简易数字电压表的设计与制作

数字电压表PCD图
控制芯片AT89S51
AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位 单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序。存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标 准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器，既可在线编程 （ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中， ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT89S51单片机可为您提供许多 高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
表1. LCD1062引脚说明
编号 符号 引脚说明
编号 符号 引脚说明
1
VSS 电源地
9
D2 数据
2
VDD 电源正极
10 D3 数据
3
VL 液晶显示偏压 11
D4 数据
4
RS 数据/命令选择 12 D5 数据
5
R/W 读/写选择
13 D6 数据
6
E
使能信号
14 D7 数据
7
D0 数据
15 BLA 背光源正极
LCD1602主要技术参数：
显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
LCD1602引脚功能说明：
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口， 各引脚接口说明如表1所示:
数字电压表基本工作原理
在单片机AT89S51的控制下，使用单片高速12位逐次 比较型A/D转换器AD574将测量的电压值转换成数字形 式并以数字形式表示在LCD1602上。
模拟电压输入
硬件A/D转换器
显示器
控制器 图1.系统原理框图
数字电压表原理图（1）
模拟开关电路
数字电压表原理图（2）
转换、控制、显示电路
8
D1 数据
16
BLK 背光源负极
通道选择CD4051
功能概述： CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进
制控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏 电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。 例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控 制-13.5～4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。 当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道 中的一通道，可连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也 可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可 以接地。 CD4051参数： 电源电压范围…………3V～15V 输入电压范围…………0V～VDD 工作温度范围 M类…………－55℃～125℃ E 类………….－40℃～85℃
作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）
P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通）
液晶显示LCD1602
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已 作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很 多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图 形。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： 显示质量高,数字式接口,体积小、重量轻,功耗低。
简易数字电压表的设计与制作
摘要：
• 本毕业设计的课题是“简易数字电压表的设计。 该电压表的测量电路主要由四个模块组成：量程 自动转换模块、A/D转换模块、数据处理模块及 显示控制模块。A/D转换主要由芯片ADC0574来 完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数 字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片 AT89S51来完成，其负责把ADC574传送来的数 字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到 显示模块进行显示；另外它还控制着ADC5749芯 片的工作。显示模块主要由液晶LCD1602及相应 的驱动芯片组成，显示测量到的电压值测量电压 分3档：0-200mv，0.2-2v，2-20v，量程之间自 动转换。
功能特性概述：
AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I／O 口线，看门狗（WDT），两个数据指 针，两个 16 位定时／计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全 双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲 方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时／计数器，串行通信口 及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图2.AD89S51引脚图
A/D转换AD574
AD574是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比 较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有 外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极 性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换 器，其主要功能特性如下： （１）分辨率：12位 （２）非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS （３）转换速率：25us （４）模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0— ±10V两档四种 （５）电源电压：±15V和5V （６）数据输出格式：12位/8位 （７）芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式
初始化
AD转换、测量
转换、显示
欠量程
若不是最低量 程则一级量程
自动量程判 断
超量程
N
最高量程？
升量程
Y
报警显示
系统的焊接
由于本次制作数字电压表使用的是万能版，所以在焊 接上要特别注意引线的排列方式，否则不但调试时不好看 清导线走向检查电路是否连接正确，而且电路容易受到很 大的干扰。在排布元器件是要注意元器件的位置，能接近 的元器件尽量接近并且使用其引脚搭线，这样可以使板子 上的电路简单明了，便于查看。引线在焊接前首先要剥去 塑胶皮使金属芯露出，金属芯不宜过长，一般为５ｍｍ左 右，并且焊接前需镀锡。
AD89S51引脚说明：
VCC：电源电压输入端。
GND：电源地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。P3口除了
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
RST：复位输入端，高电平有效。
ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。
PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
EA/VPP：外部程序存储器访问允许。
XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。
系统的调试
本次制作调试共分为３个部分： (1)单片机＋显示器的调试
在焊接完单片机和显示器后，将显示程序拷入单片器，看显示器是否能正常 显示程序中的符号。如果显示正常，则表示单片机与显示器之间的线路正常。 这次调试一次成功。 (2)Ａ/Ｄ转换调试 将ＡＤ５７４及其相关电路焊接完成后，与单片机相连，单片机录入程序， 使用试验台上+-5V电压进行转换查看效果。由于ＡＤ５７４只有２８个引脚， 但是我们只有４０引脚的管座，所以当第一次试验不成功时，排查电路后发 现有些线错焊到了空的引脚上。重新焊接后，ＡＤ５７４还是无法工作，且 用电压表测量ＣＤ５７４的基准电压不正常，输入电压也并非+-15V，而是 达到了２０多伏，并且ＬＭ３８７发烫。取掉芯片空载测量时，输入电压又 恢复正常。在仔细检查了电路之后，发现没有接入公共地，接入后，芯片工 作正常。 (3)程序的调试 程序调试时根据电路板来调试的，将程序烧制入单片机后，在实验台上接入 +-15V和+-5V的电压后，调试电压并用实验室的数字电压表测量，看显示屏 上的电压显示是否正确、是否根据电压变动而变动、与电压表之间的电压有 多少误差，以此来慢慢调节程序。
关键字：数字电压表、3位半、量程自动转换
综合设计任务 设计制作一个简易数字电压表，该简易电压表对输入
的0~20V模拟直流电压进行测量和数据显示。
综合设计要求 （1）测量范围0-20V。量程为0-200mV，200mV-2V，
2V-20V。 （2）显示位数为3位半。 （3）各量程之间可自动转换。 （4）选取合理的元器件，搭接线路。 （5）对自己所设计的简易数字电压表进行测试标定。
AD574的引脚说明： [1]. Pin1(+V)——+5V电源输入端。 [2]. Pin2()——数据模式选择端 。 [3]. Pin3()——片选端。 [4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。 [5]. Pin5()——读转换数据控制端。 [6]. Pin6(CE)——使能端。 [7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V基准电源电压输出端。 [9]. Pin9(AGND)——模拟地端。 [10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。 [11]. Pin(V-)——负电源输入端，输入-15V电源。 图3.AD574引脚图 [12]. Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。 [13]. Pin13(10V IN)——10V量程模拟电压输入端。 [14]. Pin14(20V IN)——20V量程模拟电压输入端。 [15]. Pin15(DGND)——数字地端。 [16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。 [17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端。
CD4051引脚说明
1 2 4 5 12 13 14 15 9 10 11 3 6 7 8 16
IN/OUT ABC OUT/IN INH VEE Vss VDD
输入/输出 地址端
公共输出/输入端 禁止端
负电压端 数字信号接地端
电源端பைடு நூலகம்
图4.CD4051引脚图
程序流程图
开始
显示器自检
AD控制通道自检