基于51單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測量技術(shù)對測量的精度和功能的要求也越來越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測量設(shè)備，它可以很好的滿足測量精度和功能的要求。本設(shè)計(jì)利用AT89S51單片機(jī)技術(shù)結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換（采用ADC0809）構(gòu)建了一個直流數(shù)字電壓表。經(jīng)過對數(shù)字電壓表基本原理的分析，本文設(shè)計(jì)了一個以51單片機(jī)為核心的數(shù)字電壓表系統(tǒng)，給出了直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了電壓測量子系統(tǒng)和電流測量子系統(tǒng)，給出了硬件電路的框圖、電氣原理圖和軟件流程圖。系統(tǒng)設(shè)置了3個鍵的鍵盤，用于設(shè)定電壓、電流切換的功能鍵、系統(tǒng)復(fù)位鍵以及清零鍵。關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；AT89S51單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；ADC0809；

AbstractAselectronicscienceandtechnologydevelopment,electronicmeasurementtechnologyontheaccuracyofmeasurementandfunctionalrequirementsareincreasinglyhigh,anddigitalvoltmetermeasurementequipmentasthebasiclaboratory,itcanwellmeetthemeasuringprecisionandfunctionrequirements.AdcdigitalvoltmeterisbuiltbyusingAT89S51withtheA/Dconvertor(ADC0809)inthepaper.ThispaperfirstintroducesthemainmethodanddesignvoltmeterSCMsystemadvantage;Thenintroducesthedesignprocessofdcdigitalvoltmeter,andhardwaresystemandthedesignofsoftwaresystem,andgivesthehardwarecircuitdesignsystemdiagramandsoftwaresystemdesignflowdiagram.Keywords:Digitalvoltmeter；AT89S51MCS;A/Dconversion;ADC0809.

目錄1緒論 11.1前言 11.2數(shù)字電壓表的介紹 11.2.1數(shù)字電壓表的發(fā)展概況 11.2.2數(shù)字電壓表在各領(lǐng)域中的應(yīng)用 21.2.3數(shù)字電壓表的優(yōu)點(diǎn) 21.3單片機(jī)的介紹 31.3.1單片機(jī)簡介 31.3.2單片機(jī)的發(fā)展概況 PAGEREF_Toc294141211\h31.3.3單片機(jī)的應(yīng)用 41.3.4單片機(jī)的特點(diǎn) 61.4課題背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4\h61.5本文主要研究內(nèi)容 82數(shù)字電壓表的工作原理 92.1數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu) 9HYPERLINK\l"_Toc294141218"2.2數(shù)字電壓表的工作原理 92.2.1模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路 102.2.2多量程數(shù)字電壓表分壓原理 10HYPERLINK\l"_Toc294141221"2.2.3多量程數(shù)字電壓表分流原理 113硬件系統(tǒng)各模塊具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 143.1單片機(jī)的選擇 143.1.1AT89S51的引腳框圖 153.1.2AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 173.2A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 183.2.1ADC0809的引腳結(jié)構(gòu) 193.2.2ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 213.3顯示器的選擇 213.4鍵盤的選擇 233.5表筆探針設(shè)計(jì) 244系統(tǒng)總體方案研究 254.1總體方案確定 PAGEREF_Toc294141233\h254.2系統(tǒng)框圖及闡述 254.3ADC0809與AT89S51的連接 264.4鍵盤與單片機(jī)的連接 236\h274.5多量程數(shù)字電壓表檔位切換原理 284.5.1多量程電壓的測量 284.5.2多量程電流的測量 305系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 315.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思想 315.2系統(tǒng)單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 31HYPERLINK\l"_Toc294141243"5.2.1鍵盤的處理 315.2.2顯示的處理 315.2.3檔位切換的處理 326系統(tǒng)軟件流程圖 336.1主程序流程圖 336.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖 347設(shè)計(jì)總結(jié) PAGEREF_Toc294141249\h35參考文獻(xiàn) 36致謝 37附錄 38西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE381緒論1.1前言數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC進(jìn)行實(shí)時通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。1.2數(shù)字電壓表的介紹1.2.1數(shù)字電壓表的發(fā)展概況數(shù)字電壓表出現(xiàn)在50年代初，60年代末發(fā)起來的電壓測量儀表，簡稱DVM。它采用的是數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示器件顯示。這種電子測量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制實(shí)驗(yàn)研究的領(lǐng)域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)碼的要求，即為了實(shí)時控制及數(shù)據(jù)處理的要求；另一方面，也是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時，為革新電子測量中的煩瑣和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。如今，數(shù)字電壓表已絕大部分取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一、精度低，讀數(shù)的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測量精度高、速度快，讀數(shù)時也非常方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于電子及電工的測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。數(shù)字電壓表最初是伺服步進(jìn)電子管比較式，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度慢，重量達(dá)幾十公斤，體積大。繼之出現(xiàn)了斜波式電壓表，它的速度方面稍有提高，但是準(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進(jìn)逐次漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，他不僅保持了比較式準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點(diǎn)是抗干擾能力差，很容易受到外界各種因素的影響。隨后，在斜波式的基礎(chǔ)上雙引申出階梯波式[1]，它的唯一的進(jìn)步是成本降低了，可是準(zhǔn)確度、速度以及抗干擾能力都未能提高。而現(xiàn)在，數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)是非常的成熟，就原理來講，它從原來的一、二種已發(fā)展到多種，在功能上講，則從測單一參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作元件來看，發(fā)展到了集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度高達(dá)1μV；讀數(shù)每秒幾萬次，而相對以前，它的價格也降低了很多。所以，這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際上，都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。1.2.2數(shù)字電壓表在各領(lǐng)域中的應(yīng)用在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量。其中，電壓量的測量最為經(jīng)常。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點(diǎn)而倍受用戶青睞，數(shù)字式電壓表就是基于這種需求而發(fā)展起來的，目前數(shù)字電壓表已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。是一種必不可少的電子測量儀表。1.2.3數(shù)字電壓表的優(yōu)點(diǎn)（1）顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確；（2）準(zhǔn)確度高；（3）分辨度高；（4）測量范圍寬；（5）擴(kuò)展能力強(qiáng)；（6）測量速度快；（7）輸入阻抗高；（8）集成度高，微功耗；（9）抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。單單片機(jī)數(shù)字顯示+——圖1.1數(shù)字電壓表基本結(jié)構(gòu)可見數(shù)字電壓表的核心是單片機(jī)，下面介紹單片機(jī)。1.3單片機(jī)的介紹1.3.1單片機(jī)簡介單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器，隨機(jī)存取存儲器、輸入/輸出電路，可能還包括定時/計(jì)數(shù)器、串行通信口、顯示驅(qū)動電路、脈沖調(diào)制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路集成到一片芯片上，構(gòu)成一個既小而有完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。有以上分析可以看出，單片機(jī)出了具備微處理器的功能外，還可以單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這也是單片機(jī)最大的特點(diǎn)。1.3.2單片機(jī)的發(fā)展概況隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)先后經(jīng)歷了4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)的發(fā)展階段:（1）1971年，美國Intel公司首先推出了4位微處理器芯片4004；1975年，美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機(jī)TMS-1000；此后，各個計(jì)算機(jī)生產(chǎn)公司競相推出4位單片機(jī)[2]。（2）1972年Intel公司首先推出了8位微處理器8008，并與1976年9月率先推出MCS-48系列8位單片機(jī)，使單片機(jī)發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。在這之后，8位單片機(jī)紛紛面世。（3）1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬只管/片，各系列16位單片機(jī)紛紛面世。這一階段的產(chǎn)品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96，美國國家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040,NEC公司推出的783XX系列等[3]。（4）隨著高新技術(shù)在智能機(jī)器人、光盤驅(qū)動器、激光打印機(jī)、圖像與數(shù)據(jù)實(shí)時處理、復(fù)雜實(shí)時控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，20世紀(jì)80年代末推出了32位單片機(jī)，如Motorola的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年來流行的ARM系列單片機(jī)。32位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價格的下降，將會與8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。（5）近年來，64位單片機(jī)在引擎控制、智能機(jī)器人、磁盤控制、語言/圖像通信、算法密集的實(shí)時控制等場合已有應(yīng)用，如英國Inmos公司的TransputerT800是高性能64位單片機(jī)。雖然單片機(jī)的發(fā)展按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位、64位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒有出現(xiàn)像微處理器那樣推陳出新、更新?lián)Q代的局面，這也是單片機(jī)發(fā)展的一大特點(diǎn)。8位單片機(jī)是市場的主流產(chǎn)品，但32位單片機(jī)的發(fā)展也很迅速。1.3.3單片機(jī)的應(yīng)用目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制,計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，廣泛使用的各種智能IC卡等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。單片機(jī)的特點(diǎn)主要有：高集成度，體積小，高可靠性；控制功能強(qiáng)；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；易擴(kuò)展；優(yōu)異的性能價格比?，F(xiàn)今，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。此外在開發(fā)和應(yīng)用過程中我們更要掌握技巧，提高效率，以便于發(fā)揮它更加廣闊的用途。在現(xiàn)實(shí)中單片機(jī)控制應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等各個領(lǐng)域深刻了解其轉(zhuǎn)速控制有重大意義，現(xiàn)實(shí)中大致可分如下幾個范疇：（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。（2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)，以及本設(shè)計(jì)的控制調(diào)速系統(tǒng)等。（3）在家用電器中的應(yīng)用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。（4）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機(jī)等[4]。（5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。[5]1.3.4單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)的一塊半導(dǎo)體芯片集成了一太微型計(jì)算機(jī)的基本部件，在硬件結(jié)構(gòu)、指令功能方面均有獨(dú)特之處，主要特點(diǎn)如下：單片機(jī)內(nèi)集成了存儲器。單片機(jī)存儲結(jié)構(gòu)將ROM和RAM嚴(yán)格分工。為了滿足工業(yè)控制的需要，單片機(jī)有很強(qiáng)的位處理功能，在其他邏輯控制功能方面也都優(yōu)于一般的8位微處理器。8位處理器的引腳功能一般都是固定的。單片機(jī)類型多，并且便于擴(kuò)展功能。單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的各個部分集成在一塊芯片上，大大縮短了系統(tǒng)內(nèi)信號的傳送距離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度。由于單片機(jī)具有體積小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、價格低廉等特點(diǎn)。1.4課題背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近20年來，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。這一背景和形勢，不斷地向儀器儀表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、靈敏度更高、穩(wěn)定性更好、樣品量更少、遙感遙測更遠(yuǎn)距、使用更方便、成本更低廉、無污染等，同時也為儀器儀表科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動力，并成了儀器儀表進(jìn)一步發(fā)展的物質(zhì)、知識和技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的儀器儀表將仍然朝著高性能、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)保和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展。新型的儀器儀表與元器件將朝著小型化、集成化、成套化、電子化、數(shù)字化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、計(jì)算機(jī)化、綜合自動化、光機(jī)電一體化；在服務(wù)上專門化、簡捷話、家庭化、個人化、無維護(hù)化以及組裝生產(chǎn)自動化、無塵化、專業(yè)化、規(guī)?；摹岸钡姆较虬l(fā)展[6]。在這“二十化”中，占主導(dǎo)地位、起核心或關(guān)鍵的作用是微型化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、數(shù)字化和智能化。（1）微型化MEMS(MicroElectro-MechanicalSystem)是一項(xiàng)被視為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的傳感器及信號處理新技術(shù)，并且被列為美國“對國家安全及繁榮有重大影響”的22項(xiàng)重大技術(shù)之一，主要是依托微型化技術(shù)[7]。應(yīng)用MEMS技術(shù)的微型儀器儀表被稱為芯片上的儀器儀表。它是一種集成了微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)和控制物理環(huán)境的芯片及設(shè)備。它具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可替代傳統(tǒng)傳感器，而且其低成本、高性能的優(yōu)勢使其能在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而開辟了更廣闊的新興市場。（2）網(wǎng)絡(luò)化通常，基于Internet的測控系統(tǒng)以一個功能強(qiáng)大的微處理器和一個嵌入式操作系統(tǒng)為支撐，使其前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸。在這個平臺上，使用者可以方便地實(shí)現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇?；贗nternet的測控系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)，是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變，它對測量、控制信號等的傳輸，完全是建立在公共的Internet之上，操作使用便捷。（3）虛擬化在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)實(shí)由PC機(jī)的軟件來完成，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。（4）數(shù)字化、智能化微電子技術(shù)的進(jìn)步，使儀器儀表產(chǎn)品與微處理器、PC技術(shù)融合得更為緊密，其數(shù)字化、智能化程度不斷提高。尤其在儀器儀表的設(shè)計(jì)中采用了大量的超大規(guī)模集成（VLSI）的新器件，表面貼裝技術(shù)（SMT）、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成（WSI）和多芯片模塊（MCM）等新工藝以及CAD,CAM,CAPP,CAT等計(jì)算機(jī)輔助手段，使多媒體、人機(jī)交互、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在現(xiàn)代儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用[8]。使得越來越多的智能化儀器儀表具有專家系統(tǒng)和推斷、分析、決策、優(yōu)化控制功能以及通信功能。同時，在遙控診斷信息、測試速度和精確性等方面均有大幅度提高。數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)和開發(fā)，已經(jīng)有多種類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表各有特點(diǎn)，它們適合在現(xiàn)場做手工測量，要完成遠(yuǎn)程測量并要對測量數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析處理，傳統(tǒng)數(shù)字電壓表是無法完成的。然而基于PC通信的數(shù)字電壓表，既可以完成測量數(shù)據(jù)的傳遞，又可以借助PC，做測量數(shù)據(jù)的處理。所以這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際應(yīng)用上，都具有傳統(tǒng)數(shù)字電壓表無法比擬的特點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用具有良好的前景。數(shù)字電壓表的發(fā)展大致如下：(1)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用20世紀(jì)90年代初世界各國相繼研發(fā)了新的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如：四斜率A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（美國）、余數(shù)再循環(huán)技術(shù)（美國）、自動校準(zhǔn)技術(shù)（英國）、固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)（英國）、約瑟夫森效應(yīng)基準(zhǔn)源（2*10-9穩(wěn)定度）能化專用芯片（80C51系列，荷蘭）等，這些新技術(shù)使數(shù)字電壓表向高準(zhǔn)確度、高可靠性及智能化、低成本方向發(fā)展[9]。(2)智能化階段隨著電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路（LSI）及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使人們不久即研制出微處理器件（μP）數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)了DVM數(shù)據(jù)處理自動化和可編程序。因?yàn)閹в写鎯ζ鞑⑹褂密浖С郑钥蛇M(jìn)行信息處理，可通過標(biāo)準(zhǔn)接口做成自動測量系統(tǒng)（ATS），能夠自校、自檢，保證了自動測量的高準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了儀器儀表的智能化[10]。當(dāng)前，智能化儀表發(fā)展十分迅速，而未處理式DVM在智能儀表中占有的比重最大。智能化的DVM為實(shí)現(xiàn)各種物理量的動態(tài)測量提供了可能。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電子的數(shù)字化儀表，幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動化儀表等各個領(lǐng)域。因此對數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。1.5本文主要研究內(nèi)容隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測量技術(shù)對測量的精度和功能的要求也越來越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測量設(shè)備，它可以很好的滿足測量精度和功能的要求。本設(shè)計(jì)利用AT89S51單片機(jī)技術(shù)結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換（采用ADC0809）構(gòu)建了一個直流數(shù)字電壓表。經(jīng)過對數(shù)字電壓表基本原理的分析，本文設(shè)計(jì)了一個以51單片機(jī)為核心的數(shù)字電壓表系統(tǒng)，給出了直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了電壓測量子系統(tǒng)和電流測量子系統(tǒng)，給出了硬件電路的框圖、電氣原理圖和軟件流程圖。系統(tǒng)設(shè)置了3個鍵的鍵盤，用于設(shè)定電壓、電流切換的功能鍵、系統(tǒng)復(fù)位鍵以及清零鍵；四位LED顯示器；紅、黑測量探針一對。2數(shù)字電壓表的工作原理2.1數(shù)字電壓表的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字電壓表的基本功能是能夠測量電壓，電流值，數(shù)字電壓表的基本組成框圖見圖2.1。各部分的功能：8位A/D轉(zhuǎn)換器0809：將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。基準(zhǔn)電源：提供精密電壓，供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。顯示器：四位數(shù)字顯示，將單片機(jī)輸出的數(shù)值顯示。單片機(jī)89S51:接受鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)檔位切換和量程轉(zhuǎn)換，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，把測量值送到顯示器。鍵盤：進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位、清零以及功能的選擇。電壓電壓電流A/D轉(zhuǎn)換模塊LED顯示模塊鍵盤模塊單片機(jī)系統(tǒng)模塊輸入端模塊檔位切換模塊控制線圖2.1數(shù)字電壓表的基本組成圖2.2數(shù)字電壓表的工作原理數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，數(shù)字式電壓表是由高阻抗電壓表頭與分壓電路組成的。下面將分別介紹各個部分的組成。2.2.1模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值（大?。┻B續(xù)變化的所謂模擬量（模擬信號）。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)行顯示和處理（如存儲、傳輸、打印、運(yùn)算等）。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值（大小）是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”，若最小量化單位（量化臺階）為△，則數(shù)字信號的大小一定是△的整倍數(shù)，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù)碼變換（譯碼）后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設(shè)△=0.1mV，我們把被測電壓U與△比較，看U是△的多少倍，并把結(jié)果四舍五入取為整數(shù)N（二進(jìn)制）。一般情況下，N≥1000即可滿足測量精度要求（量化誤差≤1/1000=0.1%）。數(shù)字表頭最大示數(shù)為9999，稱為四位數(shù)字表。因此移動小數(shù)點(diǎn)的位置就可顯示出來對應(yīng)的單位值。2.2.2多量程數(shù)字電壓表分壓原理數(shù)字電壓表的多量程電壓檔電路為圖2.2所示。200mV200mV2V20V200V2000V1K9K90K900KR5R4R3R29MR1UiA/D單片機(jī)LEDKU圖2.2分壓電路圖該設(shè)計(jì)是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的，如先確定：R=R1+R2+R3+R4+R5=10M；再計(jì)算2000V檔的電阻：R5=0.0001R=1K；再逐檔計(jì)算R4、R5、R2、R1。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字電壓表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000V。如圖所示，接通電壓測量電路，Ui為由紅色表筆測量所得的輸入電壓，單片機(jī)內(nèi)部由高到低對KU進(jìn)行導(dǎo)通，從而逐個對輸入電壓進(jìn)行檢測，單片機(jī)最終選擇適合的檔位進(jìn)行選通，其中開關(guān)KU受繼電器線圈JU（圖4.4）控制，之后電壓信號通過A/D的IN0(-信號接入口)與IN1(+信號接入口)進(jìn)入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后送給單片機(jī)。最后可根據(jù)檔位自動調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，使用者可以方便地讀出測量結(jié)果。2.2.3多量程數(shù)字電壓表分流原理數(shù)字電壓表的電流檔電路如圖2.3所示。0.10.10.990900D2D1BXIiR1R2R3R4R59KIA/D單片機(jī)LED圖2.3分流電路圖中各檔分流電阻的阻值是這樣計(jì)算的：先計(jì)算最多是電流檔的分流電阻R5：R5===0.1（）再計(jì)算下一檔的R4R4=-R5=-0.1=0.9（）依次可計(jì)算出R5、R2、和R1。當(dāng)接通電流測量電路時，電流首先通過保險絲管BX，以防電流過大時它可快速熔斷，起過流保護(hù)作用。接下來，兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D1、D2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航担O管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制?。ㄐ∮?.7V），保護(hù)電壓表不被損壞。其中開關(guān)KI受繼電器JI控制。之后電流信號通過A/D的IN2(-信號接入口)與IN3(+信號接入口)進(jìn)入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后送給單片機(jī)。最終單片機(jī)將自動選擇出最適合的量程檔位，而且顯示器將根據(jù)單片機(jī)判斷出的檔位自動調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，以方便使用者讀數(shù)。例如：當(dāng)2mA的電流流進(jìn)來時，單片機(jī)將直接將繼電器開關(guān)打到KI0處，經(jīng)過分流電阻后，所得電壓為0.2mV，由于A/D最小能測到的數(shù)值為20mV，所以選通KI0時所測的數(shù)A/D檢測不到，此時單片機(jī)將繼續(xù)選通下一個繼電器開關(guān)，依次通過KI1、KI2、直到選通KI3時，經(jīng)過分流電阻后，所得電壓為0.2V，此時可測，因此2mA電流時最終選通的是KI3，以此類推，其他被測量進(jìn)入時，都按照以上方法進(jìn)行逐個檢測、選通。3硬件系統(tǒng)各模塊具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)3.1單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列單片機(jī)。由美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51是一種低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，性價比高的AT89S51可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89S51具有如下特點(diǎn):40個引腳,4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器,128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷,2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口,看門狗(WDT)電路,片內(nèi)時鐘振蕩器[11]。AT89S51的優(yōu)點(diǎn)：（1）新增加了很多功能，性能有了較大提升。（2）ISP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個強(qiáng)大易用的功能。（3）最高工作頻率為33MHz，89C51的極限工作頻率是24M，S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。（4）具有雙工UART串行通道。（5）內(nèi)部集成看門狗計(jì)時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時器單元電路。（6）雙數(shù)據(jù)指示器。（7）電源關(guān)閉標(biāo)識。（8）全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。（9）兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。3.1.1AAT89S51引腳框圖如圖3.1所示。圖3.1AT89S51引腳框圖AT89S51引腳描述：VCC：AT89S51電源正端輸入，接+5V。GND：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一個20PF的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。RESET：AT89S51的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機(jī)器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/Vpp：“EA”為英文“ExternalAccess”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用8751內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。ALE/PROG：ALE是英文“AddressLatchEnable”的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S51可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因?yàn)锳T89S51是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為“ProgramStoreEnable”的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S51可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個8位寬的開路極（OpenDrain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)作I/O用時可以推動8個LS的TTL負(fù)載。如果當(dāng)EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0～A7）及數(shù)據(jù)總線（D0～D7）。設(shè)計(jì)者必須外加一個鎖存器將端口0送出的地址鎖住成為A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴(kuò)充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個時候P2便不能當(dāng)作I/O來使用了。PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LSTTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當(dāng)作定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋Ｆ湟_分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計(jì)時計(jì)數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計(jì)時計(jì)數(shù)器1輸入。P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.1.2AAT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。RESETRESETP0.0~p0.7P2.0~p2.7P1.0~p1.7P3.0~p3.7P0驅(qū)動器P2驅(qū)動器RAM地址寄存器RAMP0鎖存器器P2鎖存器ROM/EPROM/FLASH程序地址鎖存器緩沖器PC增量器PCDPTR寄存器BACC暫存器2暫存器1SP中斷、串行口及特殊功能寄存器ALUPSW定時及控制指令寄存器P1鎖存器P1鎖存器P3鎖存器P3鎖存器VccVssALEXTAL11XTAL2圖3.2AT89S51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從圖2.2可以看出，51單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲器、4個并行I/O口、串行口、定時/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、震蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器；PC是程序計(jì)數(shù)器；PSW是程序狀態(tài)字寄存器；DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。3.2AA/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號的A/D轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比如ICL71XX系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如本設(shè)計(jì)將用到的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它還可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示[12]。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。ADC0809的主要特性：（1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）（4）單個+5V電源供電。（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度。（7）低功耗，約15mW。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。3.2.1AADC0809的引腳結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3ADC0809的引腳圖IN0-IN7(8條模擬量輸入通道)：ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0-5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大。輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B和C為地址輸入線，用于選通IN0-IN7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7-D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ,VREF(+)，VREF(-)為參考電壓輸入。3.2.2AADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。CLOCKSTARTEOC三態(tài)輸出緩沖器8位A/D轉(zhuǎn)換器8路模擬電路開關(guān)三態(tài)輸出緩沖器8位A/D轉(zhuǎn)換器8路模擬電路開關(guān)～D0~D7IN7D0~D7ALE地址譯碼與鎖存器2-1~2-8ALE地址譯碼與鎖存器ADDA～CGNDOEVREF(+)VREF（-圖3.4ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖3.4可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出緩沖器組成。8路模擬開關(guān)用于選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。IN0～I(xiàn)N7為8路模擬量輸入端，模擬量輸入電壓的范圍是0～5V，對應(yīng)的數(shù)字量為00H～FFH，轉(zhuǎn)換時間為100μs。ADDA、ADDB、ADDC為通道線，用于選擇通道。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。3.3顯示器的選擇LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件。如圖3.5所示，它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。在次顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值用7段顯示管即可。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。本設(shè)計(jì)選用了四位共陽極接法。圖3.5LED的共陽、共陰極接法LED數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的各個端并連在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽極或共陰極則與另一I/O口相連，控制被點(diǎn)亮的位。動態(tài)顯示的特點(diǎn)是：每一時刻只能有1位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流放點(diǎn)亮；對于每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時間間隔（一般為1mS），可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的各個端與一個8位的I/O口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)為：各數(shù)碼管同時點(diǎn)亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹埂９式?jīng)綜合考慮，決定選用LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式。本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示所測量的電流電壓值，為了節(jié)省I/O口，我們使用74LS47來把四位的BCD碼轉(zhuǎn)換成七段LED顯示，下面給出LED與單片機(jī)的接口電路圖，如圖3.6所示。由上圖可以看到，單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3作為BCD碼的輸出口，分別與74LS47的A、B、C和D引腳相接。單片機(jī)的P3.4、P2.5、P2.6和P2.7分別作為四位LED的由低位到高位的373鎖存器的鎖存控制端，高電平有效。這4個373鎖存器的輸出使能端接高電平，使輸出常通，連接到4個LED顯示器。單片機(jī)由低位到高位送給4個LED顯示器數(shù)據(jù)時，在軟件控制下，先準(zhǔn)備好P2.0至P2.3的數(shù)據(jù)，然后在P2.4端產(chǎn)生一個為正脈沖，將數(shù)據(jù)鎖存到DG4。其余類似。3.4鍵盤的選擇本設(shè)計(jì)中鍵盤主要設(shè)置了用于切換電壓、電流兩個檔的功能鍵，系統(tǒng)復(fù)位鍵以及顯示器清零鍵。其中，按下功能鍵LED燈亮的時候測量的是電壓值，再按下功能鍵LED燈滅的時候測的是電流值。這個鍵盤將采用采用獨(dú)立式鍵盤直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，接口電路配置靈活。如下圖3.7所示。RSTRSTCLCUILED系統(tǒng)復(fù)位清零圖3.7鍵盤框圖3.5表筆探針設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)輸入端設(shè)置了紅、黑探針一對。因?yàn)樾铚y量電壓、電流兩不同值，因此輸入端紅色探針處設(shè)置一個單刀雙擲繼電器開關(guān)，如圖3.8（a），此繼電器開關(guān)受鍵盤上的功能鍵控制，如圖3.8（b）,當(dāng)鍵盤功能鍵按下，電壓顯示燈亮，則此繼電器開關(guān)打到電壓測量電路測量電壓，反之測量電流，表筆探針繼電器開關(guān)如下圖3.8所示。紅色探針Ui紅色探針UiIiK接單片機(jī)P0.5口功能鍵Jui+5V（a）(b)90圖3.8輸入端設(shè)計(jì)圖4系統(tǒng)總體方案研究4.1總體方案確定經(jīng)過分析和仔細(xì)的研究系統(tǒng)總體方案確定如下：1、單片機(jī)：采用8051派生系列產(chǎn)品AT89S51；2、A/D轉(zhuǎn)換器：采用ADC0809；4、液晶顯示器：采用三位半LED數(shù)碼管液晶顯示器；5、鍵盤：采用與單片機(jī)直接相連的獨(dú)立式按鍵；6、紅、黑探針一對。4.2系統(tǒng)框圖及闡述本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以51單片機(jī)作為數(shù)字電壓表的控制核心，系統(tǒng)包括主控模塊51單片機(jī)，顯示模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，放大器模塊，輸入端模塊以及鍵盤模塊。系統(tǒng)框圖如下圖4.1所示。以下再對各部分進(jìn)行闡述。電壓電壓電流A/D轉(zhuǎn)換模塊LED顯示模塊鍵盤模塊單片機(jī)系統(tǒng)模塊輸入端模塊控制線檔位切換模塊圖4.1系統(tǒng)總體框圖4.3ADC0809與AT89S51的連接ADC0809與AT89S51的連接圖如圖4.2所示。338888分頻器11≥1≥1ALE051單片機(jī)1D～8DGDD～P～PP～PADDAADDBADDCEOCOESTARTALECLK74LS3731Q～8Q8V(+)A0～A7V(+)+5VIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0圖4.2ADC0809與AT89S51的連接圖圖中，ADC0809的轉(zhuǎn)換時鐘由單片機(jī)的ALE提供。因ADC0809的典型轉(zhuǎn)換頻率為640kHz，ALE的信號頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHz，則ALE的頻率為2MHz，所以，ADC0809的時鐘端CLK與單片機(jī)的ALE端相連時，要考慮分頻。51單片機(jī)通過地址線P2.0和讀、寫控制線、來控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動輸出允許。模擬量輸入通道地址的譯碼輸入ADDA～ADDC由P0.0～P0.2提供，因ADC0809具有通道地址鎖存功能，故P0.0～P0.2不需經(jīng)鎖存器接入ADDA～ADDC。根據(jù)P2.0和P0.0～P.02的連接方法，8個模擬輸入通道的地址依IN0～I(xiàn)N7順序?yàn)镕EF8H～FEFFH.由于ADC0809轉(zhuǎn)換頻率最高約512kHz,所以采用32分頻，采用5個D觸發(fā)器串聯(lián)，如圖4.3所示，可以獲得375kHz轉(zhuǎn)換頻率。DDCKQDCKQDCKQDCKQDCKQ12MHz1/32f≈375KHz圖4.332分頻電路4.4鍵盤與單片機(jī)的連接在本設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立式按鍵進(jìn)行連接。在本設(shè)計(jì)中鍵盤主要是由系統(tǒng)復(fù)位鍵、清零鍵以及功能鍵組成。系統(tǒng)復(fù)位鍵接單片機(jī)的P0.3口，清零鍵接單片機(jī)的P0.4口，功能鍵接單片機(jī)的P0.5口。其中功能鍵包括電壓、電流兩個檔位，當(dāng)按下功能鍵，LED指示燈亮?xí)r，此時接入的是電壓測量電路，可以開始測量電壓值。當(dāng)再次按下功能鍵，LED指示燈滅時，接入的是電流測量電路，可以開始測量電流值。電路如圖4.4所示。功能鍵功能鍵50050050051單片機(jī)P0.3P0.4P0.5I/O+5V系統(tǒng)復(fù)位鍵清零鍵JuiLEDR圖4.4鍵盤電氣原理圖4.5多量程數(shù)字電壓表檔位切換原理由于本設(shè)計(jì)要求數(shù)字電壓表能夠分別測量出電壓、電流值，因此從輸入端紅表筆處設(shè)一個單刀雙擲繼電器開關(guān)。此繼電器開關(guān)受鍵盤功能鍵控制，當(dāng)鍵盤功能鍵按到電壓檔時此開關(guān)打到電壓處，接通電壓測量電路，當(dāng)鍵盤功能鍵按到電流檔時開關(guān)打到電流處，接通電流測量電路。本設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表的檔位切換，一般的實(shí)驗(yàn)室用數(shù)字電壓表的檔位切換都是用波段開關(guān)，在鍵盤上設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)按鈕，靠人為的手動來逐個切換檔位。而本設(shè)計(jì)中，將手動的更換檔位替換為完全由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行自動選擇判斷其量程檔位