简易数字直流电压表的设计--单片机课程设计

1、前言
数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。

目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。

与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

本章重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。

2 、系统原理及基本框图
如图2.1所示，模拟电压经过档位Array切换到不同的分压电路衰减后，经隔离
干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然
后送到单片机中进行数据处理。

处理后
的数据送到LED中显示。

图2.1系统基本方框图
3、硬件设计
3.1 、电源电路
图 3.1 电源电路原理图
3.2 、A/D 转换电路
A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。

本设计采用A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。

在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。

图3.2.1 A/D 转换器
图
3.2.2双积A/D 转换器的波形图
如图所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。

在常用的A/D转换芯片（如ADC -0809、ICL7135、
ICL7109 等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。

3.3、单片机部分
单片机选用的是ATMEL 公司新推出的AT89S52，如图 3.2.1.1所示。

该芯
图3.2.1.2双积A/D 转换器的波形图
片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机，与AT89C51完全兼容。

AT89S52还有以下主要特点：
①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；
②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；
③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式
④片内含有一个看门狗定时器（WDT），WDT包含一个14位计数器和看
门狗定时器复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的干扰性能。

图 3.2.1.1 AT89S52引脚图
3.4 、LED显示部分
本实验的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管构成，用于显示测量到的电压值。

它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图1-13所示。

每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89S52的P1口产生的显示段码。

1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收
AT89S52的P3口产生的位选码。

图3.4.1和图3.4.2分别为其原理图和实物图。

图3.4.1 一位数码管的原理图
图3.4.2 数码管实物图
3.5 总原理图
图3.5.1 数字电压表总原理图
4、程序设计部分
4.1 程序设计流程
初始化中主要对AT89S52，ADC0809的管脚和数码管的位选及所用到的内存单元进行初始化设置。

准备工作做好后便启动ADC0809对IN0脚输入进的0.000～2.500V电压模拟信号进行数据采集并转换成相对应的0～255十进制数字量。

在数据处理子程序中，运用标度变换知识，编写算法将0～255十进制数字量转换成0.000～2.500V的数据，输出到显示子程序进行显示。

整个主程序就是在A/D转换，数据处理及显示程序循环执行。

整个程序流程框图如图1－16所示。

图4.1.1 主程序流程图
4.2 程序段解释
延时程序：
void delay(uint t)
{
while(--t);
}
根据TLC549的工作时序图，使用P1.0作为片选端cs，P1.1作为数据输出端dt，P1.2作为时钟输入端io。

先初始化AD芯片，然后打开片选端cs，开始检测数据输出端dt的电平，用变量temp记录数据。

程序如下：
uchar duqu()
{
uchar temp;
temp=0;
cs=1;
io=0;
cs=0;
for(i=0;i<8;i++) //AD数据是串行输出，所以用移位方式存储数据 {
io=1;
temp=temp<<1;
if(dt)
{temp++;}
io=0;
}
cs=1;
delay(10);
return(temp);
}
用aa获得AD转换值，用c取得整数部分，d取得第一位小数，e取得第二位小数。

然后通过P0、P2口控制数码管显示。

void xianshi()
{
aa=duqu();
bb=(0.009804*aa);
cc=bb*1000;
qian=bb;
c=(cc-qian*1000)/100;
d=(cc-qian*1000-c*100)/10;
e=cc-qian*1000-c*100-d*10; //获得数据
P2=0xff;
P0=table[qian]|0x80;
P2=0xf7;
delay(50);
P0=0;
P2=0xfb;
P0=table[c];
delay(50);
P0=0;
P2=0xfd;
P0=table[d];
delay(50);
P0=0;
P2=0xfe;
P0=table[e];
delay(50); //数码管显示数据
P0=0;
}
以下是主程序部分，直接使用显示程序即可获得测的电压值。

void main()
{
while(1)
{
xianshi();
}
}
5总结
通过本次课题设计，我们对单片机这门课程有了更进一步的了解。

无论是在其硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。

对AltiumDesigne仿真软件有了初步的了解和认识，使用AltiumDesigne仿真软件，可以让我们在虚拟的环境中进行实验，不需要真实电路环境的介入，不必顾及仪器设备的短缺与时间环境的限制，能够极大的提高实验的效率。

本次实验采用了AT89S52单片机芯片，与以往我们我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过本次实验及查阅相关资料，我们对其之间的区别有了一定的认识，在本课题设计报告的硬件介绍部分也对其作了详细的论述。

另外，在对单片机编程方面，我们又掌握了一些新的编程思想，使得程序更为简练、易懂，而且更为严谨，程序执行的稳定性得到了提高。

实验中我们还用到了模/数转换芯片ADC0809，以前在学单片机这门课程时只是对其理论知识有了初步的了解。

通过本次实验，我们对它的工作原理彻底理解了，对其启动设置、转换结束判断以及输出控制等都基本掌握。

电路连接方面，我们对其与单片机的连接也有了更为直观的认识，通过实验的摸索以及必要的理论知识，我们准确的实现了它于单片机的互连。

另外，在布线方面，我们也存在一些问题，导致我们做好的电路板在外观上不怎么美观。

这次单片机课程设计，高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。

加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。

还使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是
困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

我希望像这样的课程设计能多来几次，锻炼我们的独立思考和动手能力。

致谢
在我写本论文的过程中，贺科学老师给我提供了许多帮助，并对实践中出现的问题给予耐心的解答，完稿之后在百忙之中仔细阅读，给出修改意见。

贺老师爱岗敬业，治学严谨，思维严密，平易近人是我十分尊敬的老师，在此对他表示感谢。

在本文撰写的过程中，得到了李森涛和吴文俊同学的大力帮助，在这里对他们也表示的感谢！
参考文献
[1]李鸿等．单片机原理及应用[M]．湖南大学出版社，2005．
[2]何立民．单片机高级教程---应用与设计[M]．北京航空航天大学出版社，2000，8．
[3]戴佳．51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M]．北京：电子工业出版社，2006．
[4]于京．51系列单片机C程序设计与应用案例[M]．北京：中国电力出版社，2006．
[5]孙育才．ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M]．北京：清华大学出版社， 2005．
[6]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000．
附录附录A 总原理图
附录B PCB图
附录C 数字直流电压表总程序
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit cs=P1^0;
sbit dt=P1^1;
sbit io=P1^2;
char code table[]=
{ 0x3F, //0
0x06, //1
0x5B, //2
0x4F, //3
0x66, //4
0x6D, //5
0x7D, //6
0x07, //7
0x7F, //8
0x6F}; //9
uchar aa;
uint qian;
uint c,d,a,e,i,cc;
float bb;
void delay(uint t) {
while(--t);
}
uchar duqu() {
uchar temp;
temp=0;
cs=1;
io=0;
cs=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
io=1;
temp=temp<<1;
if(dt)
{temp++;}
io=0;
}
cs=1;
delay(10);
return(temp);
}
void xianshi()
{
aa=duqu();
bb=(0.009804*aa);
cc=bb*1000;
qian=bb;
c=(cc-qian*1000)/100;
d=(cc-qian*1000-c*100)/10; e=cc-qian*1000-c*100-d*10;
P2=0xff;
P0=table[qian]|0x80;
P2=0xf7;
delay(50);
P0=0;
P2=0xfb;
P0=table[c];
delay(50);
P0=0;
P2=0xfd; P0=table[d]; delay(50);
P0=0;
P2=0xfe; P0=table[e];
delay(50); P0=0;
}
void main()
{
while(1)
{
xianshi();
}
}。