基于單片機數字電壓表設計

林三元

[摘 要]準確可靠的電壓測量在大學物理教學中具有重要意義。在研究目前主流電壓表設計方案的基礎上，提出一種新型數字電壓表的設計方法，極大地增強了系統集成度和電路可靠性。以Altera 公司高性價比的AT89C51芯片為控制核心，以較高性能的模/ 數轉換器為信號采集芯片，完成電壓數據的采集、轉換、處理、顯示，并實現了檔位的自動轉換和較寬的測量范圍。

[關鍵詞]單片機 數字電壓表 電路設計 AT89C51芯片

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0012-02

數字電壓表，是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求，采用單片機的數字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。

本次設計系統是以AT89C51單片機為核心，輔以簡單的控制電路，設計了一種切換量程的數字電壓表。系統中，模擬電壓信號由A/D轉換器TLC2543采集，以數字信號的方式傳給單片機進行處理，并加以控制?？刂葡到y包含硬件和軟件兩部分。硬件部分包括：單片機最小系統、電壓采集電路、量程控制電路、電壓顯示電路以及其他一些外圍接口電路。軟件部分包括：主程序的流程設計，其涵蓋了電壓采集子程序、字符轉換子程序、LCD液晶顯示子程序等，這些子函數都體現出系統軟件設計模塊化的結構特點。通過單片機對信號處理并加以適當的算法控制，從而驅動相應的硬件電路，實現電壓控制的目的。

系統硬件結構：

系統是以AT89C51單片機作為主控器，通過擴展必要的外圍接口電路，包括電壓采集、輸入和輸出、電壓的量程控制、顯示等電路，實現數字電壓表的系統化設計。其系統結構框圖如下圖1所示：

本次設計主要由單片機模塊、電壓輸入模塊、A/D轉換模塊、量程控制模塊、液晶顯示模塊等5部分組成。A/D模擬轉換芯片將直流電壓模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，寫入單片機中。以AT89C51單片機為控制核心，通過A/D轉換電路來將模擬信號轉換成數字信號，通過電阻的改變來切換量程的改變，從而實現不同電壓量程的切換。它的最高量程為200V，分三個檔位量程，即2V，20V，200V，可以通過調檔開關來實現各個檔位。當測得電壓的數值小于1V時，系統會自動的將電壓數值轉換為以mV為電壓單位的電壓值。并且通過按鍵的方法能夠測得后五秒的平均電壓值。

系統主程序的設計：

系統主程序的主要功能是負責電壓采集、處理、顯示三部分，本次設計主要包括以下方面：

1、按照硬件電路對單片機位定義。

2、編寫延時模塊子程序。

3、編寫液晶顯示器1602的初始化子程序。

4、編寫驅動1602液晶顯示模塊程序。

5、編寫驅動A/D轉換模塊程序。

6、編寫A/D轉換后對電壓的處理函數子程序

7、編寫鍵盤掃描模塊程序。

其程序設計流程圖2如下所示：

系統經過復位后，先對單片機、模/數（A/D）轉換器、液晶顯示屏LCD1602等進行初始化，初始化完成后通過輸入電路給數字電壓表輸入模擬電壓，在電壓測量過程中，先通過滑動變阻器來控制輸入信號的衰減率、通過按鈕來選擇不同的檔位，然后調用A/D轉換子函數，并對模/數轉換的結果進行簡單的處理，最后通過液晶屏LCD1602進行顯示。

系統整體硬件電路圖3如下（proteus環境）：

硬件設計注意事項：

整個系統的模擬地和數字地不要交叉共地，模擬地和數字地要分別獨立開來，避免信號之間的干擾。同時液晶的讀寫要注意它們之間的時序，最好要弄清它的型號和用戶手冊中的提到的地址問題，再進行它與單片機之間的數據讀寫操作。不僅如此，器件之間的兼容性和工作最大電流和電壓問題也是本次硬件設計的重點。

一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I /O口、定時/計數器、中斷系統等容量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇合適的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。在本系統中，AT89C51單片機內部的功能單元已經能夠滿足系統設計需要，不需要系統擴展。按系統功能需求，需要配置檔位轉換、LCD顯示等。系統的擴展和配置設計遵循下列原則：

1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法；

2、系統的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當的余地，以便二次開發；

3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產上相互影響，考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構，但由軟件實現的硬件功能，其相應時間要比直接用硬件實現來得長，而且占用CPU時間；

4、整個系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配；

5、可靠性及抗干擾設計是硬件系統設計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇等；

6、該系統的所有元器件必須滿足5V的工作電壓。

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎·數字部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[2] 康華光.電子技術基礎·模擬部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[3] 施保華，楊三青，周鳳星.計算機控制技術[M].華中科技大學出版社，2007.

[4] 王偉，劉曉平，高精度數字電壓表方案設計[J]；儀表技術；2007（4）.

[5] 徐愛鈞.Keil Cx51V7.0單片機高級語言編程與Vision應用實踐.第二版.清華大學出版社，2008.

[6] 陸愛明.單片機和圖形液晶顯示器接口應用技術[J].電子產品世界，2001.

[7] 李劍輝，張銳，高輝.點陣式LCD與AT89C52單片機的接口技術[J].信息技術，2003.

[8] 李華.MCS-5系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，1993.endprint

[摘 要]準確可靠的電壓測量在大學物理教學中具有重要意義。在研究目前主流電壓表設計方案的基礎上，提出一種新型數字電壓表的設計方法，極大地增強了系統集成度和電路可靠性。以Altera 公司高性價比的AT89C51芯片為控制核心，以較高性能的模/ 數轉換器為信號采集芯片，完成電壓數據的采集、轉換、處理、顯示，并實現了檔位的自動轉換和較寬的測量范圍。

[關鍵詞]單片機 數字電壓表 電路設計 AT89C51芯片

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0012-02

數字電壓表，是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求，采用單片機的數字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。

本次設計系統是以AT89C51單片機為核心，輔以簡單的控制電路，設計了一種切換量程的數字電壓表。系統中，模擬電壓信號由A/D轉換器TLC2543采集，以數字信號的方式傳給單片機進行處理，并加以控制?？刂葡到y包含硬件和軟件兩部分。硬件部分包括：單片機最小系統、電壓采集電路、量程控制電路、電壓顯示電路以及其他一些外圍接口電路。軟件部分包括：主程序的流程設計，其涵蓋了電壓采集子程序、字符轉換子程序、LCD液晶顯示子程序等，這些子函數都體現出系統軟件設計模塊化的結構特點。通過單片機對信號處理并加以適當的算法控制，從而驅動相應的硬件電路，實現電壓控制的目的。

系統硬件結構：

系統是以AT89C51單片機作為主控器，通過擴展必要的外圍接口電路，包括電壓采集、輸入和輸出、電壓的量程控制、顯示等電路，實現數字電壓表的系統化設計。其系統結構框圖如下圖1所示：

本次設計主要由單片機模塊、電壓輸入模塊、A/D轉換模塊、量程控制模塊、液晶顯示模塊等5部分組成。A/D模擬轉換芯片將直流電壓模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，寫入單片機中。以AT89C51單片機為控制核心，通過A/D轉換電路來將模擬信號轉換成數字信號，通過電阻的改變來切換量程的改變，從而實現不同電壓量程的切換。它的最高量程為200V，分三個檔位量程，即2V，20V，200V，可以通過調檔開關來實現各個檔位。當測得電壓的數值小于1V時，系統會自動的將電壓數值轉換為以mV為電壓單位的電壓值。并且通過按鍵的方法能夠測得后五秒的平均電壓值。

系統主程序的設計：

系統主程序的主要功能是負責電壓采集、處理、顯示三部分，本次設計主要包括以下方面：

1、按照硬件電路對單片機位定義。

2、編寫延時模塊子程序。

3、編寫液晶顯示器1602的初始化子程序。

4、編寫驅動1602液晶顯示模塊程序。

5、編寫驅動A/D轉換模塊程序。

6、編寫A/D轉換后對電壓的處理函數子程序

7、編寫鍵盤掃描模塊程序。

其程序設計流程圖2如下所示：

系統經過復位后，先對單片機、模/數（A/D）轉換器、液晶顯示屏LCD1602等進行初始化，初始化完成后通過輸入電路給數字電壓表輸入模擬電壓，在電壓測量過程中，先通過滑動變阻器來控制輸入信號的衰減率、通過按鈕來選擇不同的檔位，然后調用A/D轉換子函數，并對模/數轉換的結果進行簡單的處理，最后通過液晶屏LCD1602進行顯示。

系統整體硬件電路圖3如下（proteus環境）：

硬件設計注意事項：

整個系統的模擬地和數字地不要交叉共地，模擬地和數字地要分別獨立開來，避免信號之間的干擾。同時液晶的讀寫要注意它們之間的時序，最好要弄清它的型號和用戶手冊中的提到的地址問題，再進行它與單片機之間的數據讀寫操作。不僅如此，器件之間的兼容性和工作最大電流和電壓問題也是本次硬件設計的重點。

一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I /O口、定時/計數器、中斷系統等容量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇合適的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。在本系統中，AT89C51單片機內部的功能單元已經能夠滿足系統設計需要，不需要系統擴展。按系統功能需求，需要配置檔位轉換、LCD顯示等。系統的擴展和配置設計遵循下列原則：

1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法；

2、系統的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當的余地，以便二次開發；

3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產上相互影響，考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構，但由軟件實現的硬件功能，其相應時間要比直接用硬件實現來得長，而且占用CPU時間；

4、整個系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配；

5、可靠性及抗干擾設計是硬件系統設計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇等；

6、該系統的所有元器件必須滿足5V的工作電壓。

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎·數字部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[2] 康華光.電子技術基礎·模擬部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[3] 施保華，楊三青，周鳳星.計算機控制技術[M].華中科技大學出版社，2007.

[4] 王偉，劉曉平，高精度數字電壓表方案設計[J]；儀表技術；2007（4）.

[5] 徐愛鈞.Keil Cx51V7.0單片機高級語言編程與Vision應用實踐.第二版.清華大學出版社，2008.

[6] 陸愛明.單片機和圖形液晶顯示器接口應用技術[J].電子產品世界，2001.

[7] 李劍輝，張銳，高輝.點陣式LCD與AT89C52單片機的接口技術[J].信息技術，2003.

[8] 李華.MCS-5系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，1993.endprint

[摘 要]準確可靠的電壓測量在大學物理教學中具有重要意義。在研究目前主流電壓表設計方案的基礎上，提出一種新型數字電壓表的設計方法，極大地增強了系統集成度和電路可靠性。以Altera 公司高性價比的AT89C51芯片為控制核心，以較高性能的模/ 數轉換器為信號采集芯片，完成電壓數據的采集、轉換、處理、顯示，并實現了檔位的自動轉換和較寬的測量范圍。

[關鍵詞]單片機 數字電壓表 電路設計 AT89C51芯片

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0012-02

數字電壓表，是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求，采用單片機的數字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。

本次設計系統是以AT89C51單片機為核心，輔以簡單的控制電路，設計了一種切換量程的數字電壓表。系統中，模擬電壓信號由A/D轉換器TLC2543采集，以數字信號的方式傳給單片機進行處理，并加以控制?？刂葡到y包含硬件和軟件兩部分。硬件部分包括：單片機最小系統、電壓采集電路、量程控制電路、電壓顯示電路以及其他一些外圍接口電路。軟件部分包括：主程序的流程設計，其涵蓋了電壓采集子程序、字符轉換子程序、LCD液晶顯示子程序等，這些子函數都體現出系統軟件設計模塊化的結構特點。通過單片機對信號處理并加以適當的算法控制，從而驅動相應的硬件電路，實現電壓控制的目的。

系統硬件結構：

系統是以AT89C51單片機作為主控器，通過擴展必要的外圍接口電路，包括電壓采集、輸入和輸出、電壓的量程控制、顯示等電路，實現數字電壓表的系統化設計。其系統結構框圖如下圖1所示：

本次設計主要由單片機模塊、電壓輸入模塊、A/D轉換模塊、量程控制模塊、液晶顯示模塊等5部分組成。A/D模擬轉換芯片將直流電壓模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，寫入單片機中。以AT89C51單片機為控制核心，通過A/D轉換電路來將模擬信號轉換成數字信號，通過電阻的改變來切換量程的改變，從而實現不同電壓量程的切換。它的最高量程為200V，分三個檔位量程，即2V，20V，200V，可以通過調檔開關來實現各個檔位。當測得電壓的數值小于1V時，系統會自動的將電壓數值轉換為以mV為電壓單位的電壓值。并且通過按鍵的方法能夠測得后五秒的平均電壓值。

系統主程序的設計：

系統主程序的主要功能是負責電壓采集、處理、顯示三部分，本次設計主要包括以下方面：

1、按照硬件電路對單片機位定義。

2、編寫延時模塊子程序。

3、編寫液晶顯示器1602的初始化子程序。

4、編寫驅動1602液晶顯示模塊程序。

5、編寫驅動A/D轉換模塊程序。

6、編寫A/D轉換后對電壓的處理函數子程序

7、編寫鍵盤掃描模塊程序。

其程序設計流程圖2如下所示：

系統經過復位后，先對單片機、模/數（A/D）轉換器、液晶顯示屏LCD1602等進行初始化，初始化完成后通過輸入電路給數字電壓表輸入模擬電壓，在電壓測量過程中，先通過滑動變阻器來控制輸入信號的衰減率、通過按鈕來選擇不同的檔位，然后調用A/D轉換子函數，并對模/數轉換的結果進行簡單的處理，最后通過液晶屏LCD1602進行顯示。

系統整體硬件電路圖3如下（proteus環境）：

硬件設計注意事項：

整個系統的模擬地和數字地不要交叉共地，模擬地和數字地要分別獨立開來，避免信號之間的干擾。同時液晶的讀寫要注意它們之間的時序，最好要弄清它的型號和用戶手冊中的提到的地址問題，再進行它與單片機之間的數據讀寫操作。不僅如此，器件之間的兼容性和工作最大電流和電壓問題也是本次硬件設計的重點。

一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I /O口、定時/計數器、中斷系統等容量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇合適的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。在本系統中，AT89C51單片機內部的功能單元已經能夠滿足系統設計需要，不需要系統擴展。按系統功能需求，需要配置檔位轉換、LCD顯示等。系統的擴展和配置設計遵循下列原則：

1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法；

2、系統的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當的余地，以便二次開發；

3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產上相互影響，考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構，但由軟件實現的硬件功能，其相應時間要比直接用硬件實現來得長，而且占用CPU時間；

4、整個系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配；

5、可靠性及抗干擾設計是硬件系統設計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇等；

6、該系統的所有元器件必須滿足5V的工作電壓。

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎·數字部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[2] 康華光.電子技術基礎·模擬部分.第五版.高等教育出版社，2002.

[3] 施保華，楊三青，周鳳星.計算機控制技術[M].華中科技大學出版社，2007.

[4] 王偉，劉曉平，高精度數字電壓表方案設計[J]；儀表技術；2007（4）.

[5] 徐愛鈞.Keil Cx51V7.0單片機高級語言編程與Vision應用實踐.第二版.清華大學出版社，2008.

[6] 陸愛明.單片機和圖形液晶顯示器接口應用技術[J].電子產品世界，2001.

[7] 李劍輝，張銳，高輝.點陣式LCD與AT89C52單片機的接口技術[J].信息技術，2003.

[8] 李華.MCS-5系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，1993.endprint