单片机系统数字电压表设计方案

1 单片机系统数字电压表设计方案 1 概述 什么是数字电压表？数字电压表就是采用数字化技术，把需要测量的直流电压转换成数字形式，并显示出来。通过单片机技术，设计出来的数字电压表具有精度高，抗干扰能力强的特点。通过网上资料显示，目前由各种 A/业自动化仪表等各个领域。 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。数字电压表简称 是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、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、测量速度快等特而得到广泛应用。 目前，数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。 本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中， A/输入的模拟信号进行转换，控制核心 的结果进行运算处理，最后驱动输出装置 2 2 设计总体方案 在 成一个直流数字电压表。 采用 1路模拟量输入，能够测量 0 电压显示用 4位一体的 少能够显示两位小数。 计思路 基于 用 ，与单片机的接口为 2口的高四位引脚。 电压的输出显示采用 4位一体的 码的段码输入 ,由并行端口 生：位码输入，用并行端口 四位产生。 计方案 电路由以下六个部分组成 ;1. A/件电路设计框图如图 1所示。 3 A T 8 9 C 5 1时 钟 电 路复 位 电 路A / D 转 换 电 路测 量 电 压 输入显 示 系 统3 硬件电路设计 A/D 转换模块 现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模 /数转换器（ A/ A/单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种 A/重积分型等等。逼近式 A/且精度更高，比如 ，它们通常具有 8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。逐次逼近型 A/D 转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用 1。 次逼近型 A/D 转换器原理 逐次逼近型 A/D 转换器是由一个比较器、 A/储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐 位试探比较。 转换过程如下： 开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置 1，把数据送入 A/D 转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则 1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则 1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制 4 数字量。其原理框图如图 2所示： 顺 序 脉冲 发 生器逐 次 逼近 寄 存器A D 比较 器输 入 电压输 入 数字 要特性 片型逐次逼近式 A/D 转换器，带有使能控制端，与 微机直接接口，片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可以对 8 路 0入模拟电压信号分时进行转换 . 要特性 :8 路 8 位 A/D 转换器，即分辨率 8位；具有锁存控制的 8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与 换时间： 128 s；转换精度： 单个 +5拟输入电压范围 0- +5V。 外部引脚特征 8条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图 3 所示。 5 图 3 脚图 下面说明各个引脚功能 : 8条）： 8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。 地址输入控制（ 4条）： 址锁存允许输入线，高电平有效，当 高电平时，为地址输入线，用于选择 。 位地址输入线，用于选择 8 路模拟输入中的一路，其对应关系如表 1所示： 表 1 地址码 对应的输入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 “启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由 来，宽度应大于 100升沿清零 降沿启动 作。 转换结束输出线，该线上高电平表示 A/D 转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。 字量输出端， 6 电平能使 脚上输出转换后的数字量。 考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。 般 钟输入端。 内部结构及工作流程 8 路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器， 8 位开关树型 A/次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图 4所示。 图 4 其中： （ 1） 8 路模拟通道选择开关实现从 8 路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较。 （ 2）地址锁存与译码器用于当 号有效时，锁存从 根地址线上送来的 3 位地址，译码后产生通 道选择信号，从 8路模拟通道中选择当前模拟通道。 （ 3）比较器， 8 位开关树型 A/D 转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路组成 8位 A/ 开始对当前通道的模拟信号进行 7 转换，转换完成后，把转换得到的数字量送到 8位三态锁存器，同时通过引脚送出转换结束信号。 （ 4）三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当 转换的结果送出。 （ 1）输入 3 位地址，并使 ,将地址存入地址锁存器中，经地址译码器从 8路模拟通道中选通 1 路模拟量送给 比较器。 （ 2）送 高脉冲， 上升沿使逐次寄存器复位，下降沿启动 A/使 （ 3）当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器中，并使 号回到高电平，通知 （ 4）当 从输出端 单片机系统 能 8路 8位 A/分辨率 8位；具有锁存控制的 8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与 换时间： 128 s；转换精度： 单个 +5拟输入电压范围 0- +5V，无需外部零点和满度调整；低功耗，约 15。 引脚功能 供以下标准功能： 4 速存储器， 128B 内部 32个 I/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，片内震荡器及时钟电路，同时， 降至 0支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 允许 时 /计数器，串行 通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存 的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。 封装形式，引脚配置如图 5所示。 图 5 表 2 第二功能 行口输入） 行口输出） 部中断 0输入） 部中断 1输入 ) 0（定时器 /计数器 0的外部输入） 1（定时器 /计数器 1的外部输入） 外数据存储器写允许） 外数据存储器读允许） 复位电路和时钟电路 复位电路设计 单片机在启动运行时都需要复位，使 从这个状态开始工作。 片机有一个复位引脚 用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现 2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果 继续保持高电平， 就一直处于复位状态，只要 片机才能进入其 他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图 6 是 51 系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要 升时间不超过 1们都能很好的工作。 图 6 复位电路 时钟电路设计 单片机中 必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟 脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。 片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器， 该放大器的输入端， 形成时钟电路还需附加其他电路。 本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图 7所示。 10 图 7 时钟电路 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器 震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30 10这个系统中选择了 33英晶振选择范围最高可选 24决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是 12而时钟信号的震荡频率为 12 示系统设计 本结构 发光二极管显示器的缩写。 于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。 单片机中使用最多的是七段数码显示器。 个发光二极管组成显示字段，其中 7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。 所示 : 11 图 8 基本结构 示器的选择 在本设计中，选择 4位一体的数码型 示器。本系统中前一位显示电压的整数位， 即个位，后两位显示电压的小数位。 4所示，是一个共阴极接法的 4位 中 a， b， c， e， f， 位 1、 2、 3、 4 分别是每一位的位数选端， 4位一体 个单独的 个 出到器件的外部。 图 9 4位 脚 对于这种结构的 示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的 段选线并联在一起，用一个 I/示。 12 码方式 译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。 由于本设计采用的是共阴极 对应的字符和字段码如下表 示。 显示字符 共阴极字段码 0 3 06H 2 5 4 66H 5 6 7 07H 8 7 6 阴极字段码表 示器与单片机接口设计 由于单片机的并行口不能 直接驱动 以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此， 为了简化数字式直流电压表的电路设计，在 动电路的设计上，可以利用单片机上外接的上拉电阻来实现，即将 显示引脚和 数点显示引脚并联到与上拉电阻之间，这样，就可以加大 作为输出口德驱动能力，使得 按正常的亮度 显示数字，如图 10 所示 13 图 10 单片机接口间的设置 总体电路设计 经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图 11所示。 图 11 简易数字电压表电路图 14 此电路的工作原理是： +5V 模拟电压信号通过变阻器 压后由 道进入（由于使用的 道，所以 接低电平），经过模 /数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道 片的， 责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的 7 段数码管的显示段码传送给四位 时它还通过其四位 I/O 口 选信号控制数码管的亮灭。此外， 控制 中，单片机 过定时器中断从 出方波，接到 ， ，转换完成后， 高从。 简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用 件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软 件配合，才能达到设计要求。 4 程序设计 程序设计总方案 根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块， A/三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图 12所示。 开 始初 始化调 用 A / D 转 换子 程 序调 用 显 示 子程 序结 束图 12 数字式直流电压表主程序框图 15 系统子程序设计 初始化程序 所谓初始化，是对将要用到的 列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打 开定时器等 9。 A/D 转换子程序 A/将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图 13 所示。 开 始启 动 程序A / D 转 换 结输 出 转换 结 果数 值 转换显 示开 始图 13 A/D 转换流程图 显示子程序 显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得 示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在 70右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔 10动态扫描一次，每一位 显示时间为 1 在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器 0溢出中断功能实现 11 过软件延时程序来实现 5 序代码 0H 1H 16 2H 5H E 0H #00H 2, #0#00H #00H # #02H #245H #00H E, #82H T T $ E E , , #51 17 B A , B , #5 B A B , , A+0, A , ,A+ 0, A , , A+, #80H 0, A 18 6, #10 7, #250 7, $ 6, 06H, 5466H 707H, 76 总结 经过一段时间的努力，课程设计基于单片机的简易数字电压表基本完成。但设计中的不 足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了 件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。 基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电 压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的