吳順柳

（玉林師范學院，廣西玉林，537000）

1 總體設計

本設計主要設計一個準確、簡潔的測量直流電壓的數(shù)字電壓表。利用MSU-51系列的控制系統(tǒng)，采用數(shù)字化技術，將連在一起的數(shù)量如直流電壓轉換成不是連在一起的分開的數(shù)字形式并用液晶來顯示出來的數(shù)。

■1.1 功能及實現(xiàn)

本次設計要具體實現(xiàn)的功能如下：

(1)分為四檔量程：0~4V，4~8V，8~20V，20~40V；(2)按鍵換擋選擇量程；(3)采用字符液晶LCD1602顯示；(4)具有自動過壓保護功能，有一定的抗干擾功能；(5)當檢測的電壓超出一定的量程范圍時，蜂鳴器和二極管指示燈發(fā)出聲光報警提示。

■1.2 系統(tǒng)的整體設計

在設計中的各個模塊主要是使用下面的幾種方案：控制信號系統(tǒng)主要以單片機STC89C52為核心；A/D轉換模塊：主要使用AD0832，主要是因為AD0832具有引腳少，方便焊接，體積小，不占地方，使得電路不會那么的復雜，而且操作方法簡單、方便等優(yōu)點，還可以直接由單片機提供的數(shù)據(jù)轉換所需的數(shù)字信號，時鐘信號，轉換速度快，滿足設計需要。因此，首選用AD0832；顯示模塊：液晶1602顯示模塊具有功耗低、價格便宜、電路連接方便等優(yōu)點，所以本設計采用LCD1602液晶顯示。報警模塊使用蜂鳴器，實現(xiàn)過壓報警功能，當電壓被測電壓超過檔位電壓進行報警。量程換檔模塊：換檔功能主要是獨立按鍵換檔，簡單、方便、易操作，具有當電壓超過或小于檔位電壓過大或過小時，不能進行換檔，具有一定過壓保護作用。數(shù)字電壓表的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

主要模塊的劃分：

(1)AD0832模塊：系統(tǒng)硬件設計的核心部分，主要作用是把模擬量轉換成數(shù)字量。

(2)量程轉換模塊：主要電阻分壓和繼電器衰減電壓倍數(shù)。

(3)按鍵電路模塊：設計采用了S2、S3、S4、S5等四個獨立按鍵，分別作為0~4V，4~8V，8~20V，20~40V電壓換擋，方便操作。

(4)液晶顯示模塊：本設計采用LCD1602液晶顯示屏，通過顯示屏可以實時顯示電壓變化，可以精確測量電壓。

(5)報警電路模塊：當檢測的電壓超出量程的范圍時，蜂鳴器和二極管指示燈發(fā)出聲光報警提示。

2 系統(tǒng)硬件電路的設計

本設計的核心是通過數(shù)模轉換實現(xiàn)需要被測數(shù)的采集，基于單片機和C語言編程。通過STC89C52的控制，實現(xiàn)A/D轉換采集得到的數(shù)字量轉換為模擬后的數(shù)據(jù)經(jīng)過MSU-51控制系統(tǒng)在LCD上顯示出來。硬件電路主要有AD0832模塊、STC89C52主控模塊、LCD1602液晶顯示模塊、按鍵模塊、過壓報警模塊和量程轉換模塊等六個模塊電路的設計。整體電路如圖2所示。

圖2

■2.1 AD轉換模塊

根據(jù)A/D電路的原理劃分A/D轉化器可以劃分為：逐次逼近、雙積分式、并行式等等A/D轉換器，AD0832轉換器是串行式的A/D轉換器，是屬于逐次逼近型的一種轉換器。

逐次逼近比較A/D型轉換器的工作原理是：它將采樣輸入信號直接進入A/D轉換器的DI端，然后進行通道選擇，因為是串行的，它具有串行的特點，串行的特點是數(shù)據(jù)依次逐個輸入。

■2.2 單片機最小系統(tǒng)

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含8KB可編程Flash存儲器和512字節(jié)隨機存取存儲器。該器件雖然使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具備的功能。STC89C52單片機最小系統(tǒng)的電路有復位電路、時鐘電路以及電源電路三部分組成。在單片機芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，STC89C52使用靈活方便易學，而且還為嵌入式存在的缺點，提供了許多有效的解決辦法，為嵌入式的發(fā)展有巨大的貢獻。

本設計就是使用51系列單片機最小系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STC89C52芯片作為系統(tǒng)的控制中心，用數(shù)模轉換芯片ADC0832模數(shù)轉換模塊，這樣不僅可以達到設計的硬性指標，而且準確度高、操作特別的簡捷，單片機具有開發(fā)時間短、控制功能強大、穩(wěn)定性好、價格便宜、程序比較容易學習等眾多優(yōu)點。

2.2.1 時鐘電路

時鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機工作時所必需的時鐘控制信號，時鐘電路的穩(wěn)定性會直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時鐘電路有兩種電路工作方式，分別為內(nèi)部和外部，本設計的時鐘電路為內(nèi)部時鐘電路。內(nèi)部時鐘電路的自激振蕩器由晶體振蕩器和兩個電容并聯(lián)構成的，電容約為30pF，振蕩頻率范圍為1～11.0592MHz。

2.2.2 復位電路

復位是單片機初始化的操作。當MCU開始工作時，必須先重置，即按復位按鍵，使CPU和部分系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。這是很有必要的操作，因為單片機自身沒有自動復位的功能。STC89C52有兩種外部復位模式，一種是上電自動復位，另一種是按鍵手動復位。在本設計中采用的是手動按鍵復位的方式，該復位方式是在普通的RC電路的基礎上在加一個的10k電阻，10μF的電容。

2.2.3 電源電路

主要是為整個系統(tǒng)提供電源，因本系統(tǒng)各個模塊需要的電壓源均為+5V的直流電壓源供電，系統(tǒng)采用按鍵的電源開關，P0為電源接口，S0為按鍵開關。

■2.3 LCD1602液晶顯示模塊

顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸出顯示設備，本設計選用LCD1602液晶顯示器，第一行顯示的是檔位量程，第二行顯示的被測電壓的測量電壓值。它是以字符為基礎的液晶，能顯示數(shù)字和字母，控制簡單，低功耗。設計的主要作用是能夠實時的顯示電壓。

■2.4 按鍵模塊

在系統(tǒng)設計中，通過運用獨立按鍵實現(xiàn)換擋的功能。這種獨立的按鈕當電壓超過某個檔位的量程，可以直接通過按鍵實現(xiàn)換擋，反應靈活，硬件結構簡單，可以快速地實現(xiàn)所需的選擇，而且因為是獨立的按鍵，按鍵之間互不干擾，具有自動過壓保護的功能。過壓保護功能主要表現(xiàn)在在超出某個檔位電壓值比較大的情況下，再按這個小的量程是換不了檔位的，這說明在具有一定的過壓能，從而不會燒壞芯片。

四個按鍵的分別表示：S2：0~4V檔；S3：4~8V檔；S4：8~20V檔；S5：20~40V檔。

■2.5 報警模塊

通過單片機的判斷，LCD顯示頻上顯示的檔位電壓，用P2^0腳控制三極管的截止與開通，從而開啟與關閉蜂鳴器的作用，當被測電壓超過顯示屏上的電壓量程時，蜂鳴器和LED會出現(xiàn)聲光報警。但是由于數(shù)模轉換器AD00832的測量電壓的范圍只能在0~5V，所以在沒有測量任何電壓的情況下，當換擋到4~8V，8~20V，20~40V警報器也會有警報，這是因為AD0832的對電壓的判斷的是超過5V，超過AD0832的量程范圍，再傳輸?shù)絾纹瑱C，由單片機傳輸?shù)椒澍Q器，此時，蜂鳴器報警。

■2.6 量程換擋模塊

設計中的量程轉換電路模擬電壓輸入端為P4。但AD0832可承受的電壓量程是0~5V，因此在設計中的電路中需要有分壓電阻和能控制電壓衰減電壓倍數(shù)的器件，使得模擬電壓控制在AD0832的能承受的量程范圍之內(nèi)。因此，本設計用七個電阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9作為分壓電阻和繼電器K1、K2、K3、K4作為控制電壓衰減倍數(shù)的器件。

3 系統(tǒng)軟件流程圖

本設計中，單片機C語言程序用Keil軟件編寫，進行編譯，得到的HEX文件是單片機需要的，把HEX文件燒入STC89C52RC單片機中然后進行硬件調(diào)試。主要使用ADC0832模擬/數(shù)字轉換器芯片設計數(shù)字電壓表的轉換電路。本設計方案以單片機STC89C52RC為主控芯片，以ADC0832模擬/數(shù)字轉換器芯片為核心轉換模擬/數(shù)字量的芯片，組成數(shù)字電壓表電路。該電路能夠準確地測出需要測量的有效電壓值，并且誤差相對來說比較小，而LCD1602能實時而清晰顯示被測電壓值。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 總體測試

成品制作完成后，首先用萬用表檢測電路板是否存在漏焊、虛焊，焊接不良等現(xiàn)象。檢查電路的線路有沒有存在短路或斷路。檢測電源電路及電路中的電源和地連接正常了沒有，測試每個芯片的引腳是否出現(xiàn)短路的情況，檢查無誤后，然后把單片機的程序燒錄到硬件中去，不斷的調(diào)試硬件，燒錄程序完畢后，進行實驗，分析實驗數(shù)據(jù)及誤差。

5 總結

本課題設計已經(jīng)完成了指導老師要求的任務內(nèi)容。本設計基于AD0832集成芯片結合STC89C52RC單片機實現(xiàn)電壓換擋的測量，LCD1602液晶為顯示器，通過軟件與硬件相結合的方法。所設計的數(shù)字電壓表測量范圍是0~40 V的電壓，過壓報警功能。設計方案簡潔，操作便捷，設計成本不高，在總體上取得一定的效果，但尚存在不足之處，并且調(diào)試還存在一些問題，在5V以下的誤差較小，但是超過5V的電壓誤差較大，不適合測量過大的電壓。