【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，常常需要用數(shù)字電壓表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入到微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和顯示等功能。因此，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的液晶顯示數(shù)字電壓表，其不僅能夠?qū)χ绷麟妷哼M(jìn)行測(cè)量， 還可以方便地進(jìn)行量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、與計(jì)算機(jī)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(jī) ATMEGA128 為控制平臺(tái)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了 A／ D 轉(zhuǎn)換和液晶顯示等硬件功能電路和系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)顯示，該液晶顯示數(shù)字電壓表具有轉(zhuǎn)換速度快、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的使用價(jià)值 。 研究的目的及意義 隨著電子科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，電子測(cè)量也變得越來(lái)越普遍，并且對(duì)測(cè)量的功能要求也越來(lái)越高，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表 (Digital Voltmeter)簡(jiǎn)稱 DVM，它 是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量 (直流輸入電壓 )轉(zhuǎn)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(zhǔn)確，測(cè)量范圍廣，擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)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(lái)，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。 這個(gè)課題的目的和意義在于使自己掌握對(duì)數(shù)字電壓表的理解，自己動(dòng)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(cè)量外，通過(guò)各種變換器還可以測(cè)量其他電量和非電 量，測(cè)量是一種認(rèn)識(shí)過(guò)程，就是用實(shí)驗(yàn)的方法將被測(cè)量和被選用的相同參量進(jìn)行比較，從而確定它的大小。 DVM 廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域，每次測(cè)量的準(zhǔn)確度和可信度取決于它的主要性能和技術(shù)指標(biāo)。所以我們要學(xué)習(xí)和掌握如何設(shè)計(jì) DVM 就顯得十分重要。 國(guó)內(nèi)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(jì) 50年代初， 60年代末發(fā)張起來(lái)的電壓測(cè)量?jī)x表，簡(jiǎn)稱 DVM，它采用的是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后通過(guò)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(jì)算 機(jī)的應(yīng)用推廣到系統(tǒng)的自動(dòng)控制信號(hào)的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，提出了各種被觀測(cè)量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的要求，即為了實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶動(dòng)了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(cè)量?jī)x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(cè)量中的煩瑣與陳舊方式也促進(jìn)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(jīng)絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時(shí)候非常不方 便還經(jīng)常出錯(cuò)，而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測(cè)量精度高，速度快，讀數(shù)時(shí)也非常方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用與電子和電工測(cè)量，工業(yè)自動(dòng)化儀表，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域。數(shù)字電壓表最初是伺服步進(jìn)電子管比較式，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度較慢，體積重達(dá)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(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來(lái)出現(xiàn)了比較式儀表改進(jìn)逐次漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，它不僅保持了比較式準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點(diǎn)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(chǔ)上雙引申出階梯波式，它的唯一進(jìn)步就是成本降低了，可是準(zhǔn)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(jīng)非常成熟，就原理來(lái)講，它從原來(lái)的一兩種已經(jīng)發(fā)展到多種，在功能上講，它從測(cè)單一的參數(shù)發(fā)展到能測(cè)多種參數(shù)；從制作原件看，發(fā)展到集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度已經(jīng)達(dá)到 1NV，讀數(shù)速度達(dá)到每秒幾萬(wàn)次，而相對(duì)以前價(jià)格已經(jīng)降低了很多。 在電量的測(cè)量中，電壓，電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)量最經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是需要經(jīng)常測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓就成為必不可少的測(cè)量?jī)x 器。另外，數(shù)字測(cè)量?jī)x器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便，精度度高，誤差小，靈敏度高，分辨率高，測(cè)量速度快等特點(diǎn)倍受用戶親睞，數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)就基于這種需求發(fā)展起來(lái)。 本文的研究?jī)?nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容是： （ 1）設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)； （ 2）設(shè)計(jì) A/D 采集電路； （ 3）設(shè)計(jì)液晶顯示和鍵盤輸入電路； （ 4）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序流程，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)具有圖形界面的數(shù)字電壓表功能，計(jì)算出有效值、峰 峰值等，并顯示出電壓的波形； （ 5）對(duì)設(shè)計(jì)的電路和程序進(jìn)行調(diào)試與仿真。 本文分為以下幾個(gè)章節(jié)來(lái)詳細(xì)介紹： （ 1） 第 1 章：緒論，論述了 本設(shè)計(jì)的目的意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、本文研究?jī)?nèi)容及論文結(jié)構(gòu)的安排等； 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 （ 2） 第 2 章：數(shù)字電壓表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分塊介紹數(shù)字電壓表的方案設(shè)計(jì)； （ 3） 第 3 章：數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，分別介紹數(shù)字電壓表各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)，使用 proteus 軟件繪制硬件電路圖； （ 4） 第 4 章：系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，運(yùn)用 C 語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程； （ 5） 第 5 章：系統(tǒng)的仿真及調(diào)試。 最后：結(jié)束語(yǔ)，總結(jié)本設(shè)計(jì)的完成情況，不足及展望。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及工作原理 總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字電壓表整體結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)如圖 1 所示， 系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵輸入電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、 LCD 顯示系統(tǒng)等幾個(gè)模塊組成 。主要用軟件編程的方式檢測(cè)輸入信號(hào)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。 圖 1 數(shù)字電壓表整體方案結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要基于自動(dòng)控制原理，實(shí)現(xiàn)電壓量程的自動(dòng)切換、數(shù)據(jù)采樣、電壓顯示等功能。主要來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)由模擬信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、按鍵輸入電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、 LCD 顯示系統(tǒng)等幾個(gè)模塊組成。對(duì)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(hào)變成 直流輸出，然后對(duì)直流輸出信號(hào)進(jìn)行處理，比如采用 A/D 公司的 AD536A 真有效值轉(zhuǎn)換芯片。這種方法測(cè)量范圍窄、精度低、轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格高、功能單一。還有采用直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流變換的，價(jià)格便宜，但是精度更低，很難滿足實(shí)際應(yīng)用中的要求。而且題目中要求要將輸入電壓的信號(hào)變化曲線描繪在點(diǎn)陣型液晶中，這很明顯的告訴我們必須建立一個(gè)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(lái)完成。 系統(tǒng)工作原理 首先，輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減電路的衰減后送入到輸入電壓信號(hào)遷移電路，使電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成 AVR 單片機(jī)內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換器能夠處理的信號(hào)。 然后再將處理完成的信號(hào)送入到 ATMEGA128 單片機(jī)內(nèi)部自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 中去，啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)中。然后編程控制單片機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)換得到信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，得到我們需要的各個(gè)測(cè)量的參數(shù)。 最后將計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)外部顯示模塊 LCD1602 將其顯示出來(lái)，并且利用點(diǎn)陣型 LCD12864 顯示模塊實(shí)時(shí)顯示輸入的電壓信號(hào)的波形曲線。 方案選擇 單片機(jī)選擇 方案一： 選用 51 系列單片機(jī)。 51 系列單片機(jī)目前得到廣泛使用，如 89S51 它除了 89C51 所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有可在線編程，可在線仿真的功能，這讓調(diào)試變得方便。當(dāng)與其它型號(hào)單片機(jī)相比時(shí)， AT89S51 八位單片機(jī)的價(jià)格便宜，再者編程方便。編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟，這對(duì)于在網(wǎng)上查找相關(guān)資料和在圖書館查找相關(guān)資料時(shí)非常方便的。但本系統(tǒng)是個(gè)多信息處理的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要占用大量的硬件資源， 89S51 單片機(jī)中的資源在此就顯得相當(dāng)緊張，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。 方案二：選用 AVR 系列單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)是高速單片機(jī)，硬件采用哈佛(Harward)結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個(gè)時(shí) 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(gè)時(shí)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(jià)比高；有豐富的外設(shè)，如 RTC、 WATCHDOG、 AD 轉(zhuǎn)換器、PWM、 UART 接口等，部分型號(hào)還可以使用片內(nèi)振蕩器提供系統(tǒng) 1～ 8 MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘 ,使該類單片機(jī)無(wú)外加晶振器件即可工作； I/O 口功能強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力大， I/O口有輸入 /輸出、三態(tài)高阻輸入 ,也可設(shè)定內(nèi)部拉高電阻作輸入端的功能 , 工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，具有大電流 (灌電流 )10～ 40 mA,可直接驅(qū)動(dòng)可控硅 SSR 或繼電 器 , 節(jié)省了外圍驅(qū)動(dòng)器件；具有較大容量 EEPROM，可擦寫 10 萬(wàn)次的 EEPROM,為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來(lái)方便 ,來(lái)電后能記住掉電時(shí)的工作狀態(tài) .加之 AVR 單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)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(jī)作主控芯片。 AD轉(zhuǎn)換模塊 方案一：外接一 AD轉(zhuǎn)換芯片，利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。采樣得到數(shù)據(jù)，然后通過(guò)其與單片之間的接口將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。按題目要求的精度，至少需要12 位的 AD 轉(zhuǎn)換器件。但要測(cè)量一個(gè)小信號(hào)，除了要求 AD 的精度要達(dá)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(jī)之武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 間通信過(guò)程中會(huì)帶來(lái)干攏信號(hào)。而且不利于快速開發(fā)。 方案二：直接用 AVR 單片機(jī)中自帶的 AD轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)如下： 10 位精度 ,我們可以降低 AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)的電壓，以獲得較高的精度。 65~260us 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在最大精度下可達(dá)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(xiàng)擇方案二。 顯示器的選擇 顯示接口用來(lái)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(diǎn)陣型液晶顯示模塊，采用一個(gè) 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(qiáng)，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(jiǎn)單方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使用 1602LCD 液晶模塊顯示各種要測(cè)的參數(shù)，可以顯示一任意周期性的電壓信號(hào)中的最大值 ,最小值 ,平均值及有效值，并用點(diǎn)陣型液晶 12864 顯示輸入的電壓信號(hào)的波形變化曲線。 本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用 ATMEGA128