基于单片机的数字电压表

毕业实践

类别项目承接与技术服务

题目基于单片机的数字电压表

系名称电气工程系

专业班级电气S2009-4班

学生姓名

学号34

指导老师

完成日期 2011年12月28日

毕业实践任务书

开题报告书

电气工程系电气自动化专业

摘要

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。

关键词：数字电压表 A/D 转换器 PC 电压测量

目录

前言

第一章设计方案 (1)

1.1 A/D转换部分 (1)

1.2电源部分 (2)

第二章系统硬件电路设计 (3)

2.1输入电路 (3)

2.2 A/D转换电路 (4)

2.3 单片机芯片 (5)

2.4 89C51与外围电路的接口 (8)

2.5数码管显示器 (9)

2.6 通讯模块 (11)

第三章系统软件设计 (13)

3.1复位电路 (13)

3.2电源电路 (14)

3.3 程序框图 (17)

总结 (21)

致谢 (22)

附录 (23)

附录A 系统框图 (23)

附录B 数字电压表Protel原理图 (24)

附录C源程序 (25)

参考文献 (34)

第一章设计方案

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本设计从各个角度分析了由单片机组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为A/D转换电路、LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用汇编语言编程，利用WAVE和PROTEUS 软件对其编译和仿真，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。

1.1 A/D转换部分：

电压是模拟量，而数码管显示需要的是数字量，故需要采用A/D转换模拟信号为数字信号供数码管显示出来,可供选择的芯片有ADC0809,ADC574和TLC2543等等。

由于要求测量精度在5%，因此须选用12位精度的A/D转换器，且可直接驱动LED显示器工作，0809为8位精度,故不能采用,而综合性价比,TLC2543就成为了本次设计的首选。由于TLC2543测量范围为0-+5V，故需要为其设计降压稳压电路。

被测量模拟量变为数字量之后，并不能通过数码管直接显示出来，而需要单片机加以处理形成段码才能显示出来。而且，A/D电路的时钟与输入输出都需要单片机与其对接予以控制。故选择含有内部闪存的89C51完成此工作。该芯片无论从性能还是价格上都是非常合适的。数字信号转换为段码并显示出来需要有程序和其它接口电路配合。在程序上，A/D采集程序采用多次取值并求和求平均的方法得出双字节数据，然后通过双字节转换BCD码子程序得出BCD码。硬件显示上选用动态扫描法，即数码管位选端连入单片机的某一组I/O口，片选端连入另一组I/O口，配合显示子程序实现显示。此外，主程序和其它程序用中断方式进

行组合。显示所需的数码管，选用7段共阳极数码管，由于精度要求为5%，故本设计显示部分由四个数码管组成。

1.2电源部分：

本设计各芯片，数码管及单片机外围电路需要5V的直流电源，故需要一个稳定的5V直流稳压源。根据模拟电子技术基础的知识，本设计选择含有7805三端集成稳压器的电源电路。电路中选择二极管整流桥整流，电容进行滤波，并选用220V-9V变压器进行变压。

综上，本次设计选用89C51单片机作为核心，TLC2543作为A/D转换芯片，数码管作为显示器，7805稳压器为主的直流稳压电路做为电源，配合采集，转换，显示程序共同实现可测量0-10V直流电压的数字式电压表。

系统总设计框图见图

模拟电压经过档位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。处理后的数据送到数码管中显示，同时通过串行通讯与上位机通信。

第二章系统硬件电路设计2.1输入电路

图2.1.1量程切换开关

图2.1.2衰减输入电路

输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要求的电压值。智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要求输入电压0-±2V。本仪表设计是0-1000V电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图3.1.2所示9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。为了能让CPU自动识别档位

2.2 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。本设计采用双积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2.2.1.双积A/D 转换器

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，它是一种四位半的双积分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。