思想來完成。 系統(tǒng)工作原理 首先，輸入的電壓信號經過衰減電路的衰減后送入到輸入電壓信號遷移電路，使電壓信號轉化成 AVR 單片機內部 AD 轉換器能夠處理的信號。 然后再將處理完成的信號送入到 ATMEGA128 單片機內部自帶的 AD 轉換器武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 5 中去，啟動 AD轉換器進行轉換，將其轉換得到的數(shù)字信號數(shù)據(jù)送入到單片機中。然后編程控制單片機，對轉換得到信號進行計算處理，得到我們需要的各個測量的參數(shù)。 最后將計算所得到的數(shù)據(jù)通過外部顯示模塊 LCD1602 將其顯示出來，并且利用點陣型 LCD12864 顯示模塊實時顯示輸入的電壓信號的波形曲線。 方案選擇 單片機選擇 方案一： 選用 51 系列單片機。 51 系列單片機目前得到廣泛使用，如 89S51 它除了 89C51 所具有的優(yōu)點外，還具有可在線編程，可在線仿真的功能，這讓調試變得方便。當與其它型號單片機相比時， AT89S51 八位單片機的價格便宜，再者編程方便。編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟，這對于在網(wǎng)上查找相關資料和在圖書館查找相關資料時非常方便的。但本系統(tǒng)是個多信息處理的復雜程序控制系統(tǒng)，需要占用大量的硬件資源， 89S51 單片機中的資源在此就顯得相當緊張，將對整個系統(tǒng)的性能產生很大的影響。 方案二：選用 AVR 系列單片機。 AVR 單片機是高速單片機，硬件采用哈佛(Harward)結構，達到一個時 鐘周期可以執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令，而 MSC51 要 12 個時鐘周期執(zhí)行一條指令；它支持程序的在系統(tǒng)編程 ISP，開發(fā)門檻較低，性價比高；有豐富的外設，如 RTC、 WATCHDOG、 AD 轉換器、PWM、 UART 接口等，部分型號還可以使用片內振蕩器提供系統(tǒng) 1～ 8 MHz 的系統(tǒng)時鐘 ,使該類單片機無外加晶振器件即可工作； I/O 口功能強、驅動能力大， I/O口有輸入 /輸出、三態(tài)高阻輸入 ,也可設定內部拉高電阻作輸入端的功能 , 工業(yè)級產品，具有大電流 (灌電流 )10～ 40 mA,可直接驅動可控硅 SSR 或繼電 器 , 節(jié)省了外圍驅動器件；具有較大容量 EEPROM，可擦寫 10 萬次的 EEPROM,為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來方便 ,來電后能記住掉電時的工作狀態(tài) .加之 AVR 單片機高速，中斷服務時間短，故可實現(xiàn)高波特率通訊。根據(jù)題目要求，綜合考慮上述方案，我們選用ATMEGA128 單片機作主控芯片。 AD轉換模塊 方案一：外接一 AD轉換芯片，利用單片機對其進行控制。采樣得到數(shù)據(jù)，然后通過其與單片之間的接口將數(shù)據(jù)傳送給單片機。按題目要求的精度，至少需要12 位的 AD 轉換器件。但要測量一個小信號，除了要求 AD 的精度要達到外 ，還要模擬電路的前端處理部分要求低噪聲，穩(wěn)定性好。 但是在外部 AD 與單片機之武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 6 間通信過程中會帶來干攏信號。而且不利于快速開發(fā)。 方案二：直接用 AVR 單片機中自帶的 AD轉換器。其主要特點如下： 10 位精度 ,我們可以降低 AD轉換基準的電壓，以獲得較高的精度。 65~260us 的轉換時間，在最大精度下可達每秒 15KSPS 的采樣速率?？蛇x的 的 ADC 參考電壓源。由于是單片集成，故其控制更容易，干攏也最小。所以我們選項擇方案二。 顯示器的選擇 顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)、命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD1602 液晶模塊和 12864 點陣型液晶顯示模塊，采用一個 162 的字符型液晶顯示模塊 ，體積小，功耗低，可顯示 192 種字符，可自編 8 種字符，指令功能強，可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求，接口簡單方便，可靠性高等優(yōu)點，使用 1602LCD 液晶模塊顯示各種要測的參數(shù)，可以顯示一任意周期性的電壓信號中的最大值 ,最小值 ,平均值及有效值，并用點陣型液晶 12864 顯示輸入的電壓信號的波形變化曲線。 本設計主要應用 ATMEGA128