【導讀】本設計利用AT89S51單片機技術結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)建。了一個直流數(shù)字電壓表。電流測量子系統(tǒng)，給出了硬件電路的框圖、電氣原理圖和軟件流程圖。了3個鍵的鍵盤，用于設定電壓、電流切換的功能鍵、系統(tǒng)復位鍵以及清零鍵。

　　

【正文】 上顯示字符時，只要從對應的 I/O 口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點為：各數(shù)碼管同時點亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管導通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。故?jīng)綜合考慮，決定選用 LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式。 本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示所測量的電流電壓值，為了節(jié)省 I/O口，我們使用 74LS47 來把四位的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成七段 LED顯示，下面給出 LED 與單片機的接口電路圖，如圖 所示。 由上圖可以看到，單片機的 、 、 作為 BCD碼的輸出口，分別與 74LS47 的 A、 B、 C和 D 引腳相接。單片機的 、 、 和 分別作為四位 LED 的由低位到高位的 373鎖存器的鎖存控制端，高電平有效。這西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 23 4個 373 鎖存器的輸出使能端接高電平，使輸出常通，連接到 4 個 LED 顯示器。 單片機由低位到高位送給 4 個 LED 顯示器數(shù)據(jù)時，在軟件控制下，先準備好 至 ，然后在 端產(chǎn)生一個為正脈沖，將數(shù)據(jù)鎖存到 DG4。其余類似。 鍵盤的選擇 本設計中鍵盤主要 設置了 用于 切換 電壓、電流兩個 檔的 功能 鍵， 系統(tǒng)復位鍵 以及 顯示器清零鍵 。 其中，按下功能鍵 LED 燈亮的時候測量的是電壓值，再按下功能鍵 LED 燈滅的時候測的是電流值。這個鍵盤 將采用 采用獨立式鍵盤直接與單片機進行連接。這種方法結(jié)構(gòu)簡單， 接口電路配置靈活。如下圖 所示 。 圖 鍵盤框圖 表筆探針設計 本設計 輸入端設置了紅、黑探針一對。因為 需 測量電壓、電流 兩不同 值，因此輸入端 紅色探針處設置一個單刀雙擲 繼電器 開關 ， 如圖 （ a） ， 此繼電器開關受鍵盤上的功能鍵控制， 如圖 （ b） ,當鍵盤功能鍵按下，電壓顯示燈亮，則此繼電器開關打到電壓測量電路測量電壓，反之測量電流，表筆探針繼電器開關 如下圖 所示 。 RST CLC U I LED 系統(tǒng)復位 清零 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 圖 輸入端設計圖 紅色探針 U i I i K 接單片機 口 功能鍵 Jui +5V （ a） (b) 90 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 25 4 系統(tǒng)總體方案研究 總體方案確定 經(jīng)過分析和仔細的研究系統(tǒng)總體方案確定如下： 單片機：采用 8051 派生系列產(chǎn)品 AT89S51； A/D 轉(zhuǎn)換器 ：采用 ADC0809； 液晶顯示器：采用 三位半 LED 數(shù)碼管 液晶顯示器； 鍵盤：采用與單片機直接相連的獨立式按鍵 ； 紅、黑探針一對 。 系統(tǒng)框圖及闡述 本設計系統(tǒng)以 51單片機作為數(shù)字電壓表的控制核心，系統(tǒng)包括主控模塊 51單片機，顯示模塊， A/D 轉(zhuǎn)換模塊，放大器模塊，輸入端模塊以及鍵盤模塊。系統(tǒng)框圖如下圖 所示。以下再對 各 部分進行闡述。 圖 系統(tǒng)總體框圖 電壓 電流 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 LED 顯示模塊 鍵盤模塊 單片機系統(tǒng)模塊 輸入端模塊 控制線 檔位切換模塊 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 AT89S51的連接 ADC0809 與 AT89S51 的連接 圖如圖 所示 。 圖 ADC0809 與 AT89S51 的連接圖 圖中， ADC0809 的轉(zhuǎn)換時鐘由單片機的 ALE提供。因 ADC0809 的典型轉(zhuǎn)換頻率 為 640kHz， ALE 的信號頻率與晶振頻率有關，如果晶振頻率取 12MHz，則 ALE的頻率為 2MHz，所以， ADC0809 的時鐘端 CLK 與單片機的 ALE端相連時，要考慮分頻。 51單片機通過地址線 和讀、寫控制線 RD 、 WR 來控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動輸出允許。模擬量輸入通道地址的譯碼輸入 ADDA～ ADDC由 ～ 提供，因 ADC0809 具有通道地址鎖存功能，故 ～ 不需經(jīng)鎖存器接入 ADDA～ ADDC。根據(jù) ～ 的連接方法， 8個模擬輸入通道的地址依 IN0～ IN7 順序為 FEF8H～ FEFFH. 由于 ADC0809 轉(zhuǎn)換頻率最高約 512kHz,所以采用 32 分頻，采用 5 個 D觸發(fā)3 8 8 8 8 分頻器 1 1 ≥ 1 ≥ 1 ALE p0p0000pJK51 單片機 RD P WR 1D ～ 8D G D0 D7 ～ P 0. ～ P P 0. ～ P ADDA ADDB ADDC EOC OE START ALE CLK 74LS373 1Q ～ 8Q 8 VREF (+) A0～ A7 VREF (+) +5V IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1IN0 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 27 器串聯(lián)，如圖 所示，可以獲得 375 kHz 轉(zhuǎn)換頻 率。 圖 32 分頻電路 鍵盤 與單片機的連接 在本設計中采用獨立式按鍵進行連接。在本設計中鍵盤主要是 由系統(tǒng)復位鍵、清零鍵以及功能鍵組成。 系統(tǒng)復位鍵接單片機的 口，清零鍵接單片機的 口，功能鍵接單片機的 。 其中功能鍵包括電壓、電流兩個檔位，當按下功能鍵， LED 指示燈亮時，此時接入的是電壓測量電路，可以開始測量電壓值。當再次按下功能鍵， LED 指示燈滅時，接入的是電流測量電路，可以開始測量電流值。 電路如圖 。 D Q CK Q D Q CK Q D Q CK Q D Q CK Q D Q CK Q 12MHz 1/32 f≈ 375KHz 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 28 圖 鍵盤電 氣 原理圖 多量程數(shù)字電壓表檔位切換原理 由于本設計要求數(shù)字電壓表能夠分別測量出電壓、電流值，因此從輸入端紅表筆處設一個單刀 雙擲 繼電器 開關 。此 繼電器 開關受鍵盤功能鍵控制，當鍵盤功能鍵按到電壓檔時此開關打到電壓處，接通電壓測量電路，當鍵盤功能鍵按到電流檔時開關打到電流處，接通電流測量電路。 本設計區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表 的 檔位切換 ， 一般的實驗室 用 數(shù)字電壓表 的檔位切換都是用波段開關，在鍵盤上設置 一個旋轉(zhuǎn)按鈕，靠人為的手動來逐個切換檔位。而本設計 中，將手動的 更換檔位 替換為 完全 由單片機內(nèi)部進行自動選擇判斷 其量程檔位，大大減小了誤差，還提高了效率。 多量程電壓的測量 多量程電壓測量電氣原理 如下 圖 。 功能鍵 500? 500? 500? 51 單片機 I/O +5V 系統(tǒng)復位鍵 清零鍵 Jui LED R 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 29 9MR1900KR2R39KR41KR5KU0KU1KU2KU3KU4A /DIN 0IN 151 單片機R 16R 17R 18 R 19 R 20J U 0 J U 1 J U 2 J U 3 J U 47 4L S 37 3UiUi+ 1 2 VE O CP 1 . 6P 1 . 7S T A R TP0P1P0A D D A A D D CP 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .410K++ 5 V5 V10K10K 圖 多量程電壓測量電氣原理圖 （ 1） P ～ P 0. ： 000 ，對應通道 IN0, 檢測正電壓輸入 。 如圖 所示，紅表筆所測量得輸入電壓信號進來電壓測量電路之后， 單片機的 口線置“ 1”，使得其所對應的繼電器線圈 JU0 導通，從而使繼電器開關 KU0 閉合，電壓信號經(jīng)過分壓電阻后， 看其是否能讓 A/D 檢測到，如果 A/D能檢測到則，信號 通過 IN0 口 送入 A/D，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號送往單片機，再由單片機將最終信號送往顯示器顯示；如果此時的值還不能讓 A/D 檢測到，則單片機逐次將 ～ 置“ 1”， 使得信號能讓 A/D 檢測到時，將信號通過 IN0送入 A/D。 （ 2） P ～ P0. ： 001 ，對應通道 IN1, 檢測負電壓輸入 。 如果單片機依次將 ～ 都逐次置 “ 1”，使得繼電器開關 KU0～ KU4 逐次導通后，而 A/D依然沒有檢測到信號時，此時單片機將使 ～ 置為 001，則 A/D 對應通道為 IN1，此時開始檢測負電壓，如同檢測正電壓一樣，單片機進行逐次導通，最終 選出適合的檔位使得 A/D進行轉(zhuǎn)換，最終通過單片機送給顯示器顯示。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 30 多量程電流的測量 多量程電流測量電氣原理 如下 圖 。 9R8 1090R7900R6K I0K I1K I2K I3K I4D1D2A /DIN 2IN 351 單片機R 11 R 12R 13 R 14 R 15J I 0 J I 1 J I 4J I 2 J I 3+ 1 2 V7 4L S 37 3IiBX IiE O C S T A R TP 1 . 6P 1 . 7P0P1P 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4A D D A A D D C P0R?R E S 210K++ 5 V5 V10K10K 圖 多量程電流測量電氣原理圖 （ 1） P ～ P 0. ： 000 ，對應通道 IN2, 檢測正電 流 輸入 。 所測量得輸入電流信號進來電流測量電路之后， 電流首先通過保險絲管 BX，以防電流過大時它可快速熔斷。接下來，通過兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管 D D2。 單片機的 口線置“ 1”，使得其所對應的繼電器線圈 JI0 導通，從而使繼電器開關 KI0 閉合，電 流 信號經(jīng)過分 流 電阻后，看其是否能讓 A/D檢測到，如果 A/D 能檢測到則，信號通過 IN2 口送入 A/D，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號送往單片機，再由單片機將最終信號送往顯示器顯示；如果此時的值還不能讓 A/D 檢測到，則單片機逐次將 ～ 置“ 1”，使得信號能讓 A/D 檢測到時，將信號通過 IN2 送入 A/D。 （ 2） P ～ P0. ： 001 ，對應通道 IN3, 檢測負電 流 輸入 。 如果單片機依次將 ～ 都逐次置“ 1”，使得繼電器開關 KI0～ KI4 逐次導通后，而 A/D依然沒有檢測到信號時，此時單片機將使 ～ 置為 001，則 A/D 對應通道為 IN3，此時開始檢測負電流，如同檢測正電流一樣，單片機進行逐次導通，最終選出適合的檔位使得 A/D進行轉(zhuǎn)換 ，最終通過單片機送給顯示器顯示。 本設計的檔位切換模塊電氣原理總圖見附錄 1。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 31 5 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計的總體思想 在本設計中，需要實現(xiàn) 數(shù)字電壓表 能夠 測量出電壓、電流 功能， 并通過單片機內(nèi)部自動進行量程轉(zhuǎn)換， 并通過液晶將 所測的電壓、電流值 顯示出來。所以，系統(tǒng)的軟件將實現(xiàn)以下各項功能。 系統(tǒng)單片機的軟件設計 鍵盤的處理 系統(tǒng)中鍵盤實現(xiàn)的功能是完成 電壓電流的選擇、系統(tǒng)復位以及清零。 本系統(tǒng)中設有 3個按鈕 ，分別實現(xiàn)不同的功能。 系統(tǒng)復位 按鍵實 現(xiàn)系統(tǒng)的復位，當一次測量過后，按下系統(tǒng)復位鍵 使系統(tǒng)恢復 初始狀態(tài)， 以便進行下一次測量。 清零 鍵實現(xiàn) 對顯示器的清零，買次測量之前都需將顯示器清零，以免上次測量的結(jié)果影響本此測量 。 功能 按鍵實現(xiàn) 對電壓、電流測量的選擇，每次測量之前都需要確定測量的類型，如果測量電壓，則當按下功能鍵， LED燈亮的時候方可進行電壓測量，當按下功能鍵， LED燈滅的時候方可進行電流的測量。 主程序中，用循環(huán)掃描方式來檢測鍵盤。 顯示的處理 現(xiàn)實程序通常在軟件程序中占有較大的比重，主程序?qū)⑼ㄟ^液晶顯示器顯示系統(tǒng) 測量出的所對應的電壓、電流值 。 同時顯 示器將根據(jù)單片機判斷出的檔位 自動調(diào)整小數(shù)點的顯示。 其中，前三個小數(shù)點與對應的顯示數(shù)字結(jié)合來顯示輸出的西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 32 數(shù)的大小，最后一個小數(shù)點用于表示電壓的正負，當最后一個小數(shù)點亮的時候，說明此時所測的為負電壓或負電流，當最后一個小數(shù)點沒亮的時候，此時所測量的為正電壓或正電流。 檔位切換的處理 本設計區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表 的 檔位切換 ， 一般的實驗室 用 數(shù)字電壓表 的檔位切換都是用波段開關，在鍵盤上設置 一個旋轉(zhuǎn)按鈕，靠人為的手動來逐個切換檔位。而本設計中，將手動的更換檔位替換為完全由單片機內(nèi)部進行自動選擇判斷其量程檔位。