毕业设计（论文）-基于单片机的数字电压表设计.doc

成都学院学士学位论文（设计） 本科毕业（设计）论文题 目 基于单片机的数字电压表设计 学 院 电子信息工程 专 业 通信工程 学生姓名 XX 学 号 XXXXXXXXXXX 年级 XXXX级 指导教师 XXX 职称 高级工程师 二一三 年 十二 月 二十 日基于单片机的数字电压表设计 专 业： 通信工程 学 号： XXXXXXXXXXXX 学 生： XX 指导教师： 田晓滨摘要：在工业生产和控制中，常常需要对0-16V的多点电压值进行采集以完成后续工作，因此对多点高量程电压的测量是十分必要的。本次设计主要采用单片机AT89S51、A/D转换器TLC2543、继电器、基准电压源、LCD1602液晶显示器设计的多点数字电压表。该设计将输入的0-16V直流电压分为高、低两个量程进行测量，待测模拟电压输入默认接入高量程电路，通过单片机编程实现多路A/D转换TLC2543的选通和接入，转换结果与设定值作比较以控制继电器自动切换高、低电压测量量程。转换结果经单片机运算处理后，通过1602液晶屏将三路被测电压值显示出来。该设计最终可实现对三路0-16V直流电压的测量与显示，能自动转换量程，误差小于0.05V。可应用在工业生产控制中，对生产进行实时监控，发现异常及时提醒相关人员采取措施。关键词：数字电压表；多点测量；AT89S51；A/D转换器Design of digital voltage meter based on single chipSpecialty：Communication Engineering Student Number：201010315224Student：Li Ping Supervisor：Tian XiaobinAbstract：In industrial production and control, the collection of 0-16 volt multi-point voltage values is indispensable for the completion of the work. Therefore, the measurement of multi-point high range voltage is necessary. The design of multi-point digital voltmeter mainly consists of single-chip AT89S51, A/D converter TLC2543, relay, reference voltage source and 1602 liquid crystal display(LCD). In this design, 0-16V direct-circuit(DC) input voltage would be divided into two ranges-the higher and the lower. Then, takes the to-be-measured analog voltage as default access to high range circuit, realizes the gating and access of multi-circuit A/D converter TLC2543 through the single-chip programming and finally, compares the conversion results and set value to control the relay to achieve automatic switch of high or low voltage measurement range. With the calculation and processing of single-chip, the measured triple circuits will display on the LCD1602. The design would finally realize the measurement and display of three 0-16V DC voltage, and could automatically change the range. Besides, the error would be less than 0.05V. The availability of the multi-point digital voltmeter gives access to real-time monitor of production and inform stuff to take prompt actions in case of any emergency during the industrial processing. Key words：Digital voltmeter；Multi-point measurement；AT89S51；A/D converter目 录1. 绪论11.1 数字电压表简介11.1.1 数字电压表的特点11.1.2 数字电压表研究现状和发展趋势21.2 数字电压表研究的目的与意义22. 设计方案32.1 本次设计研究的主要内容32.2 设计指标32.3 数字电压表设计方案42.4 设计工作安排53. 硬件选择63.1 单片机介绍63.1.1 单片机的主要特点63.1.2 单片机AT89S5163.2 继电器93.2.1 继电器的工作原理93.2.2 继电器的主要作用103.2.3 继电器的选择103.3 A/D转换器113.3.1 A/D转换器原理113.3.2 A/D转换精度133.3.3 A/D转换芯片的选择133.3.4 TLC2543芯片143.4 LCD1602164. 硬件电路设计194.1 Altium designer介绍194.2 单片机最小系统194.2.1 时钟电路194.2.2 复位电路204.3 A/D转换器与单片机的接口电路214.4 分压、换挡电路214.5 显示电路224.6 总体硬件电路235. 软件设计与仿真245.1 开发工具245.2 程序流程图245.3 仿真工具Proteus265.4 硬件仿真275.4.1 数字电压表低电压档仿真275.4.2 数字电压表高低压档仿真286. 数字电压表的制作和调试296.1 硬件制作过程296.2 硬件调试过程306.3 硬件调试过程遇到的问题及解决方法316.4 调试结果及误差分析326.4.1 实物展示326.4.2 误差分析337. 结论34附录135附录236附录337附录438附录547参考文献48致谢49I1 绪论1.1 数字电压表简介随着电子技术和工业控制技术日新月异地发展，实际应用对测量仪器的要求越来越高。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的3个被测量，其中电压量的测量最为常见，经常需要测量出精度高的多点电压值，因此多点数字电压表变得越来越重要。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字仪器具有读数准确、精度高、误差小、灵敏度高、分辨率高、测量速度快等特点而备受青睐。1 最近几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术有了巨大的进步，从而促进了数字电压表的快速发展，并不断出现新的类型。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，其转换精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因此，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。21.1.1 数字电压表的特点数字电压表(DVM)是将被测的电压模拟量自动转换成开关量，然后进行数字编码、译码，以数字形式显示出来的一种电测仪表，其主要具有以下特点：（1）准确度高：目前可达到10-6数量级，因此用其代替直读仪表，可大大提高测量精度； （2）灵敏度高：一般可做到10微伏至1微伏，目前已有10-9伏数量级的仪表；（3）输入阻抗高：一般可达1000兆欧以上，而且工作时零电流很小；（4）测量速度快：采样速度一般每秒种为几十次到上万次，甚至可达百万次；（5）读数准确：因为是数字显示，所以读数准确，可以消除人为的读数误差；（6）使用方便用途广：开机预热预调后即可使用，可配接相应的转换器，用来测量交流电压、直流电流、电阻和温度等参量。31.1.2 数字电压表研究现状和发展趋势数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造，至今，数字电压表不断进步和完善。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。开始时用4位数码管显示，然后是5位、6位显示，现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从一台仪器只能测1-2种参数发展到能测几十种参数；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小，重量不断变轻，价格逐步下降，可靠性越来越高，量程范围逐渐扩大。 DVM的高速发展，使其已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。随着现代化技术的不断发展，数字电压表的功能和种类将越来越多，其适用范围也会越来越广。采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势，不仅能提高测量准确度，而且能提高电测量技术的自动化程度，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。1.2 数字电压表研究的目的与意义数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表可分为输入部分、A/D转换部分和显示部分4。其中主要涉及单片机与A/D转换芯片的应用。通过对基于单片机的数字电压表的研究，了解51系列单片机的功能和特点，学习单片机的基本知识以及基于单片机做相关产品设计的基本思路和方法，并对单片机的编程进一步巩固，更加了解A/D转换的工作原理、实现方法与过程以及其应用。传统的指针式电压表功能单一、精度低，越来越不能满足如今数字化进程的需求。采用单片机的数字电压表精度高、分辨力高、功耗小、抗干扰能力强、可扩展性强、集成方便，还可与PC机进行实时通信。目前，数字电压表已被广泛用于工业自动化仪表、自动测试系统、电子及电工测量等智能化测量领域，并展示出强大的生命力。与此同时，由其扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。同时，数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计、湿度计、酸度计、厚度仪等），覆盖了电子、工业测量、自动化仪表等各个领域。因此，设计一种以单片机为基础结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。2 设计方案2.1 本次设计研究的主要内容本次设计是以数字电压表的设计为研究内容，该电压表是以单片机和A/D转换为核心的电压测量系统。主要有三级结构即：控制模块、A/D转换模块和显示模块。本次设计主要研究以下内容：（1）了解直流数字电压表的基本概念，熟悉多点电压测量的实现方法；熟悉直流数字电压表的体系结构、实现方法及原理；（2）了解单片机的结构以及各部分功能的应用；（3）了解A/D转换的原理以及实现方法；（4）学习Protel、Keil、Proteus等工具；（5）学习分压电路的设计与应用； （6）学习自动换挡的原理及实现方法；（7）熟悉软件编写及调试过程。2.2 设计指标在日常维修、教学和科研中，电压表是不可缺少的，传统的数字电压表设计通常以大规模AS IC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，但是这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求。而应用微处理器（单片机）为核心单元设计的数字电压表，其灵活性高、读书准确方便、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。本次设计目的就是以单片机为基础设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好、量程大的多点直流数字电压表,具体指标如下：（1）数字电压表能测量三路电压值；（2）数字电压表测量量程为0-16V；（3）数字电压表的读数由液晶屏显示；（4）数字电压表能实现自动换挡；（5）数字电压表误差小于0.05V。2.3 数字电压表设计方案设计数字电压表有多种设计方法，方案也是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，模拟数据的采集部分具有多样性，进而又造成对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表所需测量的电压范围是比较大的，基本上高于A/D转换芯片的基准电压，所以必须要对输入电压进行分压处理，分压的方式方法不尽相同，设计方案也多种多样。由此结合设计要求选择由单片机及数字芯片构建数字电压表。一台典型的直流数字电压表主要包括三大模块：A/D转换模块、数据处理模块及显示模块。该系统以单片机和A/D转换器为核心内件。单片机种类繁多，但功能及性能上大同小异，相比之下A/D转换和多路测量就是方案确定的一个关键点。下面主要介绍两个方案：方案一：采用51系列的单片机，A/D转换部分采用单路A/D转换芯片，此类的芯片的转换精度一般较高，应用较为简单，但由于芯片只能转换单路模拟信号，在测量多路的前提条件下，需要用多片芯片或者多个模拟开关通过软硬件控制多路信号的接入和选通特定某一路信号，并且通过控制继电器的动作来达到切换量程的目的。方案二：采用51系列的单片机，A/D转换部分采用多路转换芯片，此类芯片可通过单片机对A/D转换器的地址信号线发出控制，从而选通其中一路输入信号，同时通过控制继电器的动作来达到切换量程的目的。此方案由于省去了模拟开关的应用，从而简化了部分硬件电路，甚至可以避免由模拟开关带来的相关误差和延时。综上，方案一、方案二各有优缺点，方案一硬件电路比方案二复杂，而软件相对简单一些。经过查阅相关知识，浏览相关信息，请教其他同学和老师，并结合自身的能力偏向，最终决定采用第二种方案，以下介绍设计的整体结构。该数字电压表以单片机和A/D转换器为核心内件，能够在单片机的控制下监测三路输入电压值，用A/D转换器对输入0-16V的模拟电压进行数字化处理，通过逻辑运算处理得到测量结果并实现量程自动转换，测量的电压值最终通过液晶屏显示。数字电压表分为高、低量程电压测量档：低量程电压测量档直接接入A/D转换器，高量程电压测量档需经过分压电路分压后接入A/D转换器。首先，待测模拟电压默认接入高量程电压测量。其次，A/D转换对输入的模拟信号进行模-数转换，控制核心AT89S51再对转换的结果进行各种运算处理，与设定值进行比较，并发出相应信号控制量程的切换，最终得出相应电压值。最后，单片机驱动输出装置LCD显示相应输入端和电压值。LCD液晶屏的电压值输入由并行端口P0产生。硬件原理框图如图2-1所示。图2-1 硬件原理框图2.4 设计工作安排首先，了解单片机控制的基本原理，掌握单片机系统设计的基本方法。学习Protel的使用方法，打好理论基础。其次，对系统总体框架进行分析，根据系统所要实现的指标，设计基于单片机的数字电压表的硬件系统，在keil C环境下完成单片机的软件的设计，并进行仿真，并根据出现的问题不断修改，以达到设计要求。仿真到达预期效果后，制作印制电路板即PCB板，经过一系列加工，最终完成实物的制作。实物制作成功后，调试硬件和软件。根据调试过程中出现的问题和故障，采取相应的措施，不断完善。最后，完成对电压信号的读入及输出，并在特定的情况下完成复位功能。使实物达到预计效果。3 硬件选择3.1 单片机介绍单片机作为微型计算机的一个分支，产生于20世纪70年代。经过二三十年的发展，在各行各业中已经广泛应用。单片机因为具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好等优点，所以被广泛应用于工业控制、智能仪器仪表、机电一体化产品、家用电器等领域。单片机是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成到一片集成电路芯片上形成的微型计算机。因而被称为单片微型计算机，简称单片机。3.1.1 单片机的主要特点单片机的基本组成和基本工作原理与一般的微型计算机相同，但在具体结构和处理过程上又有自己的特点，其主要特点如下：（1）在存储器结构上，单片机的存储器采用哈佛（Harvard）结构；（2）在芯片引脚上，大部分采用分时复用技术；（3）在内部资源访问上，采用特殊功能寄存器（SFR）的形式；（4）在指令系统上，采用面向控制的指令系统；（5）内部一般都集成一个全双工的串行接口；（6）单片机有很强的外部扩展能力。53.1.2 单片机AT89S51在众多单片机中MCS-51系列的单片机应用广泛，并且在之前相关的课程中也学习了51系列单片机的相关知识，所以本次单片机选用MCS-51系列单片机。在众多的51系列单片机中，通过对比分析最终选择ATMEL公司的AT89S51，该单片机不仅兼容MCS-51系列单片机指令、管脚，而且还将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，与AT89C51相比导入程序更方便快捷。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 AT89S51是一种功耗低、性能高的8位单片机，而且片内带有一个4KB的Flash EPROM在线可编擦除只读存储器，它不仅采用了CMOS工艺还采用了ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。AT89S51的主要性能特点：（1）4K Bytes Flash片内程序存储器；（2）128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM）；（3）32个外部双向输入/输出（I/O）口；（4）2个中断优先级、2层中断嵌套中断；（5）6个中断源；（6）2个16位可编程定时器/计数器；（7）2个全双工串行通信；（8）片内振荡器和时钟电路；（9）与MCS-51兼容；（10）全静态工作：0Hz-33MHz；（11）三级程序存储器保密锁定；（12）可编程串行通道；（13）低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51是一个低功耗、高性能单片机，共有40个引脚，32个双向输入/输出（I/O）端口，内含2个外中断口，2个16位定时计数器,2个全双工串行通信口。单片机AT89S51的引脚如图3-1所示。VCC(40脚)：供电电压。GND(20脚)：接地。P0口(32脚39脚)：P0.0-P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作为准双向输入/输出接口；在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口分时复用为低八位的地址总线和双向数据总线。P1口(1脚8脚)：P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向输入/输出接口使用，对于52子系列，低两位引脚具有第二功能。P2口(21脚28脚)：P2.0-P2.7统称为P2口。在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，一般作为准双向输入/输出接口使用；在接有片外存储器或扩展I/O接口而且寻图3-1 AT89S51引脚图址范围超过256字节时，P2口用作高八位地址总线。P3口(10脚17脚)：P3.0-P3.7称为P3口。除作为准双向I/O接口使用外，每一位还具有独立的第二功能，P3口的第二功能见表3-1。表3-1 P3口第二功能表引 脚第 2 功 能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）RST（9脚）：复位信号输入端。当振荡器复位器件复位时，要使RST脚保持两个机器周期时间的高电平。ALE/PROG（30脚）：地址锁存信号输出端。ALE在每一个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低八位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外程序存储器期间ALE脉冲会跳空一个。PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期该信号有效两次。但在访问外部数据存储器时，PSEN信号将不出现。EA/VPP（31脚）：当EA/VPP保持低电平时，选用片外程序存储器，高电平或悬空时选用片内程序存储器。XTAL1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。3.2 继电器继电器（英文名称：Relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，继电器实际上是用小电流控制大电流运作的一种“自动开关”。3.2.1 继电器的工作原理电磁继电器通常是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等器件组成的。当线圈两端加上一定的电压时，线圈中就会产生一定大小的感应电流，从而产生电磁效应，衔铁在电磁力的吸引下将克服弹簧拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合在一起。当线圈两端断电后，由电磁效应产生的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力作用下返回到原来的位置，使动触点与原来的静触点释放。这样通过吸合、释放衔铁，从而实现了在电路中的导通、切断的目的。继电器有“常开、常闭”两类触点，可以这样来分类：当继电器线圈没有通电时，处于接通状态的静触点称为“常闭触点”；处于断开状态的静触点称为“常开触点”。继电器一般都有能反映一定输入变量（如功率、电压、电流、频率、阻抗、速度、温度、压力、光等）的感应机构（输入部分）；有能够对被控制的电路实现“通”或“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器输入部分和输出部分之间，还有能对输入量进行耦合隔离、功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。63.2.2 继电器的主要作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。概括起来，继电器有如下一些重要的作用：（1）可以将控制范围扩大：当多触点继电器的控制信号达到某一设定值时，可以根据触点组的不同链接形式，实现换接、开断、接通多路电路的需求 。（2）放大：一些继电器如灵敏型继电器、中间继电器等可以通过对一个非常微小的控制量处理，去控制很大功率的电路。（3）综合信号：当多个控制信号按规定的形式输入多绕阻继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。（4）实现遥控、监测、自动功能：自动装置上的程序控制线路就是由继电器与其他电器一起组成的，最终实现自动化控制和运行。3.2.3 继电器的选择本次设计选用继电器SRD-05VDC-SL-C。其具体信息如表3-2。表3-2 srd-5vdc-sl-c的参数额定电压：DC-5（V）产品系列：T73系列电流性质：直流触点切换电流：10（A）直流电阻：70（）触点切换电压：250（V）防护特征：密封式触点负载：中功率应用范围：电磁型号：SRD-05VDC-SL-C吸合电流：0.0714（A）释放电流：0.0714（A）品牌：SONGLE/松乐触点形式：转换型外形尺寸：小型（1）额定工作电压：额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压；（2）直流电阻（线圈阻抗）：直流电压是指继电器中线圈的直流电阻； （3）吸合电流：吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流且对于线圈所加的工作电压不超过额定工作电压的1.5倍；（4）释放电流：释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流；（5）触点切换电压和电流（触点容量）：触点容量是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。3.3 A/D转换器3.3.1 A/D转换器原理在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换就是在特定的时间周期对输入的模拟信号进行采样，然后将这些取样所得到的值转换成数字量输出。因此，电压A/D转换的过程就是先对输入的模拟电压信号进行取样，取样结束后应保持一段时间，在这段时间内需将取样所得的电压量化为数字量，并按一定的形式编码后，输出数字信号即转换结果。然后再开始进行下一次A/D转换过程。7A/D转换的类型有多种，可以分为直接A/D（也称比较型）转换器和间接A/D（又称积分型）转换器两大类。在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号;而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量（例如时间、频率等）。然后再将这个中间变量转换为输出的数字信号。根据A/D转换类型的不同，数字电压表也分为两种：直接型数字电压表和间接型数字电压表。下面介绍比较常用的三种A/D转换类型：逐次逼近比较型、电压-时间变换型和电压-频率变换型。（1）逐次逼近比较型： 逐次逼近比较型电压表是利用被测电压与不断递减的基准电压进行比较，通过比较最终获得被测电压值，然后送显示器显示的。虽然逐次比较需要一定时间，要经过若干个节拍才能完成，但只要加快节拍的速度，还是能在瞬间完成一次测量的。逐次逼近比较型数字电压表的原理框图如图3-2所示。图3-2 逐次逼近比较型数字电压表的原理框图图3-2中，数码开关可把由基准电压源输出的高稳定性电压Ub分成若干个步进小电压Ub1、Ub2、Ub3等，而且这些步进电压的前一个值比后一个大一倍，用二进制表示则刚好增加一位，例如：取基准电压Ub为1024mV，并将其分成512mV、256mV、128mV、 64mV、32mV、16mV、8mV、4mV、2mV、1mV等若干电压，然后通过控制电路将Ub逐个送到比较器与被测电压进行比较。所取出的Ux应按从大到小顺序取出，也就是先取最大的电压Ub1与Ux，进行比较，若Ub1Ux，就由数码寄存器输出一个数码“0”，并舍去Db1；若UbtUx，则由数码寄存器输出一个数码“1”，并保留Dbl，以便与下一个取出的步进电压Ub2相加，相加后的电压重新与被测电压在比较器中进行比较，并重新输出数码，决定取舍。这个原则称为从大到小、舍大留小的原则。按此原则逐个取出Ub进行比较后，将数码寄存器输出的二进制码按序排列就会等于被测电压值。多数的AD转换集成电路也是采用这个办法完成模数转换任务。（2）电压时间变换型：所谓电压时间变换型是指在进行模数转换时将输入电压值不是直接转换成电压值而是先转换为时间间隔，电压越大，时间间隔就越大，然后根据时间间隔大小来控制定时脉冲进行计数，其计数值最终转换为电压值。电压时间变换型又称为V-T型或斜坡电压式，其基本原理如图3-3所示。 图3-3 V-T型数字电压表原理框图（3）电压频率变换型：所谓电压频率变换型是指在进行模数转换时将输入电压值转换为一个间接量即频率值，然后用频率表显示出频率值，由此间接反映出输入电压值的大小。这种表又称为VF型。3.3.2 A/D转换精度在单片集成的A/D转换器中也采用分辨率（又称分解度）和转换误差来描述转换精度。分辨率以输出二进制或十进制数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位二进制数字输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，能区分输入电压的最小差异为满量程输入的1/2n，所以分辨率所表示的是A/D转换器在理论上能达到的精度。例如A/D转换器的输出为十位二进制数，最大输入信号为5V，那么这个转换器的输出应能区分出输入信号的最小差异为5V/210=4.88mV。转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，它表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。例如，给出转换误差0.5LSB,这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位的半个字。63.3.3 A/D转换芯片的选择常用的A/D芯片有ADC0809，ADC0832，TLC2543等几种。下面简单介绍一下这三种芯片。 ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器进行转换。这些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。8ADC0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，双通道A/D转换。它易于和微处理器接口或独立使用；电源输入和参考电压输入复用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。体积小、性价比高，与单片机通信的端口比较少9。TLC2543是12位开关电容逐次逼近A/D转换器，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。综合上述几种A/D转换芯片的特点。由于本次设计需测量3路0-16V的直流电压，考虑到分压电路的使用和自动换挡的实现，将每路输入转化为高、低量程分2路输入，最终为6路输入，因此需用多片ADC0832。ADC0809并行输出转换结果使得芯片与单片机的端口连线多，在课本上也学习了此芯片的相关原理与特点对该芯片比较熟。在本设计中，主要是学习更多的知识。综上所述，最终选择精度为12位的TLC2543芯片。3.3.4 TLC2543芯片综合设计的各方面考虑，最终选择TLC2543模-数转换芯片。TLC2543是德州仪器（TI）公司生产的12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输出结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。10TLC2543是一个具有11个模拟输入通道的12位串行A/D转换器。TLC2543芯片封装和引脚如图3-4所示及TLC2543的引脚功能如表3-3所示。（1）AIN0-AIN10是11个模拟信号输入端，具体选择哪一路通过内部多路选择器控制选择。（2）在CS端输入一个由高至低变化的脉冲，内部计数器将被复位并控制使能 图3-4 TLC2543引脚图 表3-3 TLC2543引脚功能引脚号名称I/O说明1-9AIN0-AIN8I模拟输入端11-12AIN9-AIN10I模拟输入端15CSI片选端。17Data inputI串行数据输入端。16Data outO用于A/D转换结果输也的3态串行输出端19EOCO转换结束端10GND接地端18I/O CLKI输入/输出时钟端14REF+I正基准电压端13REF-I负基准电压端20VCC正电压端Data out、Data input和I/O CLK。而输入一个由低至高变化的脉冲时，将在设置的一段时间内禁止Data input和I/O CLK。（3）串行数据输入端Data input输入的是一个4位的串行地址，该地址用来选择即将被转换的模拟输入信号或测试电压。串行数据以MSB为前导并在时钟端的前4个上升沿被移入地址寄存器。（4）Data out有两个状态：当CS为高电平时，Data out处于高阻抗状态；当CS为低电平时，Data out才处于激活状态。CS一旦有效，按照前一次转换结果的MSB/LSB值将Data out从高阻抗状态转变成相应的逻辑电平，I/O CLK 的下一个下降沿将根据下一个MSB/LSB将Data out驱动成相应的逻辑电平，剩下的各位依次移出。（5）在最后一个I/O CLK 下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持低电平直到转换完成及数据准备传输。（6）GND端是内部电路的地回路端，除加有说明外，所有电压测量都相对于AND。（7）I/O CLK端串行输入并完成以下四个功能：第一，在I/O CLK的前8个上升沿，它将8个输入数据存入输入数据寄存器。第二，在I/O CLK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLK的最后一个下降沿。第三，将前一次转换的数据的其余11位输出到Data out端。在I/O CLK的下降沿时数据变化。第四，在I/O CLK的最后一个下降沿将转换的控制信号传送到内部状态控制位。（8）REF+端通常接VCC，最大输入电压范围取决于加于本端与加于REF-端的电压差。（9）REF-端通常接地。3.4 LCD1602液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物，它的透明程度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这个特点即可做成字符型液晶。LCD1602字符型液晶显示器是由若干个57或者511等点阵字符位组成，是显示字母、符号和数字等的点阵型液晶模块。液晶显示器的每个点阵字符位都可以显示一个字符、数字或者符号，可以显示162个字符，相邻之间都用一个点距的间隔隔开，每行之间也用一个点距的间隔分开，起到了保持行间距和字符间距的作用。LCD1602液晶模块具有体积小、功耗低、显示丰富的内容、质地轻薄等优势，常用在微型仪表和低功耗应用系统中。LCD1602的管脚分布如图3-5所示，各引脚接口说明如表3-4所示。图3-5 LCD1602的管脚分布表3-4 引脚接口说明表、编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3V0液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为电源地。第2脚：接+5V电源。第3脚：V0是液晶显示器的对比度调整端，当接的电源为正时对比度最弱，当接地的时候，它的对比度最高。第4脚：RS为数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器；低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读/写选择端，高电平时进行读操作，当为低电平的时候进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平、R/W为高电平时，可以读忙信号，当RS为高电平、R/W为低电平时，可以写入数据。 第6脚：E（或EN）端为使能端，当E端为高电平1时读取信息。当E端的电平从高电平跳变到低电平的时候，液晶模块就会执行指令。第714脚：8位的双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4 硬件电路设计4.1 Altium designer介绍目前人们可以在计算机上利用电子CAD软件来完成产品的原理图设计和印制板设计。美国 Altium公司开发的设计电路板软件 Protel就是这类软件中功能最为强大、使用最为广泛的一种。 Altium designer 6.0 则是 Protel的最新版本，它具有自动布线、自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大的功能。使用这些功能，可以更好地帮助电子工程师们设计更加精密复杂的电路板。Altium designer主要功能如下：（1）原理图设计；（2）印制电路板设计；（3）FPGA的开发；（4）嵌入式开发等等。114.2 单片机最小系统所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机的最小配置系统。由于MCS-51系列单片机片内不能集成时钟电路所需的晶体振荡器，也没有复位电路，因此在构成最小系统时必须外接这些部件。4.2.1 时钟电路时钟电路对于单片机系统来说是必备的。因为单片机的内部是由各种各样的数字逻辑器件（如存储器、寄存器、触发器等）构成，这些数字器件在工作的时候必须按照时间顺序完成，这种时间顺序就叫做时序。时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准电路，没有时钟电路单片机就无法工作。单片机时钟电路的设计如图4-1所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2（X2）是来自反向振荡的输出。按照理论上AT89S51使用的是12MHz的晶振。 图4-1 时钟电路4.2.2 复位电路MCS-51单片机有一个高电平有效的复位引脚RST。要使系统内部复位，只要在时钟电路工作以后使RST端连续出现12个时钟周期（两个机器周期）以上的高电平即可。复位有两种方式：上电复位和按钮复位。单片机复位电路的设计如图4-2所示。该复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式。当按下按键S1时，VCC给复位输入端口一个高电平，实现复位功能，即手动复位。上电复位就是VCC对电容C4充电和放电的电路，所以复位端口得到一个周期性变化的电压值，并且有一定时间的电压值高于CPU复位电压，实现上电复位功能。图4-2 复位电路4.3 A/D转换器与单片机的接口电路TLC2543芯片与单片机有五个端口需要通信（除VCC/GND），分别是EOC、CLK、IN、OUT及CS，它们可与单片机直接相连，由软件控制完成相应功能。REF+、REF-接入基准电压源，由于基准电压直接关系到数字电压表的精度，所以应尽量确保电压保持恒定。因此采用稳压芯片LM4040A41对电源电压进行稳压处理。稳压芯片LM4040A41固定输出电压4.096V，最大误差1.0，使数字电压表的基准电压相对稳定，减小由基准电压带给数字电压表的误差。TLC2543接口电路如图4-3.图4-3 TLC2543接口电路4.4 分压、换挡电路由于设计的数字电压表要测量0-16V电压，而基准电压仅仅为4.096V，所以必须对输入模拟电压进行分压处理。选择低量程测量电压为0-4V，高量程测量电压为4-16V，所以将高量程电压衰减为原来的四分之一，便可将量程扩大到16V。本次数字电压表的分压电路采用串联电阻分压，调节滑动变阻器使其接入电阻为R2的三倍即可，考虑到电阻的阻值可能存在一定误差以致影响数字电压表整体性能，所以另一个电阻采用滑动变阻器，可以手动调节阻值，从而降低分压电路带来的误差，提高数字电压表的整体精确度。同时也可以通过调节滑动变阻器阻值，稍稍改动程序便可轻易扩大电压表的测量量程，增强了数字电压表的整体灵活性和扩展性。本次数字电压表采用继电器实现自动换挡的功能，TLC2543的工作电压VCC输入为5V，基准电压为4.096V，为避免大电压对TLC2543造成影响，继电器默认接到高量程电压测量档。为避免单片机突然掉电或I/O口复位使继电器发生动作，为此在继电器前加入了光电耦合器PC817使继电器电路与单片机电路隔离开来。二极管D2选用了IN4004，是一种续流二极管，在电路中以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗掉，从而保护电路中的元件不被损坏。在此是消除继电器线圈断电时产生的反向自感电压。分压换挡电路如图4-4所示。图4-4 分压换挡电路4.5 显示电路 LCD1602显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口P0来实现静态显示。由于P0是一个三态双向口，在输出数据时，要使信号正常输出，必须外接上拉电阻。利用上拉电阻与单片机相连来驱动LCD1602。LCD1602为5V电压驱动，带背光，可以显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内含128个字符的ASCII字符集，只有并行接口，无串行接口的液晶显示器。数字电压表需要同时显示三路电压值和通道。电压值保留小数点后两位如15.48，通道显示如VA，共占7个字符，所以LCD1602每行可以显示两组数据，共可显示4组数据，综上，用LCD1602可以实现数字电压表三组数据的显示。LCD1602显示电路如图4-5所示。图4-5 显示电路4.6 总体硬件电路本次设计完成的多点测量的高量程数字电压表，其硬件设计大致分为输入电路、A/D转换电路、