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基于单片机的数字电压表的设计
摘要
近些年来，数字电压表逐渐进入人们的视线中，它主要采取数字化测量技术。与传统的指针式仪表相比，它的功能有了进一步的完善，并且精度也有了很大的提高。数字电压表主要采用单片机和模/数转换模块，这样不仅提高了测量速度，而且抗干扰能力强、使用便捷、可扩展性强、测量准确。 本文主要采用AT89C51单片机和ADC0808芯片制作的简易数字电压表，可以采集0~5V和5~10V的模拟直流电压进行测量，其测量结果在液晶LCD1602上显示。该设计硬件电路主要有三个模块组成:A/D转换模块、数据处理模块及输出显示模块。数据处理由单片机AT89C51来完成，它主要把ADC0808传送来的数值经一定的数据处理，然后送至显示模块进行显示，同时控制显示芯片1602的工作。程序设计上有各模块初始化操作、电压档位选择和LCD1602液晶显示程序等。
系统硬件设计总体方案
1.1 设计要求以MCS-51单片机为关键部件，制作一个简易的数字电压表。 - 使用双通道可选择直流电压输入，能够测量0-5V和5-10V之间的直流电压。当电压值超过5V时，选择通道2（5-10V通道）采集电压。
- 使用LCD1602来完成电压的液晶显示。
- 使用较少的元器件，尽可能降低功率损耗，同时准确、快速完成测量。
- 由于电压表允许过载，因此所测电压允许适当超过量程。
1.2 设计方案总体设计电路有以下几部分组成：AT89C51单片机、A/D转换电路、液晶LCD显示电路、时钟电路、复位电路、被测电压输入电路及量程选择和报警电路。总体硬件设计框图如图1-1所示: 
图1-1 硬件电路设计框图
1.3 2. 系统硬件电路设计2.1 A/D转换模块日常生活中的物理量都是模拟量，为了能够方便的分析各个量，就需要把模拟量转换成数字量的器件。现在越来越多的设备都需要进行模数转换，把复杂的模拟信号转换成已明白的数字信号，因此A/D转换器也得到了更深一层的研究。按照不同的A/D转换芯片的转换原理可把其分为逐次逼近行、双积分型等。其中双积分式A/D转换器抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜。但与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，它们可以与单片机系统连接，将数字量送入单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型转换器只需要比较n次，这样大大节省了时间，而且逐次逼近型转换速度快，因而在实际中得到广泛的使用。 由于ADC0808芯片采用逐次逼近式A/D转换原理，因此本设计便运用其进行模/数转换，它可以实现8路模拟信号的选择采集，而且它的转换时间为100us。此次使用的是12MHz的晶振，因此它能够提供转换的时钟即满足设计的需要。 对于n位的A/D转换器，它的分辨率是满量程输入电压和2n之比。ADC0808的满量程为5V。则其分辨率为0.02V。 ADC0808内部结构主要有8路模拟通道选择开关、地址锁存与译码器和8位A/D转换器、三态输出锁存器等构成，其引脚及连接电路如图2-1所示： 
图2-1 ADC0808引脚图 由图2-1所示，其中IN0~IN7为模拟量输入通道，其输入电压范围均为0~5V。此次设计分为两通道输入分别为IN0（0-5V）和IN1（5-10V），并且采用开关K1、K2来选择。A、B、C为模拟量输入通道的选择端，是与单片机的P1相连并通过软件的编程产生控制信号。ALE、START为地址锁存允许信号和转换启动信号，它们都有单片机P3口产生控制信号。转换器的CLK由单片机的中断程序产生，主要是完成输入数据的扫描。EOC是ADC0808转换结束信号端口，只有等到EOC变为高电平，数据转换才结束。实现这个过程，就需要使用程序设计来完成。OE是输出允许信号，只有OE为低电平时，才能输出转换得到的数据。程序中先让OE为0，然后为1，这样把数据送入单片机P2口。VREF（+）、VREF（—）是芯片的电源接口。 2.2 电压输入电路ADC0808的基准电压为+5V，所以当要测量的电压值超过5V时则需要由开关选择衰减电路，经过衰减后输入转换采集器。输入电路如图2-4所示： 
图2-4 输入电路图 当要测试的电压为0~5V时，选择IN0输入，在仿真中运用滑动变阻器分压的原理产生0-5V的电压来代表实际电压。而当超过5V时则选择左边的电路，由于实际的电压变允许适当的超量程，所以图中R5和R6的电阻值分别为6k、3k，这样就把电压衰减为原来电压值的1/3，同时由于RV5分压的原理可以得到5~10V的电压来模拟实际要测试的电压值。同时其最高测量电压允许适当超过10V。这样本电压表就有两个量程即0~5V和5V~10V。需要变换量程时，由选侧开关K1、K2相互切换。由于本此设计采用手动调节电压档位的方式，因此在测量电压时应该先对被测电压进行估算，同时先由较大量程进行测量，如果值过小，再调节档位。不然不容易超量程损坏仪器。直流电压输入时，由于尖峰的出现，也就需要对输入的电压进行滤波，电容C4、C5在次的作用就是进行滤波
2.3 接口电路对于本设计，主要的接口电路有时钟电路、复位电路、电压量程选择和报警电路。 2.4.1时钟电路单片机89C51芯片中有一个内部时钟，其中引脚18为输入端，19为输出端引脚，这两个引脚连接一个12MHz的晶振，同时再连接两个瓷片电容，这样便提供片内相移的条件，时钟电路如图2-5所示： 
图2-5 时钟电路图 由图2-4可知，晶体的振荡频率通常取取12MHz，对于11.0592MHz一般在单片机串行通信时使用。这时单片机一个时钟周期为：  （2-1）
图电容C1和C2，它们和晶振的主要作用是结合单片机内部振荡电路实现相位的180°移相，这样晶振才能够起振。同时对电路中所需的电容储电量要求不高，均为30pF。若过高或过低都会对振荡产生影响。 2.4.2 复位电路AT89C51单片机的RST为复位引脚，复位信号高电平有效，并且其有效时间应该延续出现2个机器周期以上即可确保系统复位，复位操作完成后，RST端一直保持高电平，那么单片机就始终处于复位状态，当RST恢复低电平后单片机才能进入其他操作。单片机复位电路有几种类，本次设计主要采用手动复位电路，这样可以人为的操作，简单方便。电路如图2-6所示： 
图2-6 复位电路 由上图2-6可知，只有RST端维持2个周期以上高电平才能完成复位操作。电容C3两端在单片机启动时持续充电为5V，由于按键未按下，电阻R1两端电压为0，此时RST处于低电平系统工作正常，当按键摁下时，电阻R2所在的支路导通，与C3形成一个回路，电容C3开始释放之前所充的电量，在很短的时间内，其电压值由5V变为1.0V，甚至更小些，与此同时，RST又收到高电平，这时系统自动复位。 2.4.3量程选择和报警电路本设计由于采用双通道输入的方式，所以可以选择不同的量程，分别为0~5V和5~10V。这个操作由选择开关K1、K2来完成，但是如果K1、K2同时闭合，报警提示灯点亮。电路如图2-7所示： 
图2-7 量程选择和报警电路图
2.4 LCD1602显示电路设计本次设计中采用LCD1602作为显示器，与以前的LED数码管显示相比，其显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路。同时可以满足不同的输入、移位要求，而且接口方式简单、可靠。LCD1602模块的引脚及连接电路如图2-8所示： 
图2-8 LCD1602引脚 其中D0~D7数据接收端口与单片机P0口相连。E端为使能端，当它由0变为1，LCD1602才能进行读写操作，它和单片机P3.5相连，并由其输出控制信号。RS、RW是1602的读写控制端，它们分别与单片机的P3.6、P3.7相对应，这样使用LCD显示时可由单片机的程序完成控制。VDD、VSS为液晶屏的电源端口，VEE端电压信号的大小可以改变液晶屏的亮度。由于P0口作为输出口时，它没有高电平的状态所以仿真电路时需要加上拉电阻RP1，这样P0口就有高电平状态。
3. 系统程序设计系统的主程序流程如图3-1所示： 
图3-1 系统主程序流程图 本设计程序设计主要分为几个模块：初始化程序设计、A/D采样程序设计、测量参数数据处理程序设计、量程选择和报警程序设计、LCD1602显示程序设计。下面逐个介绍各个模块的程序设计。 3.1 初始化程序所谓初始化，将利用到单片机内部各部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，其主要负责设置定时器模式、初始设定、开中断和打开定时器等，对于液晶1602同样也要进行初始化，其中包括清除显示屏、显示开/关控制、功能设置、进入模式设置等。其中部分初始化程序如下： w_comd(0x0c); //开显示屏，关光标； w_comd(0x06); //字符进入模式：屏幕不动，字符后移； ET0=1; //开定时中断； 3.2 A/D转换程序模/数转换流程图如图3-2所示。
图3-2 A/D转换流程图 由图可知，A/D转换程序首先定义启动信号、输出允许信号、输入地址锁存信号、A/D转换结束信号及CLK时钟信号的变量。然后利用AT89C51中定时器T0的工作方式2产生CLK信号，供A/D转换器使用，START信号的上升沿启动A/D转换，等待转换结束，即EOC从0变为1，同时OE是输出使能信号端，其信号从高到低电平，输出转换数据并将其进行数值转换分别求出百、十、个位，再送入LCD进行数据显示。 3.3 LCD1602显示程序3.3.1 LCD1602初始化液晶LCD初始化主要就是在液晶显示器的每一个寄存器的初始设置，也就是向LCD中的各个寄存器写入要设定的数据。该设计的初始化过程为先上电，然后进行判忙操作，最后再进行各个功能的设置，其中包括显示状态的设置（行、位的起始位置）、输入方式的设置。初始化过程如图3-5所示： 
图3-5 LCD初始化流程图 该设计主要使用了LCD1602的读忙操作、写数据操作、写命令操作和写字符操作。其中每个操作都需要使能端RW、RS的控制信号，当RS、RW均为0的情况下，可以进行读、写操作，而读忙只有RS=0、RW=1时，才能进行此操作。LCD1602如果要显示字符，首先要写入显示字符的首地址，此次使用的是从第一行第四个字符04地址开始显示，但是液晶写数据操作时地址最高位D7必须为高电平，因此写入数据的时候应该是00000100（04H）+10000000（80H）=10000100（84H）。
4.1 显示结果及误差分析4.2.1 显示结果- 当输入电压为4.55V时，显示结果如图4-1 所示，实际电压为4.54V。
图4-1 输入电压为4.55V时，LCD显示结果
- 当输入电压为9.97V时，显示结果如图4.2所示，实际电压为9.96V。
4.2.2 误差分析
通过对输入不同的电压进行测试，得到了仿真数据。可得出两者的对比测试表，如下表4-1所示： 表4-1 简易电压表与“标准”电压表对比测试表 | | | 1.50 3.50 4.50 5.00 7.45 8.71 9.97 | 1.50 3.49 4.49 5.00 7.44 8.70 9.96 | 0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 0.01 0.01 |
从表4-1中的几组数据的分析，测试电压误差以0.01V的幅度变化。这主要是硬件本身的误差导致。由于单片机AT89C51、ADC0808数据传输端口为8，当输入电压为5.00V时，输出端口的数据为11111111（FFH），所以ADC0808的最高分辩率为0.0196V（5/255）。这就决定了电压表的最高分辩率只能到0.0196，因此测试电压通常以0.01的幅度变化。 该数字电压表所测得的电压值和标准的电压相比，大概有0-0.01V的偏差。由于硬件方面的原因，此误差只能通过硬件上的完善才能得以校正。因为该电压表设计时用的是5V的供电电源作为基准电压，所以电压可能出现误差。如果要测量大于5V的电压时，应当使用分压电路，程序中对计算结果进行调整就可以了。 通过多次的仿真和调整，此次设计的电压表的绝对误差为0~0.01V，因此本次毕业设计符合最初设计要求。 附录一 系统硬件设计总图
单片机源程序如下:
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