目錄

一.摘要

二數字電壓表簡介：......................................

三.數字電壓設計方案簡介：................................

1.由內置A/D轉換器單片機構建...................................

四.單片機簡介及本設計單片機的選擇.......................

1.常用單片機的特點比擬及本設計單片機的選擇.....................

2.本設計使用的單片機的簡介......................................

五.模數〔A/D〕轉換芯片的選擇...........錯誤!未定義書簽。

1.常用的A/D芯片簡介..........................錯誤!未定義書簽。

六.總體設計.............................................

七,硬件電路系統模塊的設計...............................5

八.系統軟件的設計.......................................

2.主程序設計....................................................

九.系統的調試...........................................

1.硬件調試.....................................................

2.軟件調試.....................................................

十.總結.................................................

參考文獻.................................................

一?摘要

本文介紹的是數字電壓表的開展背景和利用內置A/D轉換器單片機結合的方法設計一

個直流數字電壓表。它的具體功能是：對2路0?5V的模擬電壓進行循環采集，每路連續

采集3次，取平均值，采集的數存入內存并顯示；其測量范圍為0?5V,小數點后保存兩

位，誤差小于等于正負0.02WLCD液晶顯示或用LED數碼管進行循環顯示，其中最高位顯

示通道提示符A?B：采用鍵盤控制，可查看指定通道的電壓值；將將1.25V和2.5作為兩

路輸入的報警值，當A/D轉換結果超過報警值時，指示燈閃爍和蜂鳴器發聲，以示警告

數字電壓表簡介

數字電壓表出現在50年代初，60年代末發起來的電壓測量儀表，簡稱DVM,它采用

的是數字化測量技術，把連續的模擬量，也就是連續的電壓值轉變為不連續的數字量，加

以數字處理然后再通過顯示器件顯示。這種電子測量的儀表之所以出現，一方面是由于電

子計算機的應用逐漸推廣到系統的自動控制信實驗研究的領域，提出了將各種被觀察量或

被控制量轉換成數碼的要求，即為了實時控制及數據處理的需要；另一方面，也是電子計

算機的開展，帶動了脈沖數字電路技術的進步，為數字化儀表的出現提供了條件。所以，

數字化測理儀表的產生與開展與電子計算機的開展是密切相關的；同時，為革新電子測量

中的煩鎖和陳舊方式也催促了它的飛速開展，如今，它又成為向智能化儀表開展的必要橋

梁。

如今，數字電壓表已絕大局部己取代了傳統的模擬指針式電壓表。因為傳統的模擬指

針式電壓表功能單一，精度低，讀數的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機的

數字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數時也非常的方便，抗干擾能力強，可擴展性強

等優點已被廣泛的應用于電子及電工的測量，工業自動化儀表，自動測試系統等智能化測

量領域。顯示出強大的生命力。

數字電壓表最初是伺服步進電子管比擬式，其優點是準確度比擬高，但是采樣速度慢,

重量達幾十公斤，體積大。繼之出現了斜波式電壓表，它的速度方面稍有提高，但是準確

度低，穩定性差，再后來出現了比擬式儀表改良逐次漸近式結構，它不僅保持了比擬式準

確度高的優點，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點是抗干擾能力差，很容易受到

外界各種因素的影響。隨后，在斜波式的根底上雙引伸出階梯波式，它的唯一的進步是本

錢降低了，可是準確寬，速以及抗干擾能力都未能提高。而現在，數字電壓表的開展已經

是非常的成熟，就原理來講，它從原來的一，二種已開展到多種，在功能上講，那么從測

單一參數開展到能測多種參數：從制作元件來看，開展到了集成電路，準確度已經有了很

大的提高，精度高達1NV；讀數每秒幾萬次，而相對以前，它的價格也有了降低了很多。

目前實現電壓數字化測量的方法仍然模-數（A/D）轉換的方法。而數字電壓表種類繁多，

型號新異，目前國際仍未有統一的分類方法。而常用的分類方法有如下兒種：

L按用途來分：有直流數字電壓表，交、直流數字電壓表，交直流萬用表等。

2.按顯示位數來分：有4位，5位，6位，7位，8位等。

3.按測量速度來分：有低準確度，中準確度，高準確度等。

4.按測量速度來分：有低速，中速，高速，超高速等。

但在日常生活中，數字電壓表一般是按照原理不同進行分類的，目前大致分為以下幾類：

比擬式，電壓一一時間變換式，積分式等。

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最根本的三個被測量。其中，電壓量的測量最

為經常。而且隨著電子技術的開展，更是經常需要測量高精度的電壓，所以數字電壓表就

成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數字式儀器具有讀數準確方便、精度高、誤差

小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受用戶青睞，數字式電壓表就是基于這

種需求而開展起來的，是一種必不可少的電子測量儀表。

三.數字電壓設計方案簡介

設計數字電壓表有多種的設計方法，方案是多種多樣的，由于大規模集成電路數字芯

片的高速開展，各種數字芯片品種多樣，導致對模擬數據的采集局部的不一致性，進而乂

便對數據的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現實的工作生活中，電壓表的測量測程

范圍是比擬大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數據處理芯片的處理電壓范

圍不同，那么各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數字電壓表的設計方案。

1.由內置A/D轉換器單片機構建

這種方案是利用單片機系統、顯示模塊等的結合構建數字電壓表。由于單片機的開展

己經成熟，利用單片機系統的軟硬件結合，可以組裝出許多的應用電路來。此方案的原理

是模數（A/D）轉換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。

模數（A/D）轉換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉換成相應的數字信號,

然后通過對單片機系統進行軟件編程，使單片機系統能按規定的時序來采集這些數字信號,

通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統將計算好了的被測電壓值按一定

的時序送入顯示電路模塊加以顯示。

2.單片機簡介及本設計單片機的選擇

1.常用單片機的特點比擬及本設計單片機的選擇

綜合上一章提到的設計方案的各方面優點及其在現在的所設計電壓表的實用性，我們

選擇該電壓表設計方案，即由單片機系統及數字芯片構建的方法來我們本次設計。

在這一設計中，我們涉及到了一個關鍵系統模塊一一單片機系統模塊，而目前單片機

的種類是很繁多的，主要有主流的8位單片機和高性能的32位單片機，結合本設計各方面

因素，8位單片機對于本設計己經是綽綽有余了，但將用哪一種類8的單片機呢。在這里,

不得不先簡單的介紹一下幾種常用的8單片機。

單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統，具有一個完整計算機所需要的

大局部部件：CPU,內存，總線系統等。

四.總體設計

1.技術要求：

1）對2路0至5v的模擬電壓進行循環采集，每路連續采集三次，取平均值，采集的數據

存入內存并顯示

2）測量范圍為0至5V,小數點后保存兩位，誤差小于等于正負0.02V

3）LCD液晶限售股或用4位LED數碼管進行循環顯示，其中最高位顯示通道提示符A至B,

低3位顯示實際電壓值，每秒切換一個通道輪流顯示；

4）鍵盤控制，可查看指定通道的電壓值：

5）將?1.25V和2.5V作為兩路輸入的報警值，當A/D轉化結果超過報警值時，指示燈閃爍

和蜂鳴器發聲，以示警告。

2.設計方案：

根據上述，我們選擇單片機與A/D轉換芯片結合的方法實現木設計。使用的根木元器

件是：內置A/D轉換器單片機，開關，按鍵，電容，電阻，晶振，標準電源等等。方

案是利用單片機系統與模數轉換芯片、顯示模塊等的結合構建數字電壓表。由于單片機的

開展已經成熟，利用單片機系統的軟硬件結合，可以組裝出許多的應用電路來。此方案的

原理是模數（A/D）轉換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電

壓。模數（A/D）轉換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉換成相應的數字

信號，然后通過對單片機系統進行軟件編程，使單片機系統能按規定的時廳來采集這些數

字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統將計算好了的被測電壓

值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。

圖1—1系統總體方案設計

此設計介紹的數字電壓表是以STC89LE516AD單片機為核，由電壓采集電路、單片機、

電壓顯示電路等幾局部組成。該系統的先進性在于可以數字化顯示電壓。該系統的數字電

壓表電路簡單，所用的元件較少，本錢低，調節工作可實現自動化。數字電壓表可以測量。?

5v的2路輸入電壓值，并在四位LED數碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。

五.硬件電路系統模塊的設計

根據上述選擇的各元器件，各電路模塊的電路圖如下描述。

1.芯片系統

1.STC89LE516AD單片機

STC89LE516AD

40

P1.0/ADC0VCC

39

P1.1/ADC1P0.0

38

P1.2/ADC2P0.1

37

P1.3/ADC3P0.2

36

P1.4/ADC4P0.3

635

P1.5/ADC5P0.4

734

PI.6/ADC6P0.5

833

PI.7/ADC7P0.6

932

RSTP0J_

10P3.0/RXDE?31

1130

P3.1/TXDALE

1229

P3.24NT0PSEN

1328

P334NT1P2.7

14_27

P3.4/T0P2.6

73~26

P3.5/BP2.5

1625

P3.6匝kP2.4

1724

P3.7而）P2.3

1823

XTAL2P2.2

1922

XTALIP2.I

2021

VSSP2.0

圖2-1STC89LE516AD

?高速：1個時鐘/機器周期，RISC型8051內核，速度比普通8051快12倍

?寬電壓：5.5?3.4V,2.0-3.8V（STC12LE5410AD系列）

?低功耗設計：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）

■工作頻率：0?35MHz,相當于普通8051：0?420MHz

-—實際可到48MHz,相當于8051：0?576MHz

?時鐘：外部晶體或內部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置

?12K/10K/8K/6K/4K/2K字節片內Flash程序存儲器，擦寫次數10萬次以上

?512字節片內RAM數據存儲器

?芯片內E2PR0M功能

?ISP/IAP,在系統可編程/在應用可編程，無需仿真器

■10位ADC,8通道,STC12c2052AD系列為8位ADC

?4通道捕獲/比擬單元（PWM/PCA/CCU）,STC12C2052AD系列為2通道

--也可用來再實現4個定時器或4個外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）

?2個硬件16位定時器，兼容普通8051的定時器。4路PCA還可再實現4個定時器

?硬件看門狗（WDT）

?高速SPI通信端口

?全雙工異步串行口（UART）,兼容普通8051的串口

?先進的指令集結構，兼容普通8051指令集

4組8個8位通用工作存放器（共32個通用存放器）

?通用I/O口（27/23/15個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統I/O口）

可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏

每個I/O口驅動能力均可到達20mA,但整個芯片最大不得超過55mA

2.74HC573+74HC138+單片機方案

3.復位電路

圖2-6復位電路

按鍵手動電平復位是通過RST端經電阻與電源vcc接通來實現的，復位引腳RST通過一個施密

將觸發器與復位電路相連，施密特觸發器用來抑制噪聲，在每一個S5P2,施密特觸發器出

電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需的復位信號，

4.晶振電路

二F2

舊一301＞卜

12MHz

圖2-7晶振電路

采用內部時鐘方式使用現成的外部振蕩器產生脈沖信號，晶體的頻率越高，系統的時鐘頻

率越高，單片機的運行速度越快。晶體和電容應盡量安裝的與單片機接近，減少寄生電容。

更好的保證振蕩器的穩定工作。

5.鍵盤電路

+5

圖2-8鍵盤電路

由于采用兩路進行采集，而且要進行查看指定通道的電壓值。所以采用兩個按鍵進行查看

其電壓值。一鍵一線，各鍵相互獨立，每個鍵各連一條I/O口線，通過檢測輸入線的電平狀

態就可以判斷那個鍵被按下。

表3T鍵的定義

6.

報按鍵鍵名功能

警S1選擇A通道LED顯示A通道電壓

電S2選擇B通道LED顯示B通道電壓

路S3復位鍵系統復位

雷R7A

5.IK

圖2-9報警電路

利用三極管進行放大驅動LED或蜂鳴器進行工作，將在L25V和2.5V作為兩路輸入的報警

值，當結果超過報警值時，指示燈閃爍和蜂鳴器發聲，以示警告。在數字電路中，是以脈

沖信號驅動蜂鳴器以產生聲音，假設要以C51產生聲音，可利用程序產生頻率，送到10口，

再從該點連接到蜂鳴器的驅動電路，即可驅動蜂鳴器，這里采用的是以PNP晶體管放大電路。

數字微處理電路輸出高電位時，由IC內部流出的電流很小。雖然我們可以利用高增益品

體管，在連接上拉電阻，以提供較大的驅動電流，以驅動蜂鳴器或其他負載。而數字微處

理電路輸出低電位時，IC可吸入較大電路，連接PNP晶體管構成的簡單放大電路，即可提供

足夠的驅動能力。

六.系統軟件設計

1.匯編語言和c語言的特點及選擇

本設計是硬件電路和軟件編程相結合的設計方案，選擇適宜的編程語言是一個重要的

環節。在單片機的應用系統程序設計時，常用的是匯編語言和C語言。匯編語言的特點是

占用內存單元少，執行效率高。執行速度快。但它依賴于計算機硬件，程序可讀性和可移

相性比擬差。而C語言雖然執行效率沒有匯編語言高，但語言簡潔，便用方便，靈活，運

算豐富，表達化類型多樣化，數據結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由

度大，有很好的可重用性，可移植性等特點。

由于現在單片機的開展已經到達了很高的水平，內部的各種資源相當的豐富，CPU的

處理速度非常的快。用c語言來控制單片機無疑是一個理想的選擇。所以在本設計中采用

C語言編寫軟件程序。

2.流程圖

1主流程圖

2.顯示電路流程圖

3.報警電路流程圖

子程耿口

蒯電壓值

T--

T±

蜂鳴器檐血碉檐

七.系統的調試

完成了系統的硬件設計，制作和軟件編程之后,要使系統能夠按設計意圖正常運行,

必須進行系統調試。調試分了硬件和軟件調試。

1.硬件調試

硬件調試的主要任務是抨除硬件故障，其中包括設計的錯誤和工藝性故障等。

1）檢查所設計的硬件電路板所有的器件和引腳是否正確，尤其是電源的連接是否正確;

檢查各總線是否有短路的故障。檢查開關/按鍵是否正常，是否連接正確，為了保護

芯片，應先對各IC座電位進行檢查，確認無誤后再插入芯片。

2）將40芯片的仿真插頭插入單片機插座進行調試，檢查各接口是否滿足設L的要求，

有正常的程序測試硬件電路的好壞。

2.軟件調試

軟件調試的任務是利用開發工具進行在線仿真調試，發現和糾正程序的錯誤，同時也

能發現硬件的故障。軟件調試是一個模塊一個模塊進行的。首先單獨調試各子程序是否能

夠按照預期的功能，接口電路的控制是否正常。最后調試整個程序。尤其注意的是各模塊

間能否正確的傳遞參數。

八,總結

此設計是單片機應用系統的開發性實驗。通過此設計可知在單片機系統開發過程應注

意以下事項。

1）硬件的選擇。選擇適合設計目地的元器件是一個重要的方設計環節。不能以元器件

是否是最高性能作為選擇元器件的標準。往往高性能器件的價格也是較高的。應根據工程

設計的需要選擇元涔件，能夠滿足設計需要作為標準選擇元器件。

2）因為單片機系統設計是硬件和軟件相結合的設計，所以系統和硬件和軟件必須緊密

配合，協調一致。應不斷調整硬軟件設計，以提高系統工作效率。

單片機的應用如今已經是在工業，電子等方面展示出了它的優越性，利用單片機在設

計電路逐漸成了趨勢，它與外圍電路再加上軟件程序就可以構建任意的產品，使得本設計

成為現實。隨著單片機的日益開展，它必將在未來顯示出更大的活力，為電子設計更多精

彩。對于數字電壓表而言，功能將會越來越強大。

參考文獻

1）陳洪中。數字電壓表。水利電力出版社，1989

2)周立功.單片機實驗與實踐.北京：北京航空航天大學出版社

3)吳國經.單片機應用技術北京：中國電力出版社，2003.

4)閻石.數字電子技術根底.北京：高等教育出版社，2006

5)譚浩強.C程序設計.北京:清華大學出版社,2005年.

6)侯振鵬.嵌入式C語言程序設計.北京：人民郵電出扳社，2006.

7)李光飛李良兒單片機C程序設計?.北京：北京航空航天大學出版社，2005

8)王港元.電工電子實踐指導.江西：江西科學技術出版社,2005年

附錄

總電路圖

程序

1.讀取AD轉換值操作函數

uintread_AD(ucharcon_way)〃讀取AD轉換值操作函數

{

uintdat=0;

uchari;

cs=0;

clk=0;

con_way<<=4;

for(i=0;i<12;i++)

(

con_way〈〈=l;/*選擇0通道，在輸入該控制數據的同時輸出前一次AD轉結果*/

input=CY;

dat?=l;

if(output)/*輸出AD轉換結果*/

dat=dat10x01;

delay(2);

clk=l;

delay(5);

clk=0;}

cs=l;

returndat;}

uintread_value()

(

longfloatdq;

longfloatdat_v;

dq-read_AD(0);〃把讀取得的AD轉換值給變量dq

if(!flag_3)

dat_v=(5*dq)/4096*100;〃二檔，

elseif(!flag_l)

dat_v=(5*dq)/4096*100;〃一檔，

returndat_v;

}

2.定時計數器。初值化函數

voidinit_timerO()〃定時計數器0初值化函數,

(

TM0D=0x01;〃方式一

TH0=(65536-50000)/256;〃每50ms中斷一次

TLO=(65536-50000)%256;

IE=0x82;//翻開中斷

TR0=0;〃定時器首先不可工作

3.鍵盤掃描函數

voidrcad_kcy()〃鍵盤掃描函數

{

staticucharkey_state=O;

switch(key_state)

(

casekey_stateO:

if(key==0)

keystate-keystatel;

break;

casekcy_statel:

if(key—0)

{TRO=1;

displayzifu(1,0,tab3);

key_state=key_state2;}

else

key_state=key_stateO;break;

casekey_state2:

if(key)

keystale-KeystaleO;

break;}

}

voidmain()

(

longfloatdat;

longfloatdat_aver,catl,dat2,dat3,dat4,dat5;〃定義5個隨機電壓值變量

ucharflag;〃后五秒取隨機電壓的標志

inittimerOO;

init_1602();

delay(10);

while(1)

(

dat=readvalue();

if(dat>=100)〃當電壓值大于IV時，用V顯示,

否那么用mV顯示

(

display_zifu(0,1,tab2);

display(0,7,dat);

display_zifu(0,13,tabO);

)

else

(

display_zifu(0,1,tab2);

display(0,7,dat*1000);

display_zifu(0,13,tabi);

}

read_key();〃當鍵盤按下時，計算后五秒的平均

電壓值

if(t==20)

{t=0;

flag++;

)

if(flag==l)

datl=dat;

if(flag==2)

dal2-dat;

if(flag-3)

dat3=dat;

if(flag==4)

dat4=dat;

if(flag==5)

{dat5=dat;

dat_aver=(datl+dat2+dat3+dat4+dat5)/5;

display(1,7,dataver);

display_zifu(1,13,tabO);

dat_aver=0;}

if(flag==8)

{flag=O;

writecom(OxOl);TRO=O;}

}}voidtimerOOinterrupt1〃定時器中斷函數

{THO=(65536-50000)/256;〃重新放入初始值

TLO=(65536-50000)%256;

t++;}

4.報警函數程序

voidSK()〃報警函數

(intHtcmp,Ltomp,Ntcmp;〃定義上下限電壓