【《基于单片机的简易数字显示交流毫伏表设计》15000字（论文）】

第Ⅳ页共Ⅳ页基于单片机的简易数字显示交流毫伏表设计摘要在当今现代化爆炸式变化的年代，电子科技领域更是一日千里。人工智能数字化时代的到来，使得数码电子电路开始往人性化、高度集成化和轻巧化的方面不断延伸。这使得电子产品中的电路越来越缜密，电路中的电流也就随之越来越微小。在以往旧式的机械电压表拿来测量线路中的电流已经是无能为力了。因为旧版指针式万用表测量的标准已检测不到电路中的微弱程度。并且随着长时间的使用，会导致指针式万用表欧姆调零或机械调零的失灵。从而导致数据的测量造成许多困难，所以这时候为了减少这种情况的发生数字式电压表应运而生。而且现在大部分电子电路中采用了基本都是交流电，数字显示交流毫伏表是电子测量和科学研究实验中非常重要的测量工具。因为其具有操作简单、读数方便、测量迅速准确等等特点,广泛应用于科研实验室、学校和工厂等等。本次设计的主题是简易数字显示交流毫伏表，主要是基于运用STC89C52的51单片机采用LCD液晶屏幕显示人和机器交流互换信息的直观界面。将采用两个大继电器来控制测量交流电压的电路状态。设计主要分为两个大部分，分别是毫伏交流电压的测量和正弦波信号输出部分。论文涵盖了本次简易数字显示交流毫伏表的总体构思与设计方案的对比分析与硬件选用的探究过程，软件设计的电路设计和程序编写流程。通过本次毕业设计全面回顾单片机的设计制作步骤，重新上手设计软硬件的使用，进一步深究设计软件的发明背景以及各个硬件元器件的功能以及原理等等。俗话说得好，温故而知新只有不断的学习才能逐渐积累经验，为将来出来工作和生活打下良好的基础。关键字:单片机；正弦波；电压；继电器目录2607引言 设计任务及方案1.1设计任务及要求①电压测量：A、测量电压的频率范围100Hz~500KHz。B、测量电压范围100mV~100V（可分多档量程）。C、要求被测电压数字显示。D、电压测量误差±5%。E、具有超量程自动闪烁功能。②输出：A、输出正弦波电压，电压值1Vrms，波形无明显失真。B、输出电压值误差≤±10%。C、输出电压频率范围10Hz~200KHz。D、输出电压频率可预置。E、输出电压频率误差≤±5%。扩展：①扩大测量电压的频率能达到10Hz~1MHz这个范围。②交流毫伏表具有自动量程转换功能。1.2设计方案构思方案的整体构思主要是根据任务的要求来分析，尽可能的做出符合要求的设计。现在网上有许许多多设计非常成熟的精密数字电压表，用单片机设计的数字显示毫伏表一款比一款更加优秀。每一款都有它的出彩之处也有各种微不足道的瑕疵，但是都值得我去好好学习借鉴。通过类比这些电压表设计，在结合任务的实际要求出发本次毕业设计简易数字显示交流毫伏表由两个的大部分所组成，一个是测量输入电压通过单片机由数字来显示电压值，第二个是通过单片机整流出稳定的正弦波信号。模糊的主体构造设计如下图所示。简易数字显示交流毫伏表示意图1.3方案设计1.3.1方案一本方案参照数字电压表的设计，当被测量信号输入单片机电路时，首先先通过具有自动量程选择功能的放大器。接着通过真有效值模块读出电压的规模大小，然后经过A/D模块把模拟量转变成单片机能读取的数字量，最后通过LCD的液晶预示所测量的电压，也就完成任务的电压测量数字显示的功能。之后正弦波波形输出部分用模拟电子技术实现，由波形整形电路输出信号。分为两个独立部分来达到毕业设计整体要求。框图如下图1-1图1-1方案一1.3.2方案二在基础的测电压功能之上加入一个按键控制量程功能，实现量程挡位转换。首先被测信号输入先通过高阻抗的电路和放大电路，经过继电器进行信号的递减或增强。接着通过真有效值来转换电压值。然后模拟数字转换实现单片机识别电压值，然后通过LCD液晶显示预警电压值辨别反馈闪烁屏幕然后通过按键更改对应档位调节完成电压测量部分。之后通过模拟电路产生正弦波信号输出，在一个系统内尽可能完整的达到设计要求。框图如下图1-2图1-2方案二1.3.3方案三用简洁的半自动化来完成设计要求，首先按键选择量程被测信号输入通过高电阻分压网络与继电器的控制输入信号衰减，进过固定的算法将采集到的信号求有效值。将得到的电压值经过模/数转换器让单片机识别最后输出由液晶显示屏预示数字电压。之后再通过按键选择输出正弦波信号，通过单片机由独立波形发生器产生波形；经过放大器放大输出正弦波信号。从而基本达到本次任务设计的要求。框图如下图1-3图1-3方案三1.4方案对比方案一是可以实现自动量程的转变，而且自动化水平很高，基本上都是通过芯片就可以达到本次毕业设计要求，但是对设计者的专业水平提出了很高要求，必须要对这些芯片有过调教，能掌握编程的精髓。并且对我们的口袋里的钱包极其不友好，当然土豪随意随便遭。这个方案显然对我这个没有收入来源的大学生来说不太现实。方案二可以实现半手动的量程转换，相比较第一个方案功能可能没有那么高级，但是也能实现本次设计要求。但是再波形信号输出方面采用模拟电路来做将会占用很大的电路板面积，而且产生的波形将不很难达到不失真的要求，干扰也是在所难免的。这个方案有点不可靠。方案三对比前两个方案这个显得非常的毛糙，就是所谓的简单粗暴，通过分压网路后直接由A/D模块采集数据转换然后根据是固定计算公式得出电压由单片机发送给显示部分。而波形发生部分为了减少模拟电路占用空间，运用DDS独立波形发生器来完成。从而达到任务请求，并且性价比高原理不繁杂简单高效，后期调试不需要太麻烦。通过三个方案的分析比较，结合自身实际情况决定选用第三种方案来完成本次毕业设计。1.5电压表的前世今生电压表英文名字（Voltmeter），在国际上也称之为伏特器。我们经常叫的家用电220伏，这个充电宝充电功率为5伏多少多少安呀。说的就是这个电压，由于电压所用的单位叫伏特，所以在很早以前第二次工业革命电高速发展的时代称为伏特器，后来到现如今才慢慢称为电压表。电压表，是用来测量电场潜在差异的电的仪器，专业术语称为测量两个导体之间电位差的仪器。许多不一样品种的仪器可用引用在不同场景。在电场中，将带电体从一个参考点移动到任意给定点所消耗的每单位电荷的功通常称为电压，单位为伏特或伏特的倍数或分数。大多数电压表都是以达松瓦尔（d'Arsonval）为基础的检流器。而所有的检流器都是基于汉斯用来确定导体中电流的存在、方向和强度的测量仪器。电压表通过其制造原理主要分为模拟电压表，电压可以用指针相对于标尺的机械位移来表示。这种类型的工具可以基于多种多样的原理。达松瓦尔机芯（d'Arsonval）是最受欢迎的建筑之一。这达松瓦尔-韦斯顿仪表机芯使用一个带有指针的动圈，它在枢轴或紧带韧带上旋转。线圈在永久磁场中旋转，并受到细螺旋弹簧的限制，细螺旋弹簧也用于将电流传送到移动的线圈中。它提供比例测量而不仅仅是检测，并且偏转与仪表的方向无关。不用平衡电桥，数值可以直接从仪器的刻度上读取，这使得测量快速而简单。这基本上是一种电流感测仪器，与合适的电阻串联使用来测量电压。另一种变体，紧带悬挂，使用一对处于张力下的弹性带将电流传送到线圈，定位线圈，并提供旋转恢复力。指针就像荡秋千一样左右摆动待它停止摆动后，从表盘上读取相应的数据得到的就是电压值。而这种传统式的针指电压表已经荣有一百多年的光荣历史，现如今还在能时不时的发现它存在的身影，比方说大型机械厂和电厂这些不需要太高精度的地方经常还是经常用到。由于针指电压表采用的永磁动圈式仪器非常灵敏，但本质上只对流经线圈的电流平均值有反应，导致它不适合交流。可以使用整流电路来将运动的灵敏度与交流响应相结合。可以使用变压器来降低二极管整流器正向压降导致的非线性，但缺点是损耗电流使得测得数据不准确。为了解决这些问题采用当时尖端科技真空电子管来制造的电子电压表，真空电子管能达到1MΩ以上的阻抗。并且电子真空管还融入阴极跟随输出电路来提高输入阻抗，就是为了让电子电压表在测量时不会对被测电路影响太大。到目前为止所描述的运动需要来自被测信号的能量来引起偏转，产生的电流容易改变测量点的电压。为了减少这种负载效应，通常在输入端子和指示机芯之间使用有源电路。一旦有了独立的电源，电子电路就可以用来提供其他功能，包括各种信号处理和结果的数字显示PAGEREF_Ref4091\hREF_Ref4091\r\h[3]。之后数字电压表(DVM)出现成为了现如今检测直流电和交流的主力仪器，并且具备各种精度，最高甚至可检测到一千伏的超高电压，还有能检测到七位半精度的1NV。最初第一台数字电压表是由安德鲁·凯非线性系统的创始人凯普罗1952年制造的。实际上，数字电压表由一个基准电压源、一个模数转换器和数字显示系统以及一个电源组成，基准电压源通常由齐纳二极管提供，电源可以来自市电或电池。仪器的基本范围提供从0到10或20V的测量。放大器可以提供额外的较低范围，其增益由精密电阻稳定。这些电子输入放大器通常提供非常高的输入阻抗。由于该阻抗是通过有源方式获得的，当仪器关闭时，可以发现低得多的阻抗。使用电阻衰减器可以提供更高的电压范围，受经济限制最佳精度总是在基本范围内获得，该范围限于模数转换器的范围。2硬件设计2.1主要元器件2.1.1STC89C52单片机芯片单片机最核心的元器件，跟微型电子计算机中央处理器(CPU)一样重要。就像我们军队司令部的一样，占优势收集情报经过各种分析运算然后发送指令到其它各个职能部门来完成任务。STC89C52芯片享有最高指挥的权限，单片机各个职能部门都要与它搞好关系，要服务于它，都必须要服从它的指令。由它安排工作，然后完成各项任务。在起初写开题报告的时候，由于时间太紧凑借鉴的是网络上被人设计比较优秀的以AT89C52作为掌控芯片的数字电压表。AT89C52是国外公司Atmel所生产的芯片，宏晶公司国产的STC89C52不仅价格更便宜而且功能上与为外国的相比是毫不逊色的，并且性能参数上还略占上风。在后期需要下载和调试可以直接使用，而国外的芯片还需要额外的安装驱动。主要是外文水平太低虽然有翻译说明书，但是还是国产的芯片更加本土化兼容性更强，降低开发所需要学习时间和成本支出。最后还是觉得支持中国制造采用STC89C52芯片来完成本次毕业设计。图2-1STC89C52引脚图图2-2STC89C52单片机实物2.1.2开关本次设计需要分为几个量程来区分加上要输出可预制的正弦波信号，所以就需要使用按键来操作对应功能，数字电压表还需要操作便利而且要反应迅速。经过对比轻触开关是最佳选择，轻触开关是单片机电路中常用的开关之一。它既具有使用简单并且反应灵敏，给按钮微微用力按下当发出“咖掐”的声音时意味着按钮通路，当力撤销后按钮会立即自动回弹断路。轻触开关还分为贴片式与直插式，直插式虽然没有贴片式性价比高但是直插对于电路焊接来说要求不高易于后期更换与调试。对于我这种初学者来说直插式的便利是贴片式不具备的，最终选用4脚直插式轻触开关。图2-3轻触开关实物2.1.3继电器继电器就像我们的边防检查站一样，它的任务就是对所有要通过的电进行安全检查，然后进行安排能否通过检查站前往下一站和到达司令部。继电器就像一个英勇的解放军战士一样有着一夫当关万夫莫开的本领，还拥有武林绝学太极阴阳中的四两拨千斤。能够用渺小的自己来指挥千军万马的统一行动。（用弱电控制高压电）用咱们电子行话来说就是利用电磁感应，当电路中断电或者通电时控制电磁铁的磁力关闭或者打开开关，控制电路另外一边的高电流/电压的开合。HK4100F—DC5V继电器的出现使得电路的量程区分和保护电路等功能得以顺利运行。并且采用双保险机制，用两个继电器来控制电路，提高单片机的稳定性。图2-4继电器实物2.1.4稳压源热稳定分流基准源，它是单片机数字电压表中常客。因为交流电是不稳定的电流，需要多次采集数据才能得到更真真切切得数值。为了防止电流混乱干扰导致测量不准确和损害电路中的元器件，所以要用稳压源。由于本次设计是要精确的电数据，经过多方对比最终选美国半导体科技巨头德州仪器生产的TL431稳压芯片，能够很好的完成对电压监督和控制，从而达到检测数据的稳定性和精准度还能起到双层保护电路的作用。图2-5TL431实物2.1.5电阻电阻是一种对电路中的电流产生阻碍作用的元器件,类似水管中的阀门,有的是固定阀门和可调节阀门。对应固定电阻和滑动变阻器或者称为电位器。主要是控制电路中电流的大小。在数字电压表中为了到达检测电路中的准确性高阻抗是重中之重，所以选用电阻要着重考虑。电子电路中直插式和贴片式电阻是最常用的，贴片式电阻是在现在集成电路极速发展中的产物。贴片式电阻性能更好价格更低，但是要求电路集成化和焊接技术提出了很高要求。电压表中电阻又是易损耗的元器件，调试与替换是家常便饭。相对于我这种初学者来说还是直插式电阻才是首选。图2-6电阻实物2.1.6波形发生器DDS波形发生器,是并不需要接另外元器件,就能够产生正弦波、方波、三角信号输出的芯片。产生频率和相位变化均可使用软件编程,调整方式十分人性化,集合了DDS系统(DirectDigitalFrequencySynthesis)电路全部的AD9833可程序化波形发生器,是一个只需外加:外部的基准时钟、低精度电阻器和解自耦电容等各一条,就可产生高达十二点五MHz的正弦波。而亚德诺半导体技术公司所制造的可程序化波形发生器AD九千八百三十三就具有上述特点,而且该集成电路使用了十个引脚MSOP的表面贴片封装,不仅体积较小而且耗电量也极少。如果采用传统的模拟电子线路将要自己激荡来产生正弦波，还需要交融正反馈，稳定幅度和选择频率的电路。实现起来非常的落后，而且对于单片机整个系统来说是非常的庸肿的。所以采用波形发生器芯片是非常明智的选择。虽然说成本会有所提高，但是对于单片机的整体系统来说非常友好的。图2-7AD9833实物图2.1.7电容电容就是电路中装电的一种容器，但是这个容器只有在电路有电的情况下才装电，并且很快流失。你是不是觉得这是是竹篮打水一场空白忙活，那就太小看电容。电容主要负责电路中存储能量跟缓解能量来调节电路平衡。就像三峡大坝一样有蓄洪抗旱的本领，但是不能发电。本次毕业设计用到的电容如下图图2-8瓷片电容实物图2-9电解电容2.1.8晶振本次设计的单片机电路中含有震荡电路所以需要11.0592MHz晶体振荡器作为振荡源来给单片机的中控芯片STC89C52来起震，就像打火机里面的打火石辅助单片机启动工作。晶体振荡器就是是能够帮助单片机"心跳"的发生器,能够帮助单片机激活。单片机上电后，单片机输出和11.00592MHz相匹配的交变电压到晶振，之后在输送回到内部，经过放大和倍频后作为时钟源稳定使用。图2-10晶振实物图2.1.9模/数转换芯片这块芯片是数字显示交流毫伏表的灵魂所在，它就像国防外交部翻译官一样。就是把电路中接收到的连续模拟信号接收编译组成单片机这种机器所能认识的数字信号，然后将这个数字信号发给单片机中司令部处理之后就能通过LCD液晶显示屏获取接收到检测信号的参数了。没有了这个翻译官数字显示交流毫伏表就不能真正成为数字显示，一朝回到解放前模拟信号的传统电压表。并且这个翻译官的业务水平直接关系到司令部收集情报的准确性跟时效性。因为本次测量的是交流电还需要大规模的收集和保持信号，并且要划分量程减少误差等等。在众多模/数转换模块中来回权衡利弊，8位模数转换器淘汰掉性能拿不出手，使用10位的模数转换器可以达到位数0.001伏电压显示刚刚好合适。美国的德州仪器公司TLC1549芯片成为我的首选。这块10位模数转换芯片功能强大而且抗干扰方面优异，所以经常会出现模拟量和数字量的转换电路中。这个模数转换器简单点说就是把检测收到的信号翻译成单片机机器能识别的语言,然后机器再经过计算和编程显示在液晶屏幕上让我们读取到对应信息,通俗点叫"翻译机"。图2-11模/数转换芯片实物图2.1.10放大器本次毕业设计需要输出正弦波信号，波形发生器所产生的波形要保持稳定当然少不了放大器这个老搭档的加持。在专用放大器中我选用LM358这款双运算放大器，不仅因为这款放大器是电子元器件中的明星元器件。更让我放心的是电路中正弦波信号放大和运算再通过单片机控制输出良好的正弦波信号，LM358可以出色的完成运算并且拥有双保险两个独立的通用型放大器。使得输出的信号增益更高稳定性更强。图2-12放大器实物图2.1.11数字显示屏本次毕业设计是用数字来显示测量到的交流毫伏电压,所以算上小数点至少要显示5位数字字符。如果要采用数码管显示的话，延迟和显示不会太友好而且元器件将要占用电路板很大面积浪费空间,引脚焊接还会很凌乱后期如果排查会更加的繁杂。采用LCD1602液晶显示屏可以满足毫伏电压的准确显示。因为不用显示波形所以不用采用更大的OLED显示屏后期改进不用那么繁杂。在者就是加入超量程闪烁LCD1602显示器也可以完成,如果采用数码管将难以实现可能还要再加led灯来实现。LCD液晶显示屏在单片机应用中非常的常见,就不过多阐述其原理了。图2-13LCD1602实物图2.1.12电源接口该单片机需要使用外置电源来提供电能才能提供运行条件。本次选用的是PWR2.5毫米圆形直流电接口，因为其接口简单容易拔插，价格便宜，引脚简单明了。接口一接电路的正极，接口二接电路负极，接口三可以悬空或者接地都可以正常工作。此接口可以轻松通过5安电流完全足够适用在本次实验单片机中使用，如果用接口为迷你型USB接口来供电会提升总体成本，还不好调试引脚会更加的复杂。PWR2.5电源接口很大程度的提高电源接入耐用性和方便携带的优点。图2-14PWR2.5圆口直流电原接口实物图2.2单片机的介绍2.2.1单片机的综述单片机在我大专的时候压根就没有接触过，但是专升本之后开学第一个学期就安排了单片机这门课程并且安排了大量的课时。给我们上课的郑秋贞老师是一个温柔善良美丽的女老师。上她的课程，使我从零开始学习慢慢的对单片机有了更深入的了解。像我们经常听到的智能机器人，还有无人机很多都是通过单片机开发出来的，现在我们家用的洗衣机和电冰箱很多家庭电器还是使用单片机来控制的。而单片微型控制器就是单片微型电脑的大名,英文名称也叫做Single-Chip Microcomputer。单片的微型计算机其实是一个电路高度集成的精密微芯片,你要是觉得用它只能实现某一种逻辑功能的微芯片那就大错特错了。麻雀虽小五脏俱全巴掌大小的硅制芯片，里面却具备了计算机系统所需要的大部分东西，只不过少了外部接入设备和显示输出部分而已。电脑作为划时代的产物，是当今科技时代的开山鼻祖。现在越来越多的人接触到电脑和了解电脑，但是电脑的售价还是让我们敬而远之，单片机的出现使得跟多的人能感受到电脑的魅力。单片机给人们了解计算机系统提供了更加好的方案，性价比高、可玩性强、体积比电脑更微型，是入门计算机的最佳选择。2.2.2单片机的发展单片机的起源要从家喻户晓的英特尔公司说起。上个世纪六七十年代由于日本在对计算机IC化（集成电路）到达了白热化阶段。为了使得各种功能的计算机能够特用IC来开发，日本派出嵨正利等技术员前往美国英特尔公司进行开发。1971年Intel公司的霍夫创造出世界上第一个四位微型CPU，由此微型CPU元年到来。同年霍夫和嵨正利等人共同创造了单片机原形，并定名为4004。为了解决单片机性能低这个瓶颈，全球各国芯片公司于1976年共同努力加快单片机的性能研发。主要经历三个时期第一个幼年期——SCM（单片微型计算机）就是用单片机把计算机系统芯片化做到最好，第二时期青年期——MCU（微控制器）就是可以扩展外界设备达到半自动化的水平，实现单片机微型控制设备。第三时期成年期——SoC（嵌入式系统）单片机可以独立完成控制设备系统，实现智能化。2.2.3单片机的发展趋势电子产品的功率损耗一直是一个让业界头疼的大问题,就象在一台计算机的问世时需要用到多少房间才能安放电子管。而现在数字化微型时代,如果元器件的功率降低不下来的话,单片机成品就会体积减小不下来,因此单片机的集成化微型化也就成为了空谈。后面的根据新时代需要,做到单一片芯片集成如脉冲发生器、A/D转换器D/A转换器和各种类型的显示驱动器等在各家研发的同时也有百花争鸣,并研制出了拥有自身特点的单片机,以增加产品的实用价值和功能性随着现在发展势头越来越强劲的物联网技术发展,从小型的可穿戴式产品到更大规模的工业机器人。已经涵盖了人类的日常生活,而产业升级也就一步之遥近在咫尺。2.2.4单片机的应用在我们日常生活中可以经常看见单片机的身影，比如说遥控器、电视机、洗衣机等等都存在单片机的使用。正是有了单片机的加持，才使得我们的生活更加的美好。特别是2019年底的新型冠状肺炎突如其来,让中国陷入全民隔离的程度。这时手持式红外体温测温仪起到了很大的作用,就是用单片机演化而来的让测量体温无需在人员之间亲密接触和过长的时间等待。让防疫过程更加迅速安全,还有无人机高楼层的远程测温度和远程监控。也是在无人机上加装单片机和相应传感器的模块从而实现的，让我们的工作更加方便和高效。单片机的应用还有许许多多方面数不胜数,让我们的数字化科技时代一代比一代更加的人性化智能化。2.3设计原理本次毕业设计主要分为两大部分，第一大部分主要是交流电压的测量，第二大部分就是正弦波信号输出。用STC89C52为核心的单片机控制晶振，复位，测压，信号发生，模数转换和LCD显示等等这几个电路来实现检测交流毫伏电压数字显示和可调节频率正弦波波形的输出。2.4系统控制电路图各个电路和模块与主控板的联系，由STC89C52芯片控制整个单片机系统的运行。如下图2-15所示图2-15系统控制电路图2.5各模块介绍2.5.1单片机最小系统单片机最小系统明确地说，就是一个能正常工作的单片机至少要哪几个部分组成。首先单片机芯片是肯定必须要有的，作为电子产品肯定少不了电的存在，所以必须有电源提供。有了电就要激活单片机芯片来工作，为了单片机能开始和平稳的工作就需要晶振来提供“心跳”。单片机工作肯定少不了会出现各种各样的故障，这时候我们就需要重启一下恢复单片机回到原始状态，保证工作的继续进行。至少需要拥有单片机芯片，电源，复位，晶振这四大电路才能称为单片机最小系统。图2-16单片机最小系统2.5.2按键模块按键模块是由六个轻触按键组成，分别代表0.1-2v、2-20v、20-100v、正弦波输出、频率加和频率减功能状态。每个按键单独串联到主控芯片对应的引脚，每个按键通过单片机程序的编写，当有按键按下发生电平改变时，单片机做出与之对应的功能。图2-17按键模块2.5.3电压测量模块本次设计的电压测量模块，原来准备用有真效值转换芯片来直接得出测量结果，但是真有效值模块的型号层出不穷价格贵而且后期调试门槛高。于是选择简单的用输入待测电压经过三个大功率电阻分压，量程输入通过控制两个继电器来改变电路，分别对应不同的量程，由A/D模块采集信号，后期用固定算法算出电压值。图2-18电压测量模块2.5.4信号发生模块由于设计要求输出可预制频率的不失真正弦波信号，所以选用独立的波形发生器来实现。数字毫伏表选用直接数字式频率合成器来产生可调节频率的波形发生器，因为采用DDS技术的电路是在数字域里工作，当有频率控制字发生改变所输出的波形频率也随之变化。并且此次使用的AD9833芯片完全集成了DDS技术波形发生系统，可以通过编程来预制所要输出的波形。大大减少模拟电路所需要的调试的麻烦和占用空间的问题，并且能够达到功率低，效果好，精确度高的特点。给单片机系统的一体化提供了良好方案，使得输出的正弦波更加稳定而且不失真。AD9833芯片连接单片机在通过由LM358运放组成的放大电路输出可控正弦波信号。图2-19信号发生模块2.5.5晶振模块为了使得机器能够同步工作，单片机的元器件都是以时钟频率为基准来同步运行，只有按照统一的时间标准才能步调一致。时钟电路的好坏直接影响到单片机运行的速度，单片机系统的稳定性还取决于时钟电路的质量。STC89C52内部含有振荡电路，需要接相对应的11.0592兆赫兹的晶振作为起震源，再并联2个三十PF的电容就可以形成一个完整的晶振电路。图2-20晶振电路2.5.6复位电路复位就像计算机电脑重启功能一样，使电路恢复到原来设置初始值。复位电路是为了保障单片机系统中的电路更加安全靠谱的运行，复位模块有两部分组成分别是上电复位与按键复位(1).上电复位:就是数字显示交流毫伏表刚刚开机通电时，系统恢复原始状态，(2)按键复位:通过按键的按下使得单片机系统回到最初开机状态。复位模块是由一个按键并联在单片机RST接口由电容和电阻串联复位电路组成的。图2-21复位模块2.5.7模/数转换电路本次设计的是数字显示交流毫伏表。就是要将检测到的模拟信号转变为数字信号显示在LCD液晶屏幕上。半导体巨头德州仪器出品的TLC1549模数转换器，该芯片翻译速度快而且准确率高，读取数据显而易见，在10位模数转换芯片中售价感人。使得检测交流电压更加高效。由分压网络得到的电压再由TL431作为基准，给TLC1549模数转换模块采集和翻译模拟信号通过单片机给液晶屏显示。图2-22模数转换模块2.5.8液晶显示模块本系统所采用的是单片机中需要显示数字或者符号最常用的LCD1602液晶显示器，它比数码管显示更加的直观。数字显示效果突出，有效的提高了简易数字显示交流毫伏表的实用性。该显示屏性价比高，显示效果好，功耗低非常适用于各种数字式电表。图2-23液晶显示模块3软件设计3.1KeiluVision5的软件设计KeiluVision5是一款编程软件，现在被英国ARM公司所收购。本次毕业设计用的是51系列的单片机，KeilC51正好是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，主要是在我们常用的Windows系统中运行。Keil是单片机系统编译程序的首选软件，相比其他编程软件有着难以超越的优点。编程前先要设计一下系统框图，有了总体思路编写程序才能井然有序。设计流程图如图3-1所示图3-1设计流程图有了流程图的思路就清晰明了编译程序会方便很多，主要难点就是对C语言掌握不够熟练，所以在编写的时候老是英文大小写没注意，还有空格与回车的地方格式不对导致老是报错，有时候那个小数点是中文还是英文下打出来的都会影响程序的正确性。按照编写流程先写头文件，函数声明，定义全局变量接着写延迟函数到编写按键程序，然后是最复杂的部分了，就是编写主函数部分了，因为系统要采集交流电压通过逻辑计算出最大值，再编写逻辑函数得出有效值。最后其它几个子模块的程序也编写好就得到.hex的文件保存出来。程序如附录3.2AltiumDesigner的软件设计AltiumDesigner一款画图软件，是绘制整体的集成电路的拳头软件，简称AD制图。在我们第一个学期学习单片机时有系统教过如何使用，但是课后没有加强温习基本上都还给老师了。在AD上绘制出电路原理图才能在实物接线上有参考标准来连接，合理的排列元器件减少遗漏。由于对软件的不熟悉导致很多的元器件要下载资料包才有，然后备注跟标识花费了大量的时间来慢慢摸索。中途都有想用CAD来画图的念头，实在是太麻烦了。经过不懈努力还是把原理图给设计出来了。本来还想着一步到位把PCB电路也直接弄出来，之后直接把元器件接上就可以了。奈何没有深厚的功底，PCB制版没有成功，最后只能用万用板来连接实物。设计原理图如图3-2所示图3-2原理图3.3烧录软件ISP-STCv6.79一款下载编程的软件，就是把Windows系统编写的单片机程序拷贝到单片机系统里。让单片机运行所编程的程序，实现对应的功能。图3-3烧录软件4系统调试与分析首先说明一下简易数字显示交流毫伏表的测量电压部分具体结构选用47k+4.7k+1k的大功率电阻分压网络，分为3个量程分别为0.1-2v、2-20v、20-100v。将被测最高值设为100v，用高阻抗将电压分压降到2v以下。由于电路中芯片只能检测2.5v及以下的电压，将参考电压值设置为2.5v，稳压源TL431芯片所产生参考基准电压。每次选择相对应的量程，由两个继电器分配分压网络通过电阻一步步减压到2v左右给模数转换芯片采集翻译。经过多次采集信号用算法取出电压Vmax（最大值）然后用电压Vmax除以根号二得出的结果就是所测电压的有效值,有效值通过单片机由液晶屏显示。10位AD转换器的分辨率为1023，用参考电压2.5乘以电阻总和得到理论上可测量电压值为130v左右对本次测量100毫伏到100伏交流电压有富余。如图4-1是手绘计算测量交流电压计算公式。图4-1测量电压公式原理图数字毫伏表主要部分已经梳理清楚，就在要制作实物电路的时候遇到前所未有的挫折。在好不容易画好AD原理图的情况下想顺便把PCB制图一起做出来，但是我把问题想得太简单，按照原理图画PCB对我来说实在是难上加难，花费大量时间任然不得要领，只好求求助老师和同学的帮忙。终于在同学的指导下完成了PCB的主体绘制，由于学校没有制做PCB板的条件只能网上叫人代工，然后邮寄过来把元器件焊接上。在调试过程中始终不能点亮系统，不断排查线路和通过飞线还是不能解决问题。多方求助无果，由于水平太低只能推翻从来简化电路，用最原始的万用板来连接线路。在把元器件一个个从PCB板上用电烙铁加热焊盘取下来，电烙铁温度不能过高以免损坏元器件，期间还需要不断用海绵和酒精清洁电烙铁的焊接头保证焊锡能用吸锡器清理干净，避免残留在引脚上容易造成虚焊。小心翼翼把元器件移植万用板上，仔仔细细的在把线路检测一遍看一下有没有错漏，然后用万用表测量元器件的各个引脚通断情况。确认无误后，上电连接电脑准备烧录程序。但是新的问题又出现了，接口老是检测不到，来来回回检查电路没有短路或者错接和漏接情况。后来在请教同学后，经过查找相关资料发现用万用板接的电路使用的电源不良会导致滤波不稳定的情况。于是在供电接口增加两个电容来提供稳定性。然后连接电脑握手成功，看着LCD亮出久违的字母心理激动万分。测量交流电需要不断的采集数据，用高精度万用表一遍对比数据。一遍遍的校对得到误差相对较小的值，圈定逻辑函数修改程序。调节正弦波信号输出方面相对顺利，按照教程编写好代码然后调节滑动变阻器，慢慢得到清晰稳定的正弦波波形。通过调整代码得到初始值为1000hz，vpp为1v，按键修改频率步进为10hz，太大容易失真。实物图如图4-2所示图4-2实物图到这里数字交流毫伏表的调试基本完成，为了防止静电和按压对背面的焊盘和排线造成伤害我涂上了热熔胶，起到缓冲固定和保护电路的作用。以下是我设计的简易交流毫伏表的使用说明：1.按键选择功能模式①:0.1-2v ②:2-20v③:20-100v④:正弦波输出⑤:频率加⑥:频率减2.输入待测电压经过三个大功率电阻分压，分别对应不同的量程，量程输入通过控制两个继电器选择。3.当确定好量程后，单片机控制TLC1549进行采集，并将采集数据转化为待测电压值。4.连续采集100次后，利用算法正在找出最大值。5.交流电压有效值等于最大值除以根号2。6.有效值通过LCD1602显示。7.判断是否超出量程，超出后，闪屏。8.当功能选择正弦输出时。单片机控制AD九八三三输出预制的正弦波。9.LM358进行正比例放大，放大到1V。10.正弦波频率利用两个按键进行加减调节。11.正弦波频率通过LCD1602显示。图4-3到4-5实物功能展示。图4-3正弦波初始频率图4-4正弦波频率调节图4-5测量交流毫伏电压5总结与展望5.1总结本文主要介绍了简易数字显示交流毫伏表设计与制作的过程。第一次通过自身的努力制作完整的单片机作品。虽然和很多成熟的相关作品设计来说，显得那么的稚嫩。但是属于初次设计还是有非常大的进步空间。通过本次设计我对交流毫伏表有了更加深刻的认识，并能够对单片机开发不脸红的说开始入门了。这次设计暴露出很多问题，主要是在软件方面不够熟悉，导致在PCB绘制过程中无能为力。加上编程上还主要是通过教程上完整的代码拷贝后进行更改才完成的，独立编写代码的能力还没有还需要更加的努力学习。在选用硬件方面，对元器件知之甚少要不断的对比学习才能基本掌握其性能，在电路系统中还需要更加扎实的功底才能够理解通透。遇到问题还是只能依赖他人帮助和网上搜索不能独立解决，这个是能力不足的表现。这个数字显示交流毫伏表虽然说能够基本上实现设计要求，但是在交流毫伏电压测量方面误差还是稍微偏大，在精准度方面还有很大的提升。我还需要继续努力学习基础知识，才能够有更大的发展空间。5.2展望在本次的设计上的不够自信所以采用方案三，如果有PCB电路板加持，电路会更加扁平化工整电路板的体积会进一步的缩小。简易数字显示毫伏表还可以实现智能自动量程转换和精度更加高，但是水平有限和财力不够所以没能实现。数字显示毫伏表经过一代代的不断升级改进，体积更加的轻巧简便，功能更加智能的啦，更重要的是测量会更加的准确，能记录数据。将来