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1 引言
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DVM,它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。
最近的几十年来,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也有了巨大的进步,从而促使了数字电压表的快速发展,并不断出现新的类型。数字电压表从1952年问世以来,经历了不断改进的过程,从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化(IC化),另一方面,精度也从0.01%-0.005%。
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/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换,控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理,最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。
2 设计总体方案
2.1设计要求
⑴以MCS-51系列单片机为核心器件,组成一个简单的直流数字电压表。
⑵采用1路模拟量输入,能够测量0-5V之间的直流电压值。
⑶电压显示用4位一体的LED数码管显示,至少能够显示两位小数。
⑷尽量使用较少的元器件。
2.2 设计思路
⑴根据设计要求,选择AT89C51单片机为核心控制器件。
⑵A/D转换采用ADC0808实现,与单片机的接口为P1口和P2口的高四位引脚。
= 3 \* GB2 ⑶电压显示采用4位一体的LED数码管。
= 4 \* GB2 ⑷LED数码的段码输入,由并行端口P0产生:位码输入,用并行端口P2低四位产生。
2.3 设计方案
硬件电路设计由6个部分组成; A/D转换电路,AT89C51单片机系统,LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。
时钟电路 复位电路
时钟电路
复位电路
A/D转换电路
测量电压输入
显示系统
AT89C51
P1
P2
P2
P0
3 硬件电路设计
基于单片机的数字直流电压表硬件电路原理图如图2所示。
图2 简易数字电压表电路图
此电路的工作原理是:+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC0808的IN0通道进入(由于使用的IN0通道,所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平),经过模/数转换后,产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P1口,AT89C51负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LED,同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外,AT89C51还控制ADC0808的工作。其中,单片机AT89C51通过定时器中断从P2.4输出方波,接到ADC0808的CLOCK,P2.6发正脉冲启动A/D转换,P2.5检测A/D转换是否完成,转换完成后,P2.7置高从P1口读取转换结果送给LED显示出来。.
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Proteus软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
4.1 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/D转换子程序和显示子程序,这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序,如图3所示。
开始
开始
初始化
调用A/D转换子程序
调用显示子程序
结束
图3 数字式直流电压表主程序框图
4.2 系统子程序设计
4.2.1 初始化程序
所谓初始化,是对将要用到的MCS_51系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。
4.2.2 A/D转换子程序
A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量,并将对应的数值存入相应的内存单元,其转换流程图如图4所示。
开始启动转换
开始
启动转换
A/D转换结束?
输出转换结果
数值转换
显示
结束
图4 A/D转换流程图
4.2.3 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LED显示的比较均匀,又有足够的亮度,需要设置适当的扫描频率,当扫描频率在70HZ左右时,能够产生比较
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