基于单片机的数字电压表设计

1、本科毕业(设计)论文基于单片机的数字电压表的课题设计学校电子信息工程专业通信工程学生姓名XXXXXX学校编号XXXXXXXXXXX讲师XXX职称高级工程师2013年12月20日基于单片机的数字电压表设计专业：通信工程。XXXXXXXXXXXXXXXXXXX学生：XX讲师：田在工业生产和控制中，经常需要采集0-16V的多点电压值来完成后续工作。因此，测量多点高量程电压是非常必要的。本设计主要采用AT89S51单片机、模数转换器TLC2543、继电器、基准电压源和液晶显示器LCD1602设计一个多点数字电压表。在此设计中，输入0-16V DC电压分为高和低测量范围进行测量。待测模拟电压默认输入高量

2、程电路，通过单片机编程实现多路模数转换的选通和存取。将转换结果与设定值进行比较，以控制继电器自动切换高低压测量范围。转换结果经单片机处理后，通过1602液晶显示屏显示三个测量电压值。该设计最终可实现0-16V DC电压三通道的测量和显示，并能自动改变测量范围，误差小于0.05伏。可用于工业生产控制，实时监控生产，并在出现异常时提醒相关人员采取措施。关键词：数字电压表；多点测量；AT89S51模数转换器基于单片机的数字电压表设计专业：通信工程学生人数：4学生：李平监考老师：田摘要：在工业生产和控制中，采集0-16伏多点电压值是完成这项工作不可缺少的。因此，多点高量程电压测量是必要的。多点数字电压

3、表的设计主要由单片机AT89S51、模数转换器TLC2543、继电器、基准电压源和1602液晶显示器组成。在这种设计中，0-16V直流(DC)输入电压将分为两个范围较高和较低。然后，将待测模拟电压作为高量程电路的默认接入，通过单片机编程实现多路模数转换器TLC2543的选通和接入，最后将转换结果与设定值进行比较，控制继电器实现高低压量程的自动切换。通过单片机的计算和处理，被测三路电路将显示在液晶显示器上。该设计最终实现了三个0-16V DC电压的测量和显示，并能自动改变量程。此外，误差将小于0.05伏。多点数字电压表的可用性提供了对生产的实时监控，并通知工人在工业过程中发生紧急情况时立即采取行

4、动。关键词：数字电压表；多点测量；AT89S51模数转换器内容导言11.1数字电压表简介11.1.1数字电压表1的特性1.1.2数字电压表2的研究现状及发展趋势1.2数字电压表研究的目的和意义22.设计方案32.1本次设计研究的主要内容32.2设计指数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9的工作原理3.2.2继电器10的主要功能3.2.3继电器选择103.3模数转换器113.3.1模数转换器原理113.3.2模数转换精度133.3.3模数转换芯片的选择133.3

5、.4 TLC2543芯片143.4液晶显示器1602164.硬件电路设计194.1 Altium设计师简介194.2微控制器最低系统194.2.1时钟电路194.2.2复位电路204.3模数转换器与单片机的接口电路214.4分压和移位电路214.5显示电路224.6整体硬件电路235.软件设计和仿真245.1开发工具245.2程序流程图245.3模拟工具Proteus265.4硬件仿真275.4.1数字电压表低压模拟275.4.2数字电压表高低压档位模拟286.数字电压表的制造和调试6.1硬件制造流程296.2硬件调试过程306.3硬件调试中遇到的问题及解决方案316.4调试结果和误差分析32

6、6.4.1物理显示32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49介绍1.1数字电压表介绍随着电子技术和工业控制技术的飞速发展，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、电流和频率是三个最基本的被测量。其中，电压量的测量是最常见的，通常需要高精度地测量多点电压值。因此，多点数字电压表变得越来越重要。数字电压表(DVM)是一种使用数字测量技术将连续的模拟量(DC或交流输入电压)转换成不连续和离散的数字形式并显示出来的仪器。数字仪器因其读数准确、精度高、误差小、灵敏度高、分辨率高、测量速度快等特点而广受欢迎。1近几十年来，随着半导体技

7、术、集成电路(IC)和微处理器技术的发展，数字电路和数字测量技术取得了长足的进步，从而推动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模数转换器。它的转换精度极大地影响了数字电压表的精度。因此，未来数字电压表的发展将集中在高精度和低成本两个方面。21.1.1数字电压表的特性数字电压表(DVM)是一种自动将测量的电压模拟量转换成开关量，然后进行数字编码和解码，并以数字形式显示的电气测量仪器。其主要特点如下：(1)精度高：目前可以达到10-6个数量级，用它代替直读仪器可以大大提高测量精度；(2)高灵敏度：一般可达到10微伏至1微伏，目前有10-9伏量级的仪表；(3)

8、高输入阻抗：一般高达1000兆欧姆以上，工作时零电流非常小；(4)测量速度快：采样速度通常为每秒几十到几万次，甚至高达一百万次；(5)准确读数：由于是数字显示，读数准确，可消除人为读数误差；(6)使用方便，应用广泛：启动、预热、预置后即可使用，并可与相应的转换器配合使用，测量交流电压、DC电流、电阻、温度等参数。31.1.2数字电压表的研究现状及发展趋势NLS于1952年首次发明了数字电压表。此后，数字电压表得到了不断的改进和完善。数字电压表是从电位器的自动化过程中成功研制出来的。开始时用4位数码管显示，然后用5位和6位显示，现在发展到7位和8位数字显示。从最初的一两种类型到几十种不同原理的类

9、型；从一台仪器只能测量1-2个参数到几十个参数。显示设备也从发光数码管发展到等离子管、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，重量越来越轻，价格越来越低，可靠性越来越高，量程越来越大。随着数字电压表的迅速发展，它已经成为实现测量自动化和提高工作效率不可缺少的工具。随着现代技术的不断发展，数字电压表的功能和种类将越来越多，应用范围也将越来越广。采用智能数字仪器也将是一种必然趋势，它不仅可以提高测量精度1.2数字电压表研究的目的和意义数字电压表(DVM)是一种利用数字测量技术将连续的模拟量(DC输入电压)转换成不连续和离散的数字形式并显示出来的仪器。数字电压表可分为输入部分、模数

10、转换部分和显示部分4。主要涉及单片机和模数转换芯片的应用。通过对基于单片机的数字电压表的研究，了解了51系列单片机的功能和特点，学习了单片机的基本知识和基于单片机设计相关产品的基本思想和方法，进一步巩固了单片机的编程，从而更好地理解模数转换的工作原理、实现方法和过程及其应用。传统的指针式电压表功能单一，精度低，不能满足当今数字处理的需要。采用单片机的数字电压表具有精度高、分辨率高、功耗低、抗干扰能力强、可扩展性强、便于集成和与PC机实时通信等优点。目前，数字电压表已广泛应用于工业自动化仪表、自动测试系统、电子电气测量等智能测量领域，并显示出强大的生命力。与此同时，各种通用和专用的数字仪器仪表也

11、由它们发展而来，将电和非电的测量技术提高到了一个全新的水平。同时，数字电压表是许多数字仪器的核心和基础。以数字电压表为核心，可扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表和各种非电数字仪表(如温度计、湿度计、酸度计、测厚仪等)。)，涵盖电子、工业测量、自动化仪器等各个领域。因此，设计一种结构简单、工作可靠、灵活性好的基于单片机的数字电压表具有重要意义。2设计方案2.1本次设计研究的主要内容本设计基于数字电压表的设计，数字电压表是以单片机和模数转换为核心的电压测量系统。主要有三层结构：控制模块、模数转换模块和显示模块。本设计主要研究以下内容：(1)了解DC数字电压表的基本概念，熟悉多点电压测量的实现方法

12、；熟悉DC数字电压表的结构、实现方法和原理；(2)了解单片机的结构和各部分功能的应用；(3)了解模数转换的原理和实现方法；(4)学习Protel、Keil、Proteus等工具；(5)学习分压电路的设计和应用；(6)学习自动换挡的原理和实现方法；(7)熟悉软件编译和调试过程。2.2设计指标电压表在日常维护、教学和科研中是不可缺少的。传统的数字电压表设计通常是以大规模集成电路为核心器件，辅以少量的中型集成电路和显示器件。然而，这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新和扩展，不能满足日益发展的电子工业的要求。以微处理器(单片机)为核心单元设计的数字电压表灵活性高，读数准确方便，系统功能扩展简单，性能稳定可靠。本设计的目的是基于单片机设计一种结构简单、工作可靠、灵活性好、量程大的多点DC数字电压表。具体指标如下：(1)数字电压表可以测量三路电压值；(2)数字电压表的测量范围为0-16V；(3)数字电压表的读数通过液晶屏显示；(4)数