电气测量技术
课程设计
题 目： 交流电压表设计 学 院： 电气信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化1623 姓 名： 黄 铭（201650712326）
完成时间： 2017年5月26
目录
引言 ..........................................................................................................................................................................2 1 测量原理及系统结构 .....................................................................................................................................3 2 硬件电路设计 ...................................................................................................................................................4
2.1 A/D转换模块 ....................................................................................................................................4 2.2 单片机系统 ........................................................................................................................................5
2.2.1 AT89C51性能和功能 .........................................................................................................5 2.3 复位电路和时钟电路 ......................................................................................................................6
2.3.1 复位电路设计 .......................................................................................................................6 2.3.2 时钟电路设计 .......................................................................................................................6 2.4 LED显示系统设计 ...........................................................................................................................7
2.4.1 LED显示器的选择 ..............................................................................................................7 2.4.2 LED显示器与单片机接口设计 .......................................................................................8 2.5 总体电路设计 ....................................................................................................................................8 3 软件设计 ......................................................................................................................................................... 10
3.1 程序设计总方案 ............................................................................................................................ 10 3.2 系统子程序设计 ............................................................................................................................ 10
3.2.1 初始化程序 ......................................................................................................................... 10 3.2.2 A/D转换子程序 ................................................................................................................ 10 3.2.3 显示子程序 ......................................................................................................................... 11
4 仿真调试及测试结果 .................................................................................................................................. 12
4.1 软件调试 ......................................................................................................................................... 12 4.2 显示结果及误差分析................................................................................................................ 12
4.2.1 显示结果 ............................................................................................................................. 12 4.2.2 误差分析 ................................................................................................................................ 14
结论 ....................................................................................................................................................................... 15 参考文献 .............................................................................................................................................................. 16
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。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。
传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。
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%。
目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。
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。
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1 测量原理及系统结构
DVM的种类有多种，分类方法也很多，有按位数分的，如3/2位、5位、8位;有按测量速度分的，如高速、低速;有按体积、重量分的，如袖珍式、便携式、台式。但通常是按A/D转换方式的不同将DVM分成两大类，一类是直接转换型，也称比较型;另一类是间接转换型，又称积分型，包括电压-时间变换(VT变换)和电压-频率变换(V-f变换)。
(1)逐次逼近比较型 逐次逼近比较型电压表是利用被测电压与不断递减的基准电压进行比较，通过比较最终获得被测电压值，然后送显示器显示的。虽然逐次比较需要一定时间，要经过若干个节拍才能完成，但只要加快节拍的速度，还是能在瞬间完成一次测量的。
(2)电压-时间变换型 所谓电压-时间变换型是指测量时将被测电压值转换为时间间隔△t，电压越大，△t越大，然后按△t大小控制定时脉冲进行计数，其计数值即为电压值。电压-时间变换型又称为V-T型或斜坡电压式。
(3)电压-频率变换型 所谓电压-频率变换型是指测量时将被测电压值转换为频率值，然后用频率表显示出频率值，即能反映电压值的大小，这种表又称为V-f型。 系统结构
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 AT89C51 P1 P2 P2 P0 A/D转换电路 测量电压输入 显示系统
图1 数字电压表系统硬件设计框图
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2 硬件电路设计
2.1 A/D转换模块
现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。
逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：
顺序脉冲发生器 图2 逐次逼近式A/D转换器原理图
ADC0808由8路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图3所示。
逐次逼近寄存器 输入数字量 电压 比较器 输入电压 ADC 4
图3 ADC0808的内部结构
2.2 单片机系统
2.2.1 AT89C51性能和功能
单片机系统 AT89C51性能和功能
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储器；寿命：1000次写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片内震荡器和掉电模式。
AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图4所示。
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图4 AT89C51的引脚图
2.3 复位电路和时钟电路
2.3.1 复位电路设计
单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图5是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。
图5 复位电路
2.3.2 时钟电路设计
单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需
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附加其他电路。
本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图6所示。
图6 时钟电路
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±10pF，在这个系统中选择了33pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。
2.4 LED显示系统设计
2.4.1 LED显示器的选择
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。
4-LED显示器引脚如图7所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。
图7 4位LED引脚
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。
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2.4.2 LED显示器与单片机接口设计
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。
为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0口上外接的上拉电阻来实现，即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口德驱动能力，使得LED能按照正常的亮度显示出数字，如图8所示。
图8 LED与单片机接口间的设计
2.5 总体电路设计
经过以上的设计过程，可设计出基于单片机的简易数字直流电压表硬件电路原理图如图9所示。
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图9 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ADC08008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。
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3 软件设计
3.1 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10所示。
结束
图10 数字式直流电压表主程序框图
开始 初始化 调用A/D转换子程序 调用显示子程序
3.2 系统子程序设计
3.2.1 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。
3.2.2 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11所示。
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结束
图11 A/D转换流程图
开始 启动转换 A/D转换结输出转换结果 数值转换 显示 3.2.3 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，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。
在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。
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4 仿真调试及测试结果
4.1 软件调试
软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与u Visions3 IDE工具软件结合进行编程仿真调试。
本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。
4.2 显示结果及误差分析
4.2.1 显示结果
1. 当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图12所示，测量误差为0V。
图12输入电压为0V时，LED的显示结果
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2.当IN0输入电压值为1.50V时，显示结果如图13所示。测量误差为0.01V。
图13 输入电压为1.50V时，LED的显示结果
3. 当IN0口输入电压值为3.50V时，显示结果如图14。测量误差为0.01V。
图14 输入电压为3.50V时，LED的显示结果
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4.2.2 误差分析
通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表所示：
简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表 标准电压值/V 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.99 简易电压表测量值/V 0.00 0.51 1.00 1.51 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 5.00 0.00 0.01 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 绝对误差/V 由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0808输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般以0.01V的幅度变化。
从上表可以看出，简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01V，这可以通过校正ADC0808的基准电压来解决。因为该电压表设计时直接用5V的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。
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结论
经过一段时间的努力，基于单片机的简易数字电压表设计论文基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。
基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作性能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。
通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，比以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。
总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。
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参考文献
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