翟蓓蓓，孫運強，姚愛琴

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，電子測量也變得越來越普遍，并且對測量的功能要求也越來越高，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表(Digital Voltmeter)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。與傳統(tǒng)的模擬式電壓表相比，具有顯示清晰直觀，讀數(shù)準確，測量范圍廣，擴展能力強等優(yōu)點［1-2］。液晶顯示數(shù)字電壓表是將連續(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，并在液晶顯示器上顯示出來，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。

1 數(shù)字電壓表的整體設(shè)計及原理

1.1 數(shù)字電壓表的設(shè)計要求

數(shù)字電壓表的基本要求是在不降低測量精度的條件下實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。因此在設(shè)計電路時需要考慮以下幾個方面的要求［3-4］:

(1)輸入值量程判斷器的要求

輸入值量程判斷器應(yīng)具備對最大量程的上限和最小量程的下限的判斷能力。由于被測范圍較大，因此既要求在高待測量值輸入時不對小量程電路造成沖擊，又要求在超量程時對量程轉(zhuǎn)換電路進行自動關(guān)閉。當(dāng)輸入量程低于表內(nèi)的測量精度時，也要求將量程選擇器關(guān)閉。所以，輸入值量程判斷器不僅對是否超過最大量程能夠判斷，對是否小于最小量程的精度也應(yīng)有判斷能力。

(2)電路安全要求

在本設(shè)計中，利用傳輸?shù)难訒r，對檔位進行從關(guān)閉測量到最大量程檔位向低量程檔位逐級下降直至到適當(dāng)檔位的轉(zhuǎn)換，這樣就使得電路在測量完高待測量值后就能順利地進行對最低待測量值的測量。

(3)成本及功耗問題

由于輸入值量程判斷器所判斷出的值不是用來測量，而是用于轉(zhuǎn)換量程檔位，所轉(zhuǎn)換出的數(shù)值不需要十分精確，故其電路功耗可按儀表需要選擇適當(dāng)?shù)男酒?/p>

1.2 電壓表的整體設(shè)計

數(shù)字電壓表整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要分為微控制器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、量程自動轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶顯示模塊、串口通信模塊、時鐘電路和復(fù)位電路等部分來設(shè)計。主要用軟件編程的方式檢測輸入信號的大小來實現(xiàn)數(shù)字電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換功能。

圖1 數(shù)字電壓表整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 控制中心電路設(shè)計

控制中心整合處理各功能模塊，是整個設(shè)計的核心。如圖2所示?？刂浦行奈⒖刂破鞑捎玫氖茿T89S52單片機，其對于多量程電路的測量有著不可比擬的性價比，而且操作簡單，特別是與ADC0809構(gòu)成的電壓采集電路，反映時間短，能夠有效地將模擬電壓數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

圖2 控制中心電路圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路用來將量程轉(zhuǎn)換電路輸入的直流電壓信號轉(zhuǎn)成數(shù)字電壓信號，以供主控制器進行數(shù)據(jù)處理。采用一片ADC0809，它是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。由于本設(shè)計采用的是3路可自動轉(zhuǎn)換量程設(shè)計電路，所以使用的ADC0809數(shù)據(jù)采集的三個管腳口IN0、IN1、IN2，通過程序的設(shè)計形成三個開關(guān)電路，通過單片機的控制可對不同的電壓信號進行數(shù)據(jù)采集和測量。A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計原理圖

2.3 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本系統(tǒng)的量程自動轉(zhuǎn)換模塊采用反相比例運算電路設(shè)計［11］，單片機對數(shù)據(jù)進行處理。設(shè)計電路將輸入電壓衰減到5 V以下，3路輸入信號對應(yīng)的ADC0809的3個通路，電壓轉(zhuǎn)換比例分別是1∶4，1∶2，1∶1?？刂菩盘栍蓡纹瑱C進行控制賦值，當(dāng)計算電壓小于5 V進入In0電路，大于5 V小于10 V進入In1電路，當(dāng)電壓大于10 V進入In2電路。

2.4 液晶顯示電路設(shè)計

液晶顯示電路用來顯示數(shù)字電壓表測量的直流電壓值，采用1602字符型LCD實現(xiàn)。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，每一個字符都有一個固定的代碼［5-6］。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值。

2.5 串口通信電路設(shè)計

串口通信電路用來將測量到的電壓傳送給后臺的控制中心，實現(xiàn)電壓的遠程檢測。本系統(tǒng)采用的是RS-232串行接口，RS-232是由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式公布的串行總線標準，也是目前最常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間，計算機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。在RS-232中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。

2.6 時鐘電路和復(fù)位電路

時鐘電路由片外石英晶體、微調(diào)電容和單片機的內(nèi)部電路組成。選用12 MHz晶體，微調(diào)電容C1、C2采用30pF的瓷片電容，單片機的復(fù)位電路有開關(guān)復(fù)位和上電復(fù)位兩種，本設(shè)計采用開關(guān)復(fù)位電路，電解電容C3=10 uF，電阻R8=200 Ω，R9=1 kΩ，在單片機工作時復(fù)位電路中按鍵按下后單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)值。在單片機工作現(xiàn)場，存在各種各樣的干擾。如不及時恢復(fù)，容易造成損失。復(fù)位電路就是在程序跑飛或死機時，對系統(tǒng)進行重新復(fù)位或置位，以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的一種專用電路。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用單片機常用的C語言，主要包括三個部分，即主程序、數(shù)據(jù)采集子程序和LCD液晶顯示子程序。

3.1 主程序

主程序設(shè)計的軟件流程圖如圖4所示。利用單片機編程控制數(shù)字電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換和顯示功能，不僅使整個硬件電路的設(shè)計使用的元器件數(shù)量減少，而且調(diào)節(jié)起來也較為方便，整個系統(tǒng)性能也更加穩(wěn)定［7］。

圖4 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集處理子程序

數(shù)據(jù)采集處理子程序主要完成直流電壓值的采集、A/D轉(zhuǎn)換、量程判斷轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送等功能。在主程序中，LCD顯示初始化后，數(shù)字電壓表就進入數(shù)據(jù)采集處理子程序。如圖5所示。

3.3 LCD液晶顯示初始化子程序

LCD液晶顯示初始化子程序的軟件流程圖如圖6所示。在LCD初始化程序當(dāng)中系統(tǒng)顯示“Zhai Beibei A good girl!”通過延時子程序停留1秒進入數(shù)據(jù)顯示程序［8］。

4 實驗結(jié)果及分析

本設(shè)計利用Proteus仿真對其進行仿真，其仿真結(jié)果可以有效直觀地進行觀察，并對數(shù)據(jù)進行更改，避免硬件仿真電路中可能出現(xiàn)的問題不便更改的缺點。因為Proteus里L(fēng)CD1602內(nèi)部可能沒有內(nèi)部電阻，在此加上拉電阻。

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計了一種適合于數(shù)字電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換電路，并對所設(shè)計的電路圖用PROTEUS軟件進行了仿真。其電路是按直流的電壓量來設(shè)計的，對交流量的測量則需要在輸入端加設(shè)一個絕對值轉(zhuǎn)換器，把交流電壓幅值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的直流量值。采用反向輸入放大器實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，用AT89S52進行數(shù)據(jù)控制、處理和存儲，并送到液晶顯示器上顯示。該設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件采用C語言實現(xiàn)，程序簡單、可讀寫性強，效率高。與傳統(tǒng)的電壓表相比，具有方便操作、處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高等優(yōu)點，具有一定的使用價值。但是要達到更高的要求，實現(xiàn)更完善的性能指標，還需要做很多工作。

［1］沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］沙占友.數(shù)字化測量技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

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［4］胡卓敏，王麗娟.基于STC89C51單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11(11):14－16.

［5］黃子強.液晶顯示原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［6］沙占友，高峻嶺.ICL7182高分辨率液晶條圖A/D轉(zhuǎn)換器［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1992(9):33－36.

［7］Sha Zhanyou.The Design of Automatic Measure System of Energy Sources［C］.ICEMI’2003，2003.

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