西安文理學(xué)院 李 航 李攀攀 韓利凱
基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)
西安文理學(xué)院李航李攀攀韓利凱
為解決精確測量電壓的問題,設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表,可以測量0-5V的1路模擬直流輸入電壓值,并通過數(shù)字顯示屏顯示出來,系統(tǒng)電路簡單、可靠,成本低且測量精度較高。
單片機(jī);數(shù)字電壓表;A/D轉(zhuǎn)換器
在電量的實(shí)際測量中,電壓、電流、頻率是最基本的三個(gè)被測對象,其中,電壓的測量是最頻繁的,隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,高精度電壓的測量成為必然,因此,數(shù)字電壓表就成為必不可少地測量工具。由于數(shù)字測量儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精確度高、靈敏度高、分辨率高、誤差小,測量速度快等特點(diǎn),所以倍受用戶的親睞[1]。
1.1工作原理
利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表,此方案的原理是:
(1)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端,被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測電壓;
(2)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號,然后通過對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程,使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號,通過一定的算法計(jì)算出被測量電壓的值;
(3)單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好的被測電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。
1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字電壓表中包含三個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸入/輸出模塊。
(1)在數(shù)據(jù)采集模塊中,主要是對電壓信號采樣前,用放大器進(jìn)行預(yù)處理,然后通過保持器保持采樣。
(2)A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0832轉(zhuǎn)換芯片,其中A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,單電源供電。它是具有8路模擬量輸入8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間成100μs,模擬輸入電壓范圍為0V~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn),功耗低,約15mw[2]。
(3)單片機(jī)采用AT89C51作為系統(tǒng)的控制單元,通過A/D轉(zhuǎn)換將被測值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)中,再由單片機(jī)來送顯。
硬件電路由6個(gè)部分組成:A/D轉(zhuǎn)換電路,AT89C51單片機(jī)系統(tǒng),LED顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及測量電壓輸入電路,硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖
3.1程序設(shè)計(jì)方案
將系統(tǒng)程序劃分為初始化模塊,A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序,這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序,程序流程如圖2所示。
圖3 A/D轉(zhuǎn)換流程
(1)初始化程序
所謂初始化,是對將要用到的MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定,初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式,初值預(yù)置,開中斷和打開定時(shí)器等[3]。
(2)A/D轉(zhuǎn)換子程序
A/D轉(zhuǎn)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(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單位,其轉(zhuǎn)換流程圖如圖3所示。
(3)顯示子程序
顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管顯示數(shù)值,在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí),既要使LED顯示的比較均勻,又要有足夠的亮度,需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率。系統(tǒng)采用掃描頻率為70HZ,間隔10ms對LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次,每一位LED的顯示時(shí)間為1ms[4],可以產(chǎn)生比較理想的顯示效果。
3.2仿真調(diào)試
運(yùn)用Proteus軟件進(jìn)行仿真,并結(jié)合Keil軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。當(dāng)CH0口輸入電壓值為3.50V,顯示結(jié)果如圖4所示,測量誤差為0V。
圖4 輸入電壓為3.50V時(shí),LED的顯示結(jié)果
基于單片機(jī)的簡易數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)簡單、外接元件少、成本低,在實(shí)際測量工作中,使用方便,測壓準(zhǔn)確,精度較高。
[1]吳金戌,沈慶陽,郭庭吉編著.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.
[2]余文俊.C語言實(shí)習(xí)[M].北京:中國水利水電出版社,2013.
[3]王怡亭.基于單片機(jī)控制的新型交流電壓表系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2013(2).103~104.
[4]吳昌東,吳學(xué)杰著.基于單片機(jī)的新型數(shù)字式電壓表設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(5),133~134.
Design of Simple Digital Voltmeter Based on Single-chip Microcontroller
Xi’an University of Arts and Science
Li hang Li pan-pan Han li-kai
In order to solve the problem of the precise measurement of voltage, design a simple digital voltage meter microcontroller based on can measure 0-5V road DC analog input voltage value, and displayed through the digital display, system circuit is simple, reliable, low cost and high measurement precision.
Single-chip microcontroller;Digital voltmeter;A/D converter