西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院　梁思雨　李昌華

具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的電壓表設(shè)計(jì)

西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院梁思雨李昌華

本文介紹了具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的電壓表的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換由芯片ADC0808來(lái)完成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理由芯片STC89C2來(lái)完成，其負(fù)責(zé)把數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；此外，它還控制著ADC0808芯片工作。數(shù)字電壓表電路簡(jiǎn)單，所用元件較少，成本低，操作方便。此數(shù)字電壓表可以測(cè)量0～20V（0～5V和5～20V兩個(gè)量程）的直流輸入電壓值，并且能夠?qū)崿F(xiàn)RS232通信功能。

數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換；STC89C52；ADC0808

1.引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器提供了新原理和新技術(shù)，同時(shí)也對(duì)測(cè)量?jī)x表提出了更新、更高的要求。測(cè)量的儀器儀表不僅要求其測(cè)量范圍廣、精度高、價(jià)格低、抗干擾性強(qiáng)，還要有通信功能。

傳統(tǒng)的指針式電壓表利用磁電原理驅(qū)動(dòng)指針運(yùn)動(dòng)，依靠指針偏向的位置來(lái)顯示電壓大小的表。數(shù)字電壓表可以顯示清晰、直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確、分辨率高、測(cè)量速度快、輸入阻抗高、集成度高、微功率和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STC89C52微處理器，數(shù)字電壓表系統(tǒng)的組成主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD1602顯示電路以及通信接口電路。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)，是指用最少的元件組成可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器的51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，它的最小系統(tǒng)由電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。

2.1.1時(shí)鐘電路

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器。簡(jiǎn)化外部電路，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可。如圖2-1所示。

圖2-1　時(shí)鐘電路

電路中電容器C5和C6對(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了30pF；石英晶振選擇的是11.0592MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為11.0592MHz。

2.1.2復(fù)位電路

單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都要先復(fù)位，使系統(tǒng)中部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)RST恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種［7］，本系統(tǒng)采用的是單片機(jī)按鈕復(fù)位電路，當(dāng)按下“復(fù)位”按鈕，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

2.1.3電源模塊

供電電壓是直流5V，為此采用專用直流穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電。其主要參數(shù)如下：

類型：AC/DC電源輸入

輸入：AC100-240V～/50-60HZ/75mA（V）

輸出功率：DC 5V 600mA

型號(hào)：NOKIA AC-8C

2.2電壓信號(hào)采集電路

電壓信號(hào)采集電路由LM317T基準(zhǔn)電壓模塊和LM393電壓比較模塊組成。電壓信號(hào)采集電路如圖2-2所示。電壓信號(hào)經(jīng)輸入端對(duì)地輸入。R4、R5對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分壓：LM317產(chǎn)生1.25V的基準(zhǔn)源；LM393為雙電壓比較器，當(dāng)正端輸入電壓大于負(fù)端輸入電壓時(shí)將輸出高電平（+5V），反之，將輸出低電平（0V）；PL1為常開繼電器；8050組成開關(guān)電路，當(dāng)LM393輸出高電平時(shí)，8050導(dǎo)通，電流經(jīng)R7和8050集電極流向繼電器繞組從而閉合繼電器。當(dāng)LM393輸出低電平時(shí)，8050截止，繼電器關(guān)斷。電流經(jīng)IN1通道輸入。

當(dāng)輸入電壓小于5V時(shí)，電阻R4端電壓小于1.25V，LM393輸出高電平，8050導(dǎo)通，繼電器導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)繼電器傳遞至AD轉(zhuǎn)換通道IN0；當(dāng)輸入電壓大于5V而小于20V時(shí)，電阻R4端電壓大于1.25V，LM393輸出低電平，8050截止，繼電器截止，信號(hào)經(jīng)R4、R5分壓后，轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V信號(hào)傳遞至AD轉(zhuǎn)換通道IN1。

圖2-2　電壓信號(hào)采集電路

2.3A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換電路將量程轉(zhuǎn)換電路輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字電壓信號(hào)，供給主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如圖2-3為A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。采用一片ADC0808，以逐次逼近原理進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是2路可自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程電路，此處只需ADC0808數(shù)據(jù)采集的兩個(gè)管腳口IN0、IN1，通過(guò)程序的設(shè)計(jì)形成兩個(gè)開關(guān)電路，通過(guò)單片機(jī)的控制可對(duì)不同的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量。

2.4LCD1602顯示電路

LCD要先進(jìn)行初始化，之后才能進(jìn)行顯示。顯示時(shí)應(yīng)根據(jù)顯示的位置先定位，再根據(jù)當(dāng)前顯示的緩沖區(qū)寫入要顯示的內(nèi)容，如果連續(xù)顯示，則可連續(xù)寫入顯示內(nèi)容。由于LCD是外部設(shè)備，處理速度比CPU的速度慢，向LCD寫入的命令到完成功能需要一定的時(shí)間，在這個(gè)過(guò)程中，LCD處于忙的狀態(tài)，不能向LCD寫入新的內(nèi)容。LCD是否處于忙的狀態(tài)可通過(guò)忙讀標(biāo)志命令來(lái)了解。另外，為了使LCD能夠正常顯示單片機(jī)要顯示的信息，必須使其接口正確的與單片機(jī)相連接。連線如圖2-4所示。

圖2-3　ADC0808與單片機(jī)的連接電路

圖2-4　LCD與單片機(jī)的連接電路

2.5通信接口電路

RS-232C和計(jì)算機(jī)的TTL電平相連使用時(shí)必須加上適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)中采用SIPEX公司生產(chǎn)的SP3223ECY芯片完成串行通信電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)命令控制和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳。該芯片低能耗和具有待電工作模式。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行原則，本系統(tǒng)程序劃分為初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序及顯示子程序，這三個(gè)子程序構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，如圖3-1所示。

圖3-1　主程序流程圖

圖3-2　A/D轉(zhuǎn)換流程圖

3.2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖

A/D轉(zhuǎn)換子程序控制對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖如圖3-2所示。

3.3顯示子程序流程圖

LCD1602液晶顯示其初始化結(jié)束后，進(jìn)行清屏。當(dāng)收集到外部數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置并顯示數(shù)據(jù)直到整個(gè)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換顯示完畢。

LCD1602顯示子程序流程圖如圖3-3所示。

圖3-3　顯示程序流程圖

4.測(cè)量結(jié)果

當(dāng)調(diào)試完成后，讓系統(tǒng)對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，利用系統(tǒng)對(duì)不同給定電壓的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。表4-1所示系統(tǒng)和萬(wàn)用表對(duì)不同電壓進(jìn)行測(cè)試比較的結(jié)果。

表4-1　系統(tǒng)和萬(wàn)用表測(cè)量電壓對(duì)比結(jié)果

5.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究表明本設(shè)計(jì)提供的數(shù)字電壓表精度高、價(jià)格低、抗干擾性強(qiáng)，并且有通信功能。這種數(shù)字電壓表的控制方便，電路簡(jiǎn)單，精度較高，成本低。利用AD轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并顯示，這在生產(chǎn)生活中有很重要的實(shí)際應(yīng)用方面的意義，今后這方面的技術(shù)將得到提高，運(yùn)用更加廣泛。

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梁思雨（1990—），陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院。

李昌華（1963—）， 寧夏銀川人，教授，碩博士生導(dǎo)師，主要研究方向：數(shù)字建筑，模式識(shí)別。