直流數字電壓表設計與Proteus應用

朱曉玲

（武漢職業技術學院機電工程學院，湖北 武漢430074）

0 引 言

數字電壓表采用數字化測量技術，把連續的模擬量，即連續的電壓值轉變為不連續的數字量，加以數字處理然后通過顯示器件顯示。數字電壓表把電子技術、計算技術、自動化技術的成果與精密電測量技術密切的結合在一起，成為儀器、儀表領域中獨立而完整的一個分支。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，讀數方便，抗干擾能力和可擴展性強等優點，已被廣泛地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。

1 Proteus軟件介紹

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。其處理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和 MSP430等眾多類型，在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

Proteus軟件具有其它EDA工具軟件如Multisim的功能。例如原理布圖、PCB自動或人工布線、SPICE電路仿真等，還可供用戶實時采用諸如RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分I2C器件。Proteus軟件可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發環境。

Proteus最大的亮點在于能夠對單片機進行實物級的仿真；從程序的編寫、編譯到調試，目標版的仿真一應俱全；支持匯編語言和C語言的編程；還可配合Keil C實現程序的聯合調試，將Proteus中繪制的原理圖作為實際中的目標板，而用Keil C集成環境實現對目標板的控制，與實際中通過硬件仿真器對目標板的調試幾乎完全相同；并且支持多顯示器的調試，即Proteus運行在一臺計算機上，而Keil C運行在另一臺計算機上，通過網絡連接實現遠程的調試。

2 直流數字電壓表設計與仿真

直流數字電壓表的設計采用了以單片機為開發平臺，控制系統采用AT89C52單片機，A/D轉換采用ADC0832，顯示元件采用1602型LCD。其系統結構如圖1。

2.1 ADC0832

ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片，其最高分辨率可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5 V之間。芯片轉換時間僅為32μs，具有雙數據輸出，可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易地實現通道功能的選擇。

ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效，與單片機的接口是雙向的，設計中將DO和DI并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平，并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能。

作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0～5 V，且8位分辨率時的電壓精度為19.53 mV。

2.2 AT89C52單片機

AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含8kB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256B的RAM。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS－51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用。其特征如下：

（1）兼容MCS51指令系統；

（2）8k可反復擦寫（大于1 000次）Flash ROM；

（3）32個雙向I/O口；

（4）256×8bit內部RAM；

（5）3個16位可編程定時/計數器中斷；

（6）時鐘頻率0－24 MHz；

（7）2個串行中斷，可編程UART串行通道；

（8）2個外部中斷源，共8個中斷源；

（9）2個讀寫中斷口線，3級加密位；

（10）低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；

（11）有PDIP、PQFP、TQFP及 PLCC等幾種封裝形式，以適應不同產品的需求。

2.3 1602型LCD

1602型LCD顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，其可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0～D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5 V，并且具有字符對比度調節和背光功能。

圖2 直流數字電壓表Proteus仿真

2.4 Proteus仿真

直流數字電壓表Proteus仿真如圖2。

3 數據分析

萬用表和設計電壓表測量同一組電壓值所得結果如表1所示。

表1 測量結果

通常所需要測量的被測電壓不是一個定值，一般都有一些微小的變化，因此測量值會有微小的變動。測量結果符合要求。

4 結 論

采用Proteus軟件進行仿真設計，可以節約系統開發成本，縮短開發周期。上述運用Proteus軟件完成直流數字電壓表設計，通過實測結果驗證其能滿足設計要求。

［1］ 侯寶玉，陳中平.基于proteus的51系列單片機設計與仿真［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［2］ 李 芳，李家慶.基于Proteus＋Keil的單片機實驗仿真平臺［J］.中國教育技術裝備，2009，（04）：11－13.

［3］ 陳海宴 編著.51單片機原理及應用——基于Keil C與Proteus［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.