單片機數字電壓表的設計與制作

【摘要】本文介紹一種基于51單片機的簡易數字電壓表的設計制作，該設計主要由三個模塊組成：A/D轉換模塊，數據處理模塊及顯示模塊。A/D轉換主要由芯片ADC0808來完成，它負責把采集到的模擬量轉換為相應的數字量在傳送到數據處理模塊。數據處理則由芯片AT89C51來完成，其負責把ADC0808傳送來的數字量經過一定的數據處理，產生相應的顯示碼送到顯示模塊進行顯示。數字電壓表測量分為OV-1.999V，2.000V-19.99V，20.00V-199.9V，200.0V-1999V四個檔位，并通過一個四位一體的7段數碼管顯示出來。

【關鍵詞】單片機；數字電壓表；A/D轉換；設計制作

1.引言

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，而電壓的測量最為常見，現在學生使用的數字萬用表能夠測量多種電量，并且具有一定的精度，使用方便。為了讓學生更好地了解數字電壓表的工作原理，從而激發他們對單片機課程的學習興趣。本文從軟硬件設計、PROTEUS仿真、制作實物、誤差分析幾個方面著手，闡述數字電壓表的工作原理、數據的程序處理方法、數字信號軟件濾波原理。

2.硬件設計

硬件電路設計由4個部分組成：A/D轉換電路，AT89C51單片機系統，LED顯示系統、測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。其總設計框圖如下：

此電路的工作原理是：+5V模擬電壓信號通過變阻器VR1分壓后由ADC08008的IN0通道進入（由于使用的IN0通道，所以ADDA，ADDB，ADDC均接低電平），經過模/數轉換后，產生相應的數字量經過其輸出通道D0-D7傳送給AT89C51芯片的P0口，AT89C51負責把接收到的數字量經過數據處理，產生正確的7段數碼管的顯示段碼傳送給四位LED，同時它還通過其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3產生位選信號控制數碼管的亮滅。

簡易數字直流電壓表的硬件電路已經設計完成，就可以選取相應的芯片和元器件，利用Proteus軟件繪制出硬件的原理，并仔細地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實現電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應的軟件配合，才能達到設計要求。

3.軟件設計

根據模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構成了整個系統軟件的主程序，如圖2所示。

整個程序設計的核心在于對A/D轉換的數據進行處理，包括數字濾波處理，數據小數位數的處理等。A/D轉換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應的數值存入相應的內存單元。

顯示子程序采用動態掃描實現四位數碼管的數值顯示，在采用動態掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設置適當的掃描頻率，當掃描頻率在70HZ左右時，能夠產生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進行動態掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。

4.結果及誤差分析

由于單片機AT89C51為8位處理器，當輸入電壓為5.00V時，ADC0808輸出數據值為255（FFH），因此單片機最高的數值分辨率為0.0196V（5/255）。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196V，從表1可看到，測試電壓一般以0.01V的幅度變化。

當IN0口輸入電壓值為13.5V時，顯示結果如圖3所示。測量誤差為0.1V。

從表1可以看出，簡易數字電壓表測得的值基本上比標準電壓值偏大0-0.01V，這可以通過校正ADC0808的基準電壓來解決或者通過軟件校準的方式來降低誤差。因為該電壓表設計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計算程序的除數進行調整就可以了。

從測試的數據看，其絕對誤差均控制在1V以下，而相對誤差均在1%以下，能夠滿足大部分場合應用的需要，如采用實驗數據歸納的方法，將得出的數據繪制成曲線，再使用更為合理的算法，將得到更加準確的結果。

參考文獻

[1]石文華.劉金平，黃丹輝.單片機原理及應用[M].中國電力出版社，2005，2.

[2]于永，戴佳，常江.51單片機C語言常用模塊與綜合系統設計實例精講[M].電子工業出版社，2007，4.

[3]劉秀峰.單片機原理與應用[M].北京理工出版社，2011.

作者簡介：

帥江華，上饒職業技術學院講師。

李志宜，上饒職業技術學院講師。