论文部分内容阅读
【摘 要】本设计主要围绕数字电压表中A/D转换、数据处理、显示控制与报警电路等四个模块进行的。A/D转换器采用ADC0808对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号，并可以在LED上进行显示，可以显示电压值的小数点后两位，当电压超出量程时报警电路报警。该电压表具有精度高、性能可靠、电路简单、成本低的特点。
【关键词】单片机;数字电压表;A/D转换
前言：现在，由各种型号单片和A/D转换器等构成的数字电压表，因其性能优越，被广泛使用。数字电压表是通过A/D转换器把连续的直流输入电压转换成离散的数字量通过LDE数码管显示出来的仪表，从而实现了数字化测量。模拟部分和数字部分是数字电压表的两个组成部分，前者的作用是获取电压，并把取得的电压转化成数字量，传给数字部分。后者的作用是实现逻辑控制運算、译码过程、数字显示等一些列功能。
一、工作原理
本系统以AT89C51单片机为核心控制器。电压测量电路与ADC0809相连，经A/D转换将得的模拟电压信号转换为数字信号输入给单片机，经单片机进行信号处理后，形成精度較高的数字信号输出到LED数码管进行显示，并留有一定的接口，供扩展用。
二、系统总体方案设计
用A/D转换器测量各路电压值，测得相对应的数字量，然后按模拟量与数字量成正比的关系，计算出对应的模拟电压值，把模拟值通过显示器显示出来就完成测量。设计时设定待测的输入电压为8路，电压值的测量范围为0v一5v，测量的最小分辨率5.255，测量误差-0.02一0.02。
控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换器采用ADC0809，ADC0809是8位的A/D转换器。当输入电压为V5时，输出的电压为255（OFFH），因此最大分辨率为0.0196V（5.255）。ADC0809包括8路模拟量输入端口，由3位地址输入端对8路中的任选其中一路进行转换。每隔一段时间依次改变3位地址输入端的地址，就能实现8路输入电压的测量。LDE数码管采用软件译码动态显示。
三、电路的硬件设计
（一）单片机主控制模块的设计
AT89C51单片机为40引脚双列直插芯片，有四个I/O口P0、P1、P2、P3，每一条I/O线都能独立地作输出或输入。AT89C51还含有4kb的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128字节（Byte）的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元。
单片机的最小系统主要由AT89C51、电容C1-C3、电阻R1-R2、晶振X1等组成。AT89C51的18脚（XTAL2）和19脚（XTAL1）接时钟电路，其中19脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器的输入端，用于接外部晶振和微调电容的一端;18脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器的输出端，用于接外部晶振和微调电容的另一端。
（二）A/D转换电路设计
A/D转换电路采用目前常用的8位逐次逼近型A/D转换芯片ADC0809。ADC0809具有8路模拟量输入信号IN0-IN7（1-5、26-28脚），地址线C、B、A（23-25脚）确定哪一路模拟输入信号进行A/D转换，本电路将地址线C、B、A接地，即选择0号通道输入模拟量电压信号。ADC0809的22脚（ALE）为地址锁存允许控制端，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。ADC0809的6脚（START）为启动控制端，当输入为高电平时，A/D转换开始。
（三）显示电路设计
显示电路采用LED数码管显示，由于单个LED数码管占用单片机接口线较多，而本设计中需要四个LED数码管显示不同信息，因而利用人眼的视觉暂留特性采用LED数码管的动态扫描原理进行显示。另外LED数码管价格适中，适合显示数字，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机接口线少，方便进行程序编写与控制。
四、误差分析
对于任何系统，误差是不可避免的！本设计的输出信号误差主要来自于以下几个方面：
（一）D/A，A/D转换器件的非理想性误差
虽然我们在设计中充分考虑到了精度要求，但转换器件本身存在的固有量化误差是不可能克服的，同时转换器件的转换速率、温度系数、输入输出电平的差异等因素都造成了转换器件的非理想特性。
（二）运算放大器，电阻电容引起的误差
设计中采用的运放和电阻电容等一些常用元件，在实际应用中，都或多或少的存在着误差，如，随着温度的变化，电阻阻值的变动以及运放的漂移，电容的非理想性造成了系统频率响应的改变。
（三）电源噪声"数字信号跳变引起的噪波和布线中的分布电容和感生电感
在 PCB 布线中由于迹线和部分元件的非理想性，在高频工作时，这些器件产生分布电容感生电感。电网电压的变化引起的欠压、过压以及在线路传输中随机窜入的高频噪声等都有可能通过电源引入到系统中，设计中使用大量数字芯片高频工作时的电平跳变以及单片机晶振都是误差的产生源。我们在电路的实际设计中，采用了多种措施来减少这种误差的渗入，如，电源的滤波，线间的去耦，重干扰源的屏蔽，加宽电源线和地线以减少噪声的传输路径。
五、结语
由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统，以及灵敏度和精度较高的A/D转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能可靠、电路简单、成本低的特点。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩。
参考文献：
[1]李秋生，刘小燕.基于AT89C51的某数字电压表的设计[J].微计算机信息，2008，24（25）：19～200，233.
[2]韩磊，张宇，贾志敏.基于AT89S51的数字电压表的设计[J].工业控制计算机，2009，4：70-70，72.
[3]王晓亮.基于MSP430单片机的数字电压表的设计[J].科技创新导报，2009，1：21，23.
【关键词】单片机;数字电压表;A/D转换
前言：现在，由各种型号单片和A/D转换器等构成的数字电压表，因其性能优越，被广泛使用。数字电压表是通过A/D转换器把连续的直流输入电压转换成离散的数字量通过LDE数码管显示出来的仪表，从而实现了数字化测量。模拟部分和数字部分是数字电压表的两个组成部分，前者的作用是获取电压，并把取得的电压转化成数字量，传给数字部分。后者的作用是实现逻辑控制運算、译码过程、数字显示等一些列功能。
一、工作原理
本系统以AT89C51单片机为核心控制器。电压测量电路与ADC0809相连，经A/D转换将得的模拟电压信号转换为数字信号输入给单片机，经单片机进行信号处理后，形成精度較高的数字信号输出到LED数码管进行显示，并留有一定的接口，供扩展用。
二、系统总体方案设计
用A/D转换器测量各路电压值，测得相对应的数字量，然后按模拟量与数字量成正比的关系，计算出对应的模拟电压值，把模拟值通过显示器显示出来就完成测量。设计时设定待测的输入电压为8路，电压值的测量范围为0v一5v，测量的最小分辨率5.255，测量误差-0.02一0.02。
控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换器采用ADC0809，ADC0809是8位的A/D转换器。当输入电压为V5时，输出的电压为255（OFFH），因此最大分辨率为0.0196V（5.255）。ADC0809包括8路模拟量输入端口，由3位地址输入端对8路中的任选其中一路进行转换。每隔一段时间依次改变3位地址输入端的地址，就能实现8路输入电压的测量。LDE数码管采用软件译码动态显示。
三、电路的硬件设计
（一）单片机主控制模块的设计
AT89C51单片机为40引脚双列直插芯片，有四个I/O口P0、P1、P2、P3，每一条I/O线都能独立地作输出或输入。AT89C51还含有4kb的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128字节（Byte）的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元。
单片机的最小系统主要由AT89C51、电容C1-C3、电阻R1-R2、晶振X1等组成。AT89C51的18脚（XTAL2）和19脚（XTAL1）接时钟电路，其中19脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器的输入端，用于接外部晶振和微调电容的一端;18脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器的输出端，用于接外部晶振和微调电容的另一端。
（二）A/D转换电路设计
A/D转换电路采用目前常用的8位逐次逼近型A/D转换芯片ADC0809。ADC0809具有8路模拟量输入信号IN0-IN7（1-5、26-28脚），地址线C、B、A（23-25脚）确定哪一路模拟输入信号进行A/D转换，本电路将地址线C、B、A接地，即选择0号通道输入模拟量电压信号。ADC0809的22脚（ALE）为地址锁存允许控制端，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。ADC0809的6脚（START）为启动控制端，当输入为高电平时，A/D转换开始。
（三）显示电路设计
显示电路采用LED数码管显示，由于单个LED数码管占用单片机接口线较多，而本设计中需要四个LED数码管显示不同信息，因而利用人眼的视觉暂留特性采用LED数码管的动态扫描原理进行显示。另外LED数码管价格适中，适合显示数字，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机接口线少，方便进行程序编写与控制。
四、误差分析
对于任何系统，误差是不可避免的！本设计的输出信号误差主要来自于以下几个方面：
（一）D/A，A/D转换器件的非理想性误差
虽然我们在设计中充分考虑到了精度要求，但转换器件本身存在的固有量化误差是不可能克服的，同时转换器件的转换速率、温度系数、输入输出电平的差异等因素都造成了转换器件的非理想特性。
（二）运算放大器，电阻电容引起的误差
设计中采用的运放和电阻电容等一些常用元件，在实际应用中，都或多或少的存在着误差，如，随着温度的变化，电阻阻值的变动以及运放的漂移，电容的非理想性造成了系统频率响应的改变。
（三）电源噪声"数字信号跳变引起的噪波和布线中的分布电容和感生电感
在 PCB 布线中由于迹线和部分元件的非理想性，在高频工作时，这些器件产生分布电容感生电感。电网电压的变化引起的欠压、过压以及在线路传输中随机窜入的高频噪声等都有可能通过电源引入到系统中，设计中使用大量数字芯片高频工作时的电平跳变以及单片机晶振都是误差的产生源。我们在电路的实际设计中，采用了多种措施来减少这种误差的渗入，如，电源的滤波，线间的去耦，重干扰源的屏蔽，加宽电源线和地线以减少噪声的传输路径。
五、结语
由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统，以及灵敏度和精度较高的A/D转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能可靠、电路简单、成本低的特点。随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩。
参考文献：
[1]李秋生，刘小燕.基于AT89C51的某数字电压表的设计[J].微计算机信息，2008，24（25）：19～200，233.
[2]韩磊，张宇，贾志敏.基于AT89S51的数字电压表的设计[J].工业控制计算机，2009，4：70-70，72.
[3]王晓亮.基于MSP430单片机的数字电压表的设计[J].科技创新导报，2009，1：21，23.