基于單片機的數字電壓表的設計

摘要

近些年來，數字電壓表逐漸進入人們的視線中，它主要采取數字化測量技術。與傳統的指針式儀表相比，它的功能有了進一步的完善，并且精度也有了很大的提高。數字電壓表主要采用單片機和模/數轉換模塊，這樣不僅提高了測量速度，而且抗干擾能力強、使用便捷、可擴展性強、測量準確。

本文主要采用AT89C51單片機和ADC0808芯片制作的簡易數字電壓表，可以采集0~5V和5~10V的模擬直流電壓進行測量，其測量結果在液晶LCD1602上顯示。該設計硬件電路主要有三個模塊組成:A/D轉換模塊、數據處理模塊及輸出顯示模塊。數據處理由單片機AT89C51來完成，它主要把ADC0808傳送來的數值經一定的數據處理，然后送至顯示模塊進行顯示，同時控制顯示芯片1602的工作。程序設計上有各模塊初始化操作、電壓檔位選擇和LCD1602液晶顯示程序等。

系統硬件設計總體方案

以MCS-51單片機為關鍵部件，制作一個簡易的數字電壓表。

• 使用雙通道可選擇直流電壓輸入，能夠測量0-5V和5-10V之間的直流電壓。當電壓值超過5V時，選擇通道2（5-10V通道）采集電壓。
• 使用LCD1602來完成電壓的液晶顯示。
• 使用較少的元器件，盡可能降低功率損耗，同時準確、快速完成測量。
• 由于電壓表允許過載，因此所測電壓允許適當超過量程。
  

總體設計電路有以下幾部分組成：AT89C51單片機、A/D轉換電路、液晶LCD顯示電路、時鐘電路、復位電路、被測電壓輸入電路及量程選擇和報警電路。總體硬件設計框圖如圖1-1所示:

圖1-1 硬件電路設計框圖

日常生活中的物理量都是模擬量，為了能夠方便的分析各個量，就需要把模擬量轉換成數字量的器件。現在越來越多的設備都需要進行模數轉換，把復雜的模擬信號轉換成已明白的數字信號，因此A/D轉換器也得到了更深一層的研究。按照不同的A/D轉換芯片的轉換原理可把其分為逐次逼近行、雙積分型等。其中雙積分式A/D轉換器抗干擾能力強、轉換精度高、價格便宜。但與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉換的轉換速度更快，而且精度更高，它們可以與單片機系統連接，將數字量送入單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型轉換器只需要比較n次，這樣大大節省了時間，而且逐次逼近型轉換速度快，因而在實際中得到廣泛的使用。

由于ADC0808芯片采用逐次逼近式A/D轉換原理，因此本設計便運用其進行模/數轉換，它可以實現8路模擬信號的選擇采集，而且它的轉換時間為100us。此次使用的是12MHz的晶振，因此它能夠提供轉換的時鐘即滿足設計的需要。

對于n位的A/D轉換器，它的分辨率是滿量程輸入電壓和2n之比。ADC0808的滿量程為5V。則其分辨率為0.02V。

ADC0808內部結構主要有8路模擬通道選擇開關、地址鎖存與譯碼器和8位A/D轉換器、三態輸出鎖存器等構成，其引腳及連接電路如圖2-1所示：

圖2-1 ADC0808引腳圖

由圖2-1所示，其中IN0~IN7為模擬量輸入通道，其輸入電壓范圍均為0~5V。此次設計分為兩通道輸入分別為IN0（0-5V）和IN1（5-10V），并且采用開關K1、K2來選擇。A、B、C為模擬量輸入通道的選擇端，是與單片機的P1相連并通過軟件的編程產生控制信號。ALE、START為地址鎖存允許信號和轉換啟動信號，它們都有單片機P3口產生控制信號。轉換器的CLK由單片機的中斷程序產生，主要是完成輸入數據的掃描。EOC是ADC0808轉換結束信號端口，只有等到EOC變為高電平，數據轉換才結束。實現這個過程，就需要使用程序設計來完成。OE是輸出允許信號，只有OE為低電平時，才能輸出轉換得到的數據。程序中先讓OE為0，然后為1，這樣把數據送入單片機P2口。VREF（+）、VREF（—）是芯片的電源接口。

ADC0808的基準電壓為+5V，所以當要測量的電壓值超過5V時則需要由開關選擇衰減電路，經過衰減后輸入轉換采集器。輸入電路如圖2-4所示：

圖2-4　輸入電路圖

當要測試的電壓為0~5V時，選擇IN0輸入，在仿真中運用滑動變阻器分壓的原理產生0-5V的電壓來代表實際電壓。而當超過5V時則選擇左邊的電路，由于實際的電壓變允許適當的超量程，所以圖中R5和R6的電阻值分別為6k、3k，這樣就把電壓衰減為原來電壓值的1/3，同時由于RV5分壓的原理可以得到5~10V的電壓來模擬實際要測試的電壓值。同時其最高測量電壓允許適當超過10V。這樣本電壓表就有兩個量程即0~5V和5V~10V。需要變換量程時，由選側開關K1、K2相互切換。由于本此設計采用手動調節電壓檔位的方式，因此在測量電壓時應該先對被測電壓進行估算，同時先由較大量程進行測量，如果值過小，再調節檔位。不然不容易超量程損壞儀器。直流電壓輸入時，由于尖峰的出現，也就需要對輸入的電壓進行濾波，電容C4、C5在次的作用就是進行濾波

對于本設計，主要的接口電路有時鐘電路、復位電路、電壓量程選擇和報警電路。

單片機89C51芯片中有一個內部時鐘，其中引腳18為輸入端，19為輸出端引腳，這兩個引腳連接一個12MHz的晶振，同時再連接兩個瓷片電容，這樣便提供片內相移的條件，時鐘電路如圖2-5所示：

圖2-5　時鐘電路圖

由圖2-4可知，晶體的振蕩頻率通常取取12MHz，對于11.0592MHz一般在單片機串行通信時使用。這時單片機一個時鐘周期為：

            （2-1）

圖電容C1和C2，它們和晶振的主要作用是結合單片機內部振蕩電路實現相位的180°移相，這樣晶振才能夠起振。同時對電路中所需的電容儲電量要求不高，均為30pF。若過高或過低都會對振蕩產生影響。

AT89C51單片機的RST為復位引腳，復位信號高電平有效，并且其有效時間應該延續出現2個機器周期以上即可確保系統復位，復位操作完成后，RST端一直保持高電平，那么單片機就始終處于復位狀態，當RST恢復低電平后單片機才能進入其他操作。單片機復位電路有幾種類，本次設計主要采用手動復位電路，這樣可以人為的操作，簡單方便。電路如圖2-6所示：

圖2-6　復位電路

由上圖2-6可知，只有RST端維持2個周期以上高電平才能完成復位操作。電容C3兩端在單片機啟動時持續充電為5V，由于按鍵未按下，電阻R1兩端電壓為0，此時RST處于低電平系統工作正常，當按鍵摁下時，電阻R2所在的支路導通，與C3形成一個回路，電容C3開始釋放之前所充的電量，在很短的時間內，其電壓值由5V變為1.0V，甚至更小些，與此同時，RST又收到高電平，這時系統自動復位。

本設計由于采用雙通道輸入的方式，所以可以選擇不同的量程，分別為0~5V和5~10V。這個操作由選擇開關K1、K2來完成，但是如果K1、K2同時閉合，報警提示燈點亮。電路如圖2-7所示：

圖2-7　量程選擇和報警電路圖

本次設計中采用LCD1602作為顯示器，與以前的LED數碼管顯示相比，其顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點，而且不需要外加驅動電路。同時可以滿足不同的輸入、移位要求，而且接口方式簡單、可靠。LCD1602模塊的引腳及連接電路如圖2-8所示：

圖2-8　LCD1602引腳

其中D0~D7數據接收端口與單片機P0口相連。E端為使能端，當它由0變為1，LCD1602才能進行讀寫操作，它和單片機P3.5相連，并由其輸出控制信號。RS、RW是1602的讀寫控制端，它們分別與單片機的P3.6、P3.7相對應，這樣使用LCD顯示時可由單片機的程序完成控制。VDD、VSS為液晶屏的電源端口，VEE端電壓信號的大小可以改變液晶屏的亮度。由于P0口作為輸出口時，它沒有高電平的狀態所以仿真電路時需要加上拉電阻RP1，這樣P0口就有高電平狀態。

系統的主程序流程如圖3-1所示：

圖3-1　系統主程序流程圖

本設計程序設計主要分為幾個模塊：初始化程序設計、A/D采樣程序設計、測量參數數據處理程序設計、量程選擇和報警程序設計、LCD1602顯示程序設計。下面逐個介紹各個模塊的程序設計。

所謂初始化，將利用到單片機內部各部件或擴展芯片進行初始工作狀態設定，其主要負責設置定時器模式、初始設定、開中斷和打開定時器等，對于液晶1602同樣也要進行初始化，其中包括清除顯示屏、顯示開/關控制、功能設置、進入模式設置等。其中部分初始化程序如下：

w_comd(0x0c);                                          //開顯示屏，關光標；

w_comd(0x06);                                          //字符進入模式：屏幕不動，字符后移；

ET0=1;                                                                      //開定時中斷；

模/數轉換流程圖如圖3-2所示。

圖3-2　A/D轉換流程圖

由圖可知，A/D轉換程序首先定義啟動信號、輸出允許信號、輸入地址鎖存信號、A/D轉換結束信號及CLK時鐘信號的變量。然后利用AT89C51中定時器T0的工作方式2產生CLK信號，供A/D轉換器使用，START信號的上升沿啟動A/D轉換，等待轉換結束，即EOC從0變為1，同時OE是輸出使能信號端，其信號從高到低電平，輸出轉換數據并將其進行數值轉換分別求出百、十、個位，再送入LCD進行數據顯示。

液晶LCD初始化主要就是在液晶顯示器的每一個寄存器的初始設置，也就是向LCD中的各個寄存器寫入要設定的數據。該設計的初始化過程為先上電，然后進行判忙操作，最后再進行各個功能的設置，其中包括顯示狀態的設置（行、位的起始位置）、輸入方式的設置。初始化過程如圖3-5所示：

圖3-5　LCD初始化流程圖

該設計主要使用了LCD1602的讀忙操作、寫數據操作、寫命令操作和寫字符操作。其中每個操作都需要使能端RW、RS的控制信號，當RS、RW均為0的情況下，可以進行讀、寫操作，而讀忙只有RS=0、RW=1時，才能進行此操作。LCD1602如果要顯示字符，首先要寫入顯示字符的首地址，此次使用的是從第一行第四個字符04地址開始顯示，但是液晶寫數據操作時地址最高位D7必須為高電平，因此寫入數據的時候應該是00000100（04H）+10000000（80H）=10000100（84H）。

• 當輸入電壓為4.55V時，顯示結果如圖4-1 所示，實際電壓為4.54V。
  

圖4-1 輸入電壓為4.55V時，LCD顯示結果

• 當輸入電壓為9.97V時，顯示結果如圖4.2所示，實際電壓為9.96V。
  

4.2.2 誤差分析

通過對輸入不同的電壓進行測試，得到了仿真數據。可得出兩者的對比測試表，如下表4-1所示：

表4-1 簡易電壓表與“標準”電壓表對比測試表

從表4-1中的幾組數據的分析，測試電壓誤差以0.01V的幅度變化。這主要是硬件本身的誤差導致。由于單片機AT89C51、ADC0808數據傳輸端口為8，當輸入電壓為5.00V時，輸出端口的數據為11111111（FFH），所以ADC0808的最高分辯率為0.0196V（5/255）。這就決定了電壓表的最高分辯率只能到0.0196，因此測試電壓通常以0.01的幅度變化。

該數字電壓表所測得的電壓值和標準的電壓相比，大概有0-0.01V的偏差。由于硬件方面的原因，此誤差只能通過硬件上的完善才能得以校正。因為該電壓表設計時用的是5V的供電電源作為基準電壓，所以電壓可能出現誤差。如果要測量大于5V的電壓時，應當使用分壓電路，程序中對計算結果進行調整就可以了。

通過多次的仿真和調整，此次設計的電壓表的絕對誤差為0~0.01V，因此本次畢業設計符合最初設計要求。

單片機源程序如下: