数字电压表

一、数字电压表概述

模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。数字电压表（Digital V oIt Me-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。

DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A／D转换器，最后用电子计数器计数显示，困此，DVM的基本组成是A／D 转换器和电子计数器。

DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。DVM 对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。

二、系统总体方案选择与说明

实现数字电压表的方案很多，目前广泛采用的时基于74系列逻辑器件，本设计将介绍基于单片机实现的方案。

74系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采样电路+数据处理实现，被测电压信号由信号输入端加到测量系统，进行预处理后送到后级电路。

单片机系统方案此方案采用输入处理电路+ADC0809+A T89C51+液晶显示实现，被测信号由ADC0809模拟输入端输入，单片机采集转换数据，将转换数据送出显示。

三、系统结构框图与工作原理

1、系统结构框图

根据项目要求，确定该系统的设计方案，图3-1为该系统设计方案的结构框图。硬件电路由6各部分组成，即单片机、时钟电路、复位电路、LED显示电路、A/D装唤器和测量电压输入电路。

图3-1 系统结构框图

2、工作原理

系统采用12M晶振产生脉冲做A T89C51的内部时钟信号，通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。利用中断设置单片机的P2.4口取反产生脉冲做A T89C51的时钟信号。通过键盘选择八路通道中的一路，将该路电压送入ADC0808相应通道，单片机软件设置ADC0808开始A/D转换，转换结束ADC0808的EOC端口产生高电平，同时将ADC0808的EO端口置为高电平，单片机将转换后结果存到片内RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为0.00-5.00V分别保存在片内RAM;系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到LED显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。

四、各单元硬件设计说明及计算方法

根据设计要求与思路，确定该系统的设计方案。硬件电路由5个部分组成，即单片机时钟电路、复位电路、4位显示器电路、A/D转换电路和键盘及测量电路。

1、单片机的选择

根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。此电路选择Atmel公司生产的A T89C51。A T89系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便;第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个电路体积更小。它以较小的体积、良好的性价比倍受青睐。

2、时钟与复位电路的设计

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。

电路中，电容C1和C2对震荡电路有微调的作用，通常的取值范围位（30+10）pF。石英晶体选择6MHz或12MHz都可以，其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值，此设计取12MHz。

单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图4-2所示是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。

电阻电容器件的参考值:R1=200Ω,R2=1KΩ,C3=22μF。RET按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。电路图如图4-1所示。

图4-1 时钟与复位电路

3、LED显示电路设计与器件选择

单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运

行结果。显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。

图4-2 LED显示管脚

LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，由图4-2可知，显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。此设计不采用段驱动芯片和位驱动芯片，直接由单片机的P1，P2口驱动，实验证明可行。在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数

也不同，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED

显示器。在我们的设计中，选择4位一体的共阴极时钟型LED显示器，采用动态显示方式。

图4-3 LED显示器接口电路原理

采用P1口作为LED的段码输出信号，P2口的低四位作为LED 位码的输出控制信号。硬件电路的连接如图4-3所示。

该电路的工作原理：当P1口输出段码信号的BCD码后，输出具有一定驱动能力的七段字形码，由于4-LED的段码输入管脚是并联在一起的，所以每一位LED的段码输入管脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号控制。P2口低四位输出位码信号后接到LED的位码控制端，因此P2口的低四位的位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位LED被点