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[摘 要]准确可靠的电压测量在大学物理教学中具有重要意义。在研究目前主流电压表设计方案的基础上，提出一种新型数字电压表的设计方法，极大地增强了系统集成度和电路可靠性。以Altera 公司高性价比的AT89C51芯片為控制核心，以较高性能的模/ 数转换器为信号采集芯片，完成电压数据的采集、转换、处理、显示，并实现了档位的自动转换和较宽的测量范围。
[关键词]单片机 数字电压表 电路设计 AT89C51芯片
中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0012-02
数字电压表，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本次设计系统是以AT89C51单片机为核心，辅以简单的控制电路，设计了一种切换量程的数字电压表。系统中，模拟电压信号由A/D转换器TLC2543采集，以数字信号的方式传给单片机进行处理，并加以控制。控制系统包含硬件和软件两部分。硬件部分包括：单片机最小系统、电压采集电路、量程控制电路、电压显示电路以及其他一些外围接口电路。软件部分包括：主程序的流程设计，其涵盖了电压采集子程序、字符转换子程序、LCD液晶显示子程序等，这些子函数都体现出系统软件设计模块化的结构特点。通过单片机对信号处理并加以适当的算法控制，从而驱动相应的硬件电路，实现电压控制的目的。
系统硬件结构：
系统是以AT89C51单片机作为主控器，通过扩展必要的外围接口电路，包括电压采集、输入和输出、电压的量程控制、显示等电路，实现数字电压表的系统化设计。其系统结构框图如下图1所示：
本次设计主要由单片机模块、电压输入模块、A/D转换模块、量程控制模块、液晶显示模块等5部分组成。A/D模拟转换芯片将直流电压模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，写入单片机中。以AT89C51单片机为控制核心，通过A/D转换电路来将模拟信号转换成数字信号，通过电阻的改变来切换量程的改变，从而实现不同电压量程的切换。它的最高量程为200V，分三个档位量程，即2V，20V，200V，可以通过调档开关来实现各个档位。当测得电压的数值小于1V时，系统会自动的将电压数值转换为以mV为电压单位的电压值。并且通过按键的方法能够测得后五秒的平均电压值。
系统主程序的设计：
系统主程序的主要功能是负责电压采集、处理、显示三部分，本次设计主要包括以下方面：
1、按照硬件电路对单片机位定义。
2、编写延时模块子程序。
3、编写液晶显示器1602的初始化子程序。
4、编写驱动1602液晶显示模块程序。
5、编写驱动A/D转换模块程序。
6、编写A/D转换后对电压的处理函数子程序
7、编写键盘扫描模块程序。
其程序设计流程图2如下所示：
系统经过复位后，先对单片机、模/数（A/D）转换器、液晶显示屏LCD1602等进行初始化，初始化完成后通过输入电路给数字电压表输入模拟电压，在电压测量过程中，先通过滑动变阻器来控制输入信号的衰减率、通过按钮来选择不同的档位，然后调用A/D转换子函数，并对模/数转换的结果进行简单的处理，最后通过液晶屏LCD1602进行显示。
系统整体硬件电路图3如下（proteus环境）：
硬件设计注意事项：
整个系统的模拟地和数字地不要交叉共地，模拟地和数字地要分别独立开来，避免信号之间的干扰。同时液晶的读写要注意它们之间的时序，最好要弄清它的型号和用户手册中的提到的地址问题，再进行它与单片机之间的数据读写操作。不仅如此，器件之间的兼容性和工作最大电流和电压问题也是本次硬件设计的重点。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I /O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。在本系统中，AT89C51单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。按系统功能需求，需要配置档位转换、LCD显示等。系统的扩展和配置设计遵循下列原则：
1、尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法；
2、系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便二次开发；
3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产上相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，但由软件实现的硬件功能，其相应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间；
4、整个系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配；
5、可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择等；
6、该系统的所有元器件必须满足5V的工作电压。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础·数字部分.第五版.高等教育出版社，2002.
[2] 康华光.电子技术基础·模拟部分.第五版.高等教育出版社，2002.
[3] 施保华，杨三青，周凤星.计算机控制技术[M].华中科技大学出版社，2007.
[4] 王伟，刘晓平，高精度数字电压表方案设计[J]；仪表技术；2007（4）.
[5] 徐爱钧.Keil Cx51V7.0单片机高级语言编程与Vision应用实践.第二版.清华大学出版社，2008.
[6] 陆爱明.单片机和图形液晶显示器接口应用技术[J].电子产品世界，2001.
[7] 李剑辉，张锐，高辉.点阵式LCD与AT89C52单片机的接口技术[J].信息技术，2003.
[8] 李华.MCS-5系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，1993.
[关键词]单片机 数字电压表 电路设计 AT89C51芯片
中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0012-02
数字电压表，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本次设计系统是以AT89C51单片机为核心，辅以简单的控制电路，设计了一种切换量程的数字电压表。系统中，模拟电压信号由A/D转换器TLC2543采集，以数字信号的方式传给单片机进行处理，并加以控制。控制系统包含硬件和软件两部分。硬件部分包括：单片机最小系统、电压采集电路、量程控制电路、电压显示电路以及其他一些外围接口电路。软件部分包括：主程序的流程设计，其涵盖了电压采集子程序、字符转换子程序、LCD液晶显示子程序等，这些子函数都体现出系统软件设计模块化的结构特点。通过单片机对信号处理并加以适当的算法控制，从而驱动相应的硬件电路，实现电压控制的目的。
系统硬件结构：
系统是以AT89C51单片机作为主控器，通过扩展必要的外围接口电路，包括电压采集、输入和输出、电压的量程控制、显示等电路，实现数字电压表的系统化设计。其系统结构框图如下图1所示：
本次设计主要由单片机模块、电压输入模块、A/D转换模块、量程控制模块、液晶显示模块等5部分组成。A/D模拟转换芯片将直流电压模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，写入单片机中。以AT89C51单片机为控制核心，通过A/D转换电路来将模拟信号转换成数字信号，通过电阻的改变来切换量程的改变，从而实现不同电压量程的切换。它的最高量程为200V，分三个档位量程，即2V，20V，200V，可以通过调档开关来实现各个档位。当测得电压的数值小于1V时，系统会自动的将电压数值转换为以mV为电压单位的电压值。并且通过按键的方法能够测得后五秒的平均电压值。
系统主程序的设计：
系统主程序的主要功能是负责电压采集、处理、显示三部分，本次设计主要包括以下方面：
1、按照硬件电路对单片机位定义。
2、编写延时模块子程序。
3、编写液晶显示器1602的初始化子程序。
4、编写驱动1602液晶显示模块程序。
5、编写驱动A/D转换模块程序。
6、编写A/D转换后对电压的处理函数子程序
7、编写键盘扫描模块程序。
其程序设计流程图2如下所示：
系统经过复位后，先对单片机、模/数（A/D）转换器、液晶显示屏LCD1602等进行初始化，初始化完成后通过输入电路给数字电压表输入模拟电压，在电压测量过程中，先通过滑动变阻器来控制输入信号的衰减率、通过按钮来选择不同的档位，然后调用A/D转换子函数，并对模/数转换的结果进行简单的处理，最后通过液晶屏LCD1602进行显示。
系统整体硬件电路图3如下（proteus环境）：
硬件设计注意事项：
整个系统的模拟地和数字地不要交叉共地，模拟地和数字地要分别独立开来，避免信号之间的干扰。同时液晶的读写要注意它们之间的时序，最好要弄清它的型号和用户手册中的提到的地址问题，再进行它与单片机之间的数据读写操作。不仅如此，器件之间的兼容性和工作最大电流和电压问题也是本次硬件设计的重点。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I /O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。在本系统中，AT89C51单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。按系统功能需求，需要配置档位转换、LCD显示等。系统的扩展和配置设计遵循下列原则：
1、尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法；
2、系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便二次开发；
3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产上相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，但由软件实现的硬件功能，其相应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间；
4、整个系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配；
5、可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择等；
6、该系统的所有元器件必须满足5V的工作电压。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础·数字部分.第五版.高等教育出版社，2002.
[2] 康华光.电子技术基础·模拟部分.第五版.高等教育出版社，2002.
[3] 施保华，杨三青，周凤星.计算机控制技术[M].华中科技大学出版社，2007.
[4] 王伟，刘晓平，高精度数字电压表方案设计[J]；仪表技术；2007（4）.
[5] 徐爱钧.Keil Cx51V7.0单片机高级语言编程与Vision应用实践.第二版.清华大学出版社，2008.
[6] 陆爱明.单片机和图形液晶显示器接口应用技术[J].电子产品世界，2001.
[7] 李剑辉，张锐，高辉.点阵式LCD与AT89C52单片机的接口技术[J].信息技术，2003.
[8] 李华.MCS-5系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，1993.