數(shù)字電壓表的設(shè)計與實現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u16469摘要 3313501概論 423101.1研究背景 4250001.2研究現(xiàn)狀 4228491.3研究目的 86861.4研究內(nèi)容 9224472系統(tǒng)方案設(shè)計 1079372.1系統(tǒng)總體設(shè)計 1019132.2設(shè)計方案論證與選擇 1177972.2.1數(shù)字電壓表的設(shè)計方案 1113532.2.2輸出顯示 11139892.2.3單片機的選擇 11300772.2.4A/D轉(zhuǎn)換模塊的選擇 12294053系統(tǒng)硬件分析 13299393.1單片機主控模塊的設(shè)計 13185013.1.1AT89S52單片機介紹 13105013.1.2單片機最小系統(tǒng) 14793.2信號處理電路設(shè)計 15124773.2.1過壓保護電路 15214403.2.2比較器和繼電器 1621153.2.3工作過程 1689023.3數(shù)據(jù)采樣模塊設(shè)計 17146053.3.1ADC0809轉(zhuǎn)換芯片的介紹 17232873.3.2A/D轉(zhuǎn)換電路 18175123.4顯示電路設(shè)計 19251463.5電源電路設(shè)計 20254104系統(tǒng)程序設(shè)計 21219814.1編程語言的選擇 21198174.2系統(tǒng)主程序流程 21100804.3信號處理電路流程 2229684.3ADC0809采樣流程 23114694.4OLED液晶流程圖 24130595系統(tǒng)調(diào)試 26103845.1系統(tǒng)調(diào)試過程 2677555.2實物展示和調(diào)試結(jié)果 27115535.2.1實物展示 2758855.2.2調(diào)試結(jié)果與誤差分析 2789666總結(jié)與展望 30153606.1總結(jié) 30112646.2展望 305293參考文獻 3232096附錄 3419319附錄一、原理圖 3416829附錄二、源程序 35

摘要在電路設(shè)計上，我們常常使用電壓表來測量數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的電壓測量儀表大多數(shù)都采用的是模擬式，這樣的電壓表在測量數(shù)據(jù)的時候會比較慢。因此，為了盡量減少測量的誤差，加快電壓表的測量速度，數(shù)字電壓表就這樣誕生了。它打破了傳統(tǒng)的數(shù)字電壓顯示儀表的局限性，并且采用技術(shù)水平較高的方式進行數(shù)字顯示。讀數(shù)準(zhǔn)確、清晰、美觀，它的誤差比較小，其讀數(shù)的準(zhǔn)確性、靈敏度以及分辨率都比較高。本設(shè)計是基于單片機開發(fā)平臺和自動控制原理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的一種數(shù)字電壓表系統(tǒng)。它主要是以單片機作為控制核心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來對被檢測得到的電壓進行數(shù)字化采樣，并利用穩(wěn)壓二極管作為其中的過壓保護，然后通過一個模擬開關(guān)來實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，最后就是利用OLED顯示屏來顯示被檢測得到的電壓。它的主要特點之一是它可以檢測0~5V和0~51V的直流輸出電壓（最小誤差為50mV）；同時也具有超量程報警功能。關(guān)鍵詞：單片機；模數(shù)轉(zhuǎn)換；OLED顯示；數(shù)字電壓表1概論1.1研究背景隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，測量工具和儀器的技術(shù)要求也越來越嚴(yán)格。在集成電路中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量的物理量，其中最常見的就是電壓測量，而且往往還需要使用測量精度相對較高的電壓，因此在很多時候，數(shù)字電壓表已經(jīng)變得越來越普遍了，而且越來越多地需要使用這些測量精密的儀器。數(shù)字電壓表(DigitalVoltmeter)簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字信號并加以顯示的儀表。由于這種新型的數(shù)字化檢測儀器在進行設(shè)計過程中具有讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏性強、分辨率高、測量速度快等優(yōu)點，所以被廣大用戶所重視。數(shù)字電壓表正是在這種市場需求下被設(shè)計出來的，它已經(jīng)是一種不可或缺的工業(yè)電子電壓測量標(biāo)準(zhǔn)儀器。1.2研究現(xiàn)狀1952年，美國的一家電力公司首次設(shè)計并制造了第一臺數(shù)字電壓表。在進入蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)，數(shù)字式電壓表已經(jīng)取得了長足的技術(shù)進步與改善。最初的數(shù)字電壓表是由電位器自動進行電壓計算和測量的過程中逐漸地發(fā)展而來。一開始的這種新型數(shù)字電壓表主要由4位的數(shù)碼管來進行顯示，到后來是5位和6位，如今已經(jīng)逐步地發(fā)展為7位和8位，甚至更多位的顯示；由一種或兩種的工作類型，發(fā)展至幾十種不同原理的工作類型；從最初的繼電器和微處理器中使用的電子管到后來的整流式全晶管、集成電路和微處理器；從一個簡單的測量儀器僅僅是能夠準(zhǔn)確地計算出一至兩個的參數(shù)，到現(xiàn)在它擁有幾個參數(shù)，顯示裝置也從一個簡單的數(shù)碼管擴充為一個等離子管、發(fā)光二極管、液晶顯示器等。除此之外，數(shù)字電壓表的重量和功率損耗也正逐漸降低，而且價格也正逐步下調(diào)，可靠性也越來越高，范圍正逐步擴大。現(xiàn)在數(shù)字電壓表完全可以用來替代傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，高精度直流的出現(xiàn)將使得數(shù)字電壓表進入慎密標(biāo)準(zhǔn)計算機的測量領(lǐng)域，使得數(shù)字電壓表的測量功能將會越來越強，種類也越來越多，它的應(yīng)用范圍將愈來愈廣泛，提高了電路測量技術(shù)水平和工作人員的工作效率。1.數(shù)字電壓表的特點（1）顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免的會引入人為的測量誤差。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳讀現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。新型數(shù)字電壓表還增加了標(biāo)志符顯示功能，包括測量項目、符號單位和特殊符號、為解決DVM不能反映被測電壓的連續(xù)變化過程以及變化趨勢這一難題，一種"數(shù)字/模擬條圖"儀表業(yè)已問世。"模擬條圖"（AnalofBargraph）有雙重含義：第一，被測量為模擬量；第二，利用條狀圖形來模擬被測量的大小及變化趨勢。這類儀表將數(shù)字顯示與高分辨率模擬條圖顯示集于一身，兼有DVM與模擬電壓表之優(yōu)點。智能數(shù)字電壓表均帶微處理器和標(biāo)準(zhǔn)接口，可配合計算機和打印機進行數(shù)據(jù)處理或自動打印，構(gòu)成完整的測試系統(tǒng)。（2）顯示位數(shù)顯示位數(shù)通常為31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9種。判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：①能顯示0～9所有數(shù)字的位是整數(shù)位；②分?jǐn)?shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時最高數(shù)字作分母。例如，某數(shù)字儀表的最大顯示值為1999，滿量程計數(shù)值為2000，這表明該儀表有3個整數(shù)位，而分?jǐn)?shù)位的分子為1，分母是2，故稱之為31/2位，讀作三位半。（3）準(zhǔn)確度高準(zhǔn)確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。（4）分辨率高數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱為儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率為1/1999≈0.05％。需要指出，分辨力與準(zhǔn)確度屬于兩個不同的觀念。從測量角度看，分辨力是"虛"指標(biāo)（與測量誤差無關(guān)），準(zhǔn)確度才是"實"指標(biāo)（代表測量誤差的大小）。（5）測量范圍寬多量程DVM一般可測量0～1000V直流電壓，配上高壓探頭還可測上萬伏的高壓。（6）擴展能力強在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，還可擴展成各種通用及專用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表（DMM）和智能儀表，以滿足不同的需要。（7）測量速度快數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)，叫測量速率，單位是"次/S"。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，其倒數(shù)是測量周期。（8）輸入阻抗高數(shù)字電壓表具有很高的輸入阻抗，通常為10MΩ～10000MΩ，最高可達1TΩ。（9）集成度高，微功耗新型數(shù)字電壓表普遍采用CMOS大規(guī)模集成電路，整機功耗很低。（10）抗干擾能力強51/2位以下的DVM大多采用積分式A/D轉(zhuǎn)換器，其串模抑制比、共模抑制比各別可達100dB、80～120dB。高檔DVM還采用數(shù)字濾波、浮地保護等先進技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力，共模抑制比可達180dB。2.數(shù)字儀表發(fā)展趨勢采用新技術(shù)、新工藝，由LSI和VLSI構(gòu)成的新型數(shù)字儀表及高檔智能儀器的大量問世，標(biāo)志著電子儀器領(lǐng)域的一場革命，也開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測量技術(shù)的先河。（1）廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品（2）模塊化的發(fā)展方向新一代數(shù)字儀表正朝著標(biāo)準(zhǔn)模塊化的方向發(fā)展。預(yù)計在不久的將來，許多數(shù)字儀表將由標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的模塊所構(gòu)成，給電路設(shè)計和安裝調(diào)試、維修帶來極大方便。表面安裝技術(shù)（SMT）和表面安裝元器件（SMD）將獲得普遍應(yīng)用。這項技術(shù)被譽為世界電子工藝技術(shù)的一項重要突破。所謂表面安裝是將微型化的表面安裝集成電路（SMIC）和表面安裝元件，用粘貼工藝直接安裝在印刷板上，再用波峰焊接機焊接，由此取代傳統(tǒng)的打孔焊接工藝，使印刷板安裝密度大為增加，可靠性得到明顯提高。（3）多重顯示儀表為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術(shù)難題，"數(shù)字/模擬條圖"雙顯示儀表已成為國際流行款式，它兼有數(shù)字儀表準(zhǔn)確度高、模擬式儀表便于觀察被測量的變化過程及變化趨勢的兩大優(yōu)點。模擬條圖大致分成三類：①液晶（LCD）條圖，呈斷續(xù)的條狀，這種顯示器的分辨力高、微功耗，體積小，低壓驅(qū)動，適于電池供電的小型化儀表。②等離子體（PDP）光柱顯示器，其優(yōu)點是自身發(fā)光，亮度高，顯示清晰，觀察距離遠，分辨力較高，缺點是驅(qū)動電壓高，耗電較大。③LED光柱，它是由多只發(fā)光二極管排列而成。這種顯示器的亮度高，成本低，但象素尺寸較大，功耗高，驅(qū)動電路復(fù)雜。（4）安全性儀器儀表在設(shè)計和使用中的安全性，對于生產(chǎn)廠家和廣大用戶都是至關(guān)重要的問題。一方面廠家必須為儀表設(shè)計安全保護電路，并使之符合國際標(biāo)準(zhǔn)（例如美國UL認證，歐洲GS認證，ISO9001國際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量認證）；另一方面用戶必須安全操作，時刻注意儀表上的各種安全警告指示。儀表的保護電路在于最大限度的減小或防止因誤操作而造成的危害。以DMM為例，常見的誤操作是用電流檔或電阻檔去測量電壓。（5）操作簡單化1.3研究目的通過對這個課題的深入研究，我們可以更加清楚地了解到52系列數(shù)字電壓表的一些主要功能和原理特點，學(xué)習(xí)了一些基礎(chǔ)性的單片機知識以及一些與這些單片機相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)性思路和操作技術(shù)，使我在實際操作中也有了更深刻的經(jīng)驗和認識，另外我還對C語言的編程也有了一定的認識和了解，并且更加清楚地掌握了A/D轉(zhuǎn)換的原理、方法、過程和應(yīng)用。1.4研究內(nèi)容根據(jù)課題的要求和設(shè)計思路，對數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計方案進行論證，確定以AT89C52單片機為主控芯片，電源電路、信號處理電路、模數(shù)采樣電路、顯示電路為主構(gòu)成硬件電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流0~5V的測試和直流0~51V的測試，另外有當(dāng)超量程時顯示屏?xí)@示alarm：YES的字樣的報警功能。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)總體設(shè)計該系統(tǒng)是一種基于單片機及其自動控制原理的多功能數(shù)字式電壓表系統(tǒng)。它主要包括單片機、ADC0809采樣電路、信號處理電路、顯示模塊及電源等部分。以單片機為主要的控制芯片，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器工具作為一個數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，實現(xiàn)對被檢測電壓的數(shù)據(jù)采樣；采用穩(wěn)壓二極管作為過壓保護；用比較器和繼電器作為模擬開關(guān)，實現(xiàn)對量程自動轉(zhuǎn)換；字符液晶屏OLED顯示器是用來顯示被檢測到的電壓。它可以測試0~5V和0~51V的兩個量程范圍內(nèi)的直流電壓，其最小誤差是50mV。另外，當(dāng)它超出范圍時，顯示屏?xí)@示報警。電源模塊為整個電路提供電源支持。設(shè)計框圖如圖2-1所示。圖2SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)設(shè)計框圖2.2設(shè)計方案論證與選擇2.2.1數(shù)字電壓表的設(shè)計方案方案一：由數(shù)字電路及芯片構(gòu)建成的系統(tǒng)。方案二：由一個單片機系統(tǒng)和一個A/D信號轉(zhuǎn)換器兩個芯片模塊組成的控制管理系統(tǒng)。通過對兩種選擇方案進行對比和分析我們可得：基于單片機的數(shù)字電壓表可控制性較強，能夠精確顯示，應(yīng)用范圍廣；而由數(shù)字電路組成的數(shù)字電壓表靈活性不夠，不易控制，而且應(yīng)用范圍很受限制，誤差存在較大，所以選擇方案二作為數(shù)字電壓表的設(shè)計方案。2.2.2輸出顯示方案一：選用數(shù)碼管顯示，只顯示數(shù)字。方案二：可以選擇OLED數(shù)字顯示屏幕來進行數(shù)字顯示，它的整個屏幕上可以同時顯示和輸出多種語言數(shù)字、文本、漢字、符號、圖形。通過這兩種方案的比較，方案一顯示的太過于單一，且使用的數(shù)碼管有點多。方案二可以顯示電壓的有效值，簡單方便，可以使數(shù)據(jù)更有準(zhǔn)確性，成本更低，發(fā)光效率好，所以選擇方案二作為被設(shè)計的顯示輸出。2.2.3單片機的選擇方案一：Intel公司MCS-51單片機。方案二：Atmel公司AT89S52單片機。通過對兩種單片機的比較，AT89S52單片機對比MCS-51單片機來說功耗更低但性能卻更高，更袖珍尺寸的芯片致使整體的硬件電路具有更小的體積更容易設(shè)計，另外較低的價格、更加穩(wěn)定的性能也是它的優(yōu)點。具有8k節(jié)的字節(jié)容量可反復(fù)進行擦寫的flashROM、4組8位的高速可編程模擬I/O輸入接口等等，這些配置可以很好的滿足此次設(shè)計對測量和控制的要求。所以本次設(shè)計我們選擇AT89S52單片機。2.2.4A/D轉(zhuǎn)換模塊的選擇方案一：采用ICL7101型三位半顯示的芯片。方案二：采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片。通過對兩種選擇方案進行對比和分析可得：ADC0809是一種主要屬于逐次轉(zhuǎn)換比較型的高頻A/D信號轉(zhuǎn)換器，這種類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換信號速度快、分辨率高外，還有成本低廉、價格便宜等特點。ADC0809是用單一多通道模擬量進行輸入，8位數(shù)值和數(shù)字量分別進行輸出的功能A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的時間限制為100μs，輸入的電壓范圍控制在5V左右，具有一個參考電壓的輸入端，內(nèi)部包括一個帶有時鐘信號的發(fā)生器，不需要校零，而且ICL7107數(shù)字電壓表數(shù)字跳變不穩(wěn)定，誤差比較大，所以選擇ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。3系統(tǒng)硬件分析3.1單片機主控模塊的設(shè)計3.1.1AT89S52單片機介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52單片機實物圖和引腳圖如圖3-1所示。圖3-1AT89S52單片機實物圖與引腳圖3.1.2單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)，即一個可工作的單片機系統(tǒng)用的是最少的元件，它也可以叫做最小應(yīng)用系統(tǒng)。定義中的51單片機最小系統(tǒng)包括：單片機、時鐘電路、復(fù)位電路。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3-2所示。時鐘脈沖電路：這種新的時鐘脈沖控制電路一般能夠給整個單片機系統(tǒng)帶來一定的時鐘脈沖。圖3-2中可以看出18和19引腳連接時鐘電路的兩端。我們使用兩個33pF電容器，幫助晶體振蕩器電路輸出穩(wěn)定的脈沖，達到極佳的濾波效果。復(fù)位電路：復(fù)位電路類似于手機的強制重啟功能，如果一臺在使用中遇到屏幕失靈或者黑屏死機，長按開機鍵數(shù)秒便會執(zhí)行手機重啟操作，手機程序從頭進行。在圖3-2中可以看到，單片機的第9號引腳接著整個復(fù)位電路，主要是由一個10uF的電容和10KΩ的電阻并聯(lián)構(gòu)成。其主要原理是當(dāng)單片機系統(tǒng)開始通電，在系統(tǒng)啟動時會進行一次復(fù)位，即上電復(fù)位。同時程序也會從頭進行。圖32單片機最小系統(tǒng)電路圖3.2信號處理電路設(shè)計信號處理電路主要有過壓保護電路、比較器和繼電器組成。信號處理電路圖如圖3-3所示。3.2.1過壓保護電路過壓保護也叫過電壓保護，是當(dāng)電壓超過預(yù)定的最大值時，使電源斷開或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護方式。本次電壓表中的過壓保護電路采用穩(wěn)壓二極管來制成的穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件，因為這類二極管是利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象而制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。3.2.2比較器和繼電器1、比較器比較器的主要工作原理就是兩個輸入端之間的電壓如果經(jīng)過零時就會導(dǎo)致輸出的運行狀態(tài)發(fā)生變化，由于輸入端有時候也可能會出現(xiàn)一個很小的輸入電壓，而這些輸入電壓也可能會直接引起比較器的輸出發(fā)生變化，為了避免這種情況，新型的比較器通常需要具有幾毫伏的滯回電壓。例如，當(dāng)“+”輸入端的電壓遠遠大于“-”輸入端時，該比較器就會輸出一個高電平，反之輸出低電平。2、繼電器繼電器是一種具有隔離和保護功能的一種自動開關(guān)元件，當(dāng)輸入和回路中電壓變化大于規(guī)定值時，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出和回路中電壓變化進行自動控制。它的工作原理主要是利用負載回路所產(chǎn)生的電磁吸力，通過一種機械方式來傳遞，帶動整個回路之間的閉合，從而促進負載回路的工作。3.2.3工作過程在圖3-3中是用比較器和繼電器當(dāng)作模擬開關(guān)來實現(xiàn)了輸入量程的自動轉(zhuǎn)換。首先對輸入電壓進行一個分壓，而這個分壓是通過1MΩ的電阻和100KΩ的電阻串聯(lián)來實現(xiàn)的，然后進入比較器“+”的輸入端，而流入“-”的輸入端的是+5V的固定電壓通過1MΩ的電阻和100KΩ的電阻串聯(lián)而形成的電壓，當(dāng)一個比較器的“+”輸入超過“-”的輸入端時，比較器會輸出一定的高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器與下面的引腳進行契合，然后將其構(gòu)成回路，把V_H的電壓傳送到采集芯片，也就是說實現(xiàn)了一個大量程的轉(zhuǎn)換；反之，當(dāng)比較器輸出一個低電平，三極管就不會導(dǎo)通，繼電器與上面的引腳契合，這樣繼電器就會接收到輸入電壓通過220KΩ和1MΩ的電阻串聯(lián)分壓所產(chǎn)生的V_L電壓，然后送入采集芯片，這樣就選擇了0-5V的量程。圖33信號處理電路圖3.3數(shù)據(jù)采樣模塊設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊主要由ADC0809芯片組成。3.3.1ADC0809轉(zhuǎn)換芯片的介紹ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。其中每路A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的運行時間大約為100μs，模擬信號在電源下輸入的各個輸出電壓變化轉(zhuǎn)換范圍大約從0V變換到5V，由8路三態(tài)模擬輸入開關(guān)、地址編碼鎖存與信號譯碼器、8位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和3態(tài)模擬輸出信號鎖定保存信號緩沖器組成部件。其中的一個任務(wù)主要目的是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計算機對此數(shù)字信號模型進行數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示等。ADC0809的引腳圖如圖3-4所示。圖3-4ADC0809引腳圖3.3.2A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路外接電路如圖3-5所示。首先地址線A、B、C接地，這樣會選通IN0這一路模擬輸入端，因為IN0會接收到來自信號處理電路的電壓信號，接著ALE接單片機P2.4引腳，會產(chǎn)生一個正脈沖以鎖存信號；然后當(dāng)START為上升沿時將進行逐次逼近寄存器復(fù)位，而下降沿會啟動A/D轉(zhuǎn)換；之后EOC輸出信號會變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成的時候，EOC變?yōu)楦唠娖剑Y(jié)果數(shù)據(jù)會存入鎖存器；最后當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，而D0~D7就是數(shù)字信號輸出端，會被接到單片機P0端，這樣會把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)及時傳送到單片機進行處理。圖3-5A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.4顯示電路設(shè)計OLED顯示屏主要是一種利用有機電子和自發(fā)光二極管而制作的顯示屏。它的主要發(fā)光原理是在每當(dāng)正極有一個足夠的發(fā)光電力可以進行發(fā)光供給時，正極的空穴和兩個陰極的發(fā)光電荷將通過在兩個發(fā)光原色層中相互作用結(jié)合而直接產(chǎn)生光，紅、綠、藍RGB三種發(fā)光原色將根據(jù)它們不同的發(fā)光公式順序進行組合產(chǎn)生，構(gòu)成一個基本的發(fā)光顏色。除此之外，OLED顯示屏還可以完成一些特定的顯示功能。OLED顯示電路圖如圖3-6所示。顯示屏的3~7號引腳分別接單片機P1.0~P1.4引腳，單片機會控制顯示屏進行顯示被測量的電壓數(shù)值、所選的量程，并且alarm部分會顯示NO，另外當(dāng)超過量程時OLED顯示屏中的alarm部分顯示YES，這就起到超量程報警的功能。圖3-6OLED顯示電路圖3.5電源電路設(shè)計用來為各模塊提供工作電壓的單片機電路我們統(tǒng)稱為工作電源模塊，在本文的設(shè)計中我們所使用的AT89S52單片機需要5V的工作電壓進行供電，連接在單片機的40腳，而且每個模塊均需+5V直流電源進行供電，所以我們使用USB的工作電壓進行供電，其具備了非常高的穩(wěn)定可靠的工作電壓數(shù)值，利用其穩(wěn)壓性和功能就足夠了。該電路能夠提供穩(wěn)定的工作電壓，這樣就能夠使得該電路正常工作起來具有較好的可靠性。另外還同時并聯(lián)幾個電容，以便起到濾波、穩(wěn)定電壓的作用。電路圖如圖3-7所示。圖3-7電源電路圖4系統(tǒng)程序設(shè)計4.1編程語言的選擇目前，單片機在軟件開發(fā)中所使用的編程語言大致可以分為兩種：計算機軟件高級語言和計算機匯編語言。匯編語言憑借其良好的可控性和功能，在進行單片機設(shè)計和開發(fā)的過程中已經(jīng)得到了普遍運行。但與其他匯編語言相比，C語言的專業(yè)編譯器可以大大提高編譯效率，C語言具有匯編語言所不具備的超強能力，即可以滿足程序所需要的所有編譯功能。C語言也具有出色的便攜性，可以滿足各種型號的需求。此外，C語言還允許用戶進行實時的修改和編譯邏輯過程中所有數(shù)據(jù)庫。基于這種優(yōu)秀的程序架構(gòu)，可以很好地對各種單片機應(yīng)用程序進行實際的編譯和開發(fā)，從而完全改善了程序的基礎(chǔ)架構(gòu)，使每一個程序都有能正常運行，從而大大提高了單片機的系統(tǒng)整體性能。所以我們決定用C語言作為編譯器語言。4.2系統(tǒng)主程序流程電源啟動后，系統(tǒng)開始供電，首先需要讓各個新的功能模塊在各個端口都被重新配置好，初始化后，系統(tǒng)再次進行啟動，依次開始調(diào)用各個新的功能模塊。當(dāng)被電壓檢測器達到額定電壓時立即進入控制系統(tǒng)，進行電壓信號采集處理、采樣，完成后將電壓信號數(shù)據(jù)送入液晶顯示器上并進行信號顯示。系統(tǒng)的總流程圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.3信號處理電路流程首先輸入電壓進來以后，進行一個串聯(lián)分壓，這個串聯(lián)分壓主要是通過1MΩ的電阻和100KΩ的電阻串聯(lián)而實現(xiàn)的，然后這個電壓會被傳送到比較器的正極端口，另外在比較器負極端會有固定電壓+5V通過1MΩ電阻和100KΩ的電阻之間進行串聯(lián)式的分壓所形成產(chǎn)生的電壓，當(dāng)輸入電壓比固定電壓高時，比較器就會輸出一個很高的電平，三極管導(dǎo)通，繼電器與下端相互契合，然后組成一個回路，把輸入電壓被分壓后的電壓送到信號采集芯片；反之，當(dāng)比較器的輸出為低電平，三極管就不會導(dǎo)通，繼電器與上端契合，這樣繼電器會接收到輸入電壓通過220KΩ和1MΩ的電阻串聯(lián)分壓所產(chǎn)生的電壓，然后送入采集芯片。信號處理電路流程圖如圖4-2所示。圖42信號處理電路流程圖4.3ADC0809采樣流程首先進行對ADC0809各端口進行配置，接著開始模數(shù)轉(zhuǎn)化，執(zhí)行后，如果檢測到所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換未能完成則可以再繼續(xù)循環(huán)并對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，如果在模數(shù)中的轉(zhuǎn)化已經(jīng)全部完成，執(zhí)行接下來的一個模數(shù)轉(zhuǎn)化指令，將對所有取得的模數(shù)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)果全部轉(zhuǎn)化成為工程量，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果送入顯示屏進行顯示。ADC0809采樣流程圖如圖4-3所示。圖43ADC0809采樣流程圖4.4OLED液晶流程圖系統(tǒng)在通電后，配置好液晶端口，然后對OLED中的電源信號進行數(shù)據(jù)初始化，再調(diào)用OLED的信號讀取和數(shù)據(jù)寫入函數(shù)，可將數(shù)據(jù)采集處理后得到的電壓值進行實時輸出顯示。如果測量電壓小于51V時，顯示屏?xí)@示測量值和所選擇的量程，alarm部分顯示NO，如果測量電壓大于51V，顯示屏中的alarm部分顯示YES。OLED液晶流程圖如圖4-4所示。圖4-4OLED液晶流程圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)調(diào)試過程調(diào)試過程如下：(1)通電之前的檢查：在進行通電調(diào)試之前，必須仔細檢查電路連線是不是有錯誤。檢查的具體方法是對照之前設(shè)計好的電路圖，做好安全檢測。我們應(yīng)該特別注意仔細觀察并檢查其中一個電源引腳的極性位置是否存在有無接錯或者不當(dāng)之處，電源連接到的地方是否存在短接等異常現(xiàn)象，AT89S52、ADC0809和OLED顯示器引腳位置是否正確，并仔細觀察它們焊點的位置是否牢固。(2)通電檢查：在電路板上安裝好已經(jīng)下載程序成功的AT89S52，然后再接通電源，正極接+5V的直流電源，負極接地。待電源接通后，看看是否有異常現(xiàn)象，比如元器件出現(xiàn)了發(fā)燙、發(fā)光等情況。如果有，應(yīng)馬上切斷電源，待所有的故障原因全部解決后，才能正式接通電源。(3)對單片機的正確調(diào)試：在將單片機正確插入帶有接口的引腳插槽后后，用萬用表或儀器軟件來準(zhǔn)確測量它的引腳輸出電壓及由它輸出的特定訊號信息，然后檢查它的工作狀態(tài)及單片機的電路。(4)A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)試：在進行測試期間由于計算機得到的不是最終結(jié)果，所以我們可以首先忽視如何得出最終結(jié)果的具體邏輯操作和運算，先讓它們直接通過輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果，觀看這些結(jié)果的計算方法是否正確合理，以此為基礎(chǔ)來檢查和驗證A/D轉(zhuǎn)換底層驅(qū)動程序的正確性和錯誤。(5)對所有實物樣品進行一次整機性能調(diào)試：對所有實物的各個性能部分進行整機調(diào)試，不斷地重新檢查其中部分可能仍然存在的一些問題，不斷地更新改善其中的一些部分，使得調(diào)試結(jié)果更加準(zhǔn)確趨于最佳。5.2實物展示和調(diào)試結(jié)果5.2.1實物展示在對產(chǎn)品進行質(zhì)量調(diào)試的操作過程中，數(shù)字電壓表可能會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，如電線接觸不好，焊接操作工藝不牢固等，通過不斷地調(diào)試進行完善、矯正以后，數(shù)字電壓表逐步朝著產(chǎn)品設(shè)計過程中的各項指標(biāo)和質(zhì)量要求逐步靠攏。雖然我們所獲得的測量數(shù)據(jù)和結(jié)果可能并非百分之百很精準(zhǔn)，實物并沒有特別美觀，但是我自己覺得還是不錯的。實物展示圖如圖5-1所示。圖5-1實物展示圖5.2.2調(diào)試結(jié)果與誤差分析總共測試了幾組數(shù)據(jù)，如表5-1所示。其中小量程3組，大量程3組，從表5-1所知，實際電壓與測量電壓存在一定的誤差，誤差產(chǎn)生的原因有很多，首先繼電器和分壓電阻有一定的誤差，這方面我們可以做些改進：加個滑動變阻器對分壓電路進行優(yōu)化；其次A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中可能存在一些誤差，在這方面，我們可以提高芯片的轉(zhuǎn)換精度和分辨率等等。除此之外，輸入電壓或者電源不穩(wěn)定等方面都可能導(dǎo)致誤差。所以我們可以采用一種通過多次進行測量數(shù)值并計算平均值的一種結(jié)果方式，用它來大大減小測量誤差，或者說就是我們可以把采用A/D方式轉(zhuǎn)換后的多次測量計算結(jié)果通過添加適當(dāng)?shù)恼`差修正值等因素，來大大改善多次測量的準(zhǔn)確結(jié)果。表5-1測試數(shù)據(jù)表序號實際電壓顯示結(jié)果11.5V23V34.5V46V511V615V6總結(jié)與展望6.1總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計選擇的是做一個基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計。該系統(tǒng)以單片機AT89S52作為控制核心，以模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809為主要的數(shù)據(jù)采樣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了被檢測電壓的數(shù)據(jù)采樣，在此之前我們會有一個信號處理電路來對所需要采集的電壓信號進行簡單地分壓處理、比較，然后再進行ADC采樣；采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后我們利用了一個字符式的液晶OLED顯示屏來顯示所檢測到的電壓。在這類保護電路中，采用穩(wěn)壓二極管作為輸出過壓保護，并通過繼電器和比較器作為一個模擬開關(guān)來實現(xiàn)完成輸入量程的切換。本設(shè)計該系統(tǒng)既可以同時進行直流0~5V的測試和直流0~51V的測試（最低誤差范圍為50mV），此外還具備了一個超量程檢測報警。6.2展望由于傳統(tǒng)的電壓表測量速度比較慢，讀數(shù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤差較大，數(shù)字顯示技術(shù)不高超等缺陷，因此在設(shè)計數(shù)字電壓表的時候使用單片機來控制系統(tǒng)，可以讓測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，讀數(shù)準(zhǔn)確、美觀，還有顯示屏對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行實時顯示。然而本次設(shè)計的電壓表系統(tǒng)也還有一定的缺陷，有一些地方還需要改進，比如使用精度更高的AD芯片；在信號處理電路中可以加個滑動變阻器來對分壓電路進行優(yōu)化；或者使用更好的穩(wěn)壓器來保護電路等等，另外可以把報警電路分化出來，以蜂鳴器代替。目前，該系統(tǒng)僅僅測量電壓，由于電壓、電流、頻率是經(jīng)常測量的幾個量，如果把此系統(tǒng)改成測量多個量的儀器，這樣功能就比較強大，不單一，提高了電路測量的效率。參考文獻[1]黃志偉.全國大學(xué)生電子競賽培訓(xùn)教程[M].北京電子工業(yè)出版社.2019.[2]劉波.51單片機應(yīng)用開發(fā)典型范例：基于Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社.2014.[3]陳冬冬.液晶顯示數(shù)字電壓表的設(shè)計研究[J].黑龍江科技信息.2016,01.[4]李生明,楊紅.PROTUES軟件在學(xué)習(xí)單片機中的應(yīng)用[J].清遠職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2013(6).[5]趙波,楊迎春.基于A/D轉(zhuǎn)換器件ADC0809的數(shù)字電壓表設(shè)計[J].內(nèi)蒙古石油化工.2018(23).[6]車海波.基于51單片機的數(shù)字顯示電壓表的設(shè)計與仿真[J].智能城市.2016.08.[7]徐愛鈞,徐陽.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2012.[8]金韋利,姜禮華.基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計[J].自動化與儀器儀表.2015(11).[9]張玲麗.基于Proteus的LED數(shù)字電壓表的設(shè)計與仿真[J].中國新通信.2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