-
宁夏大学新华学院
本科毕业设计
题
目
系
别
专
业
年
级
学生学号
学生姓名
指导教师
2017
届）
简易数字电压表设计
年
月
日
（
宁夏大学新华学院本科学位论文
摘
要
<
/p>
一个测试结果稳定、准确的数字电压表，既能减少了使用者的工作量，又提高了测
量的精准度，
而且人为误差被大大减小，
方便与电路打交道的人快 速有效的完成自己的工
作。
本项目设计并实现
了一个能够对
0-200V
范围的直流电压进行测量的数字电压表，
显
示部分小数点自动实现切换。项目基于
AT89C51
单片机，拓展
AD
转换、显示部分。不同
档位的待测电
压通过不同档位的衰减电路后变为
0-200mV
，再通过一个
O PA336
一致放大
到
0-2V
送入
AD
的输入端，然后通过芯片
AT89C51
内的程序 控制
AD
转换并输出。不同档
位的电压信号又不同的程序
控制输出到数码管显示。
该电路设计新颖、
功能强大、
可扩展
性强，连线简单易于实现，而且成本很低，测出的电压精度也足够满足需求。
关键词
：
数 字电压表；
AT89C51
单片机；
A/D
转换< /p>
I
宁夏大学新华学院本科学位论文
Abstract
A
stable
and
accurate
test
results
of
the
digital
voltmeter,
which
can
reduce
the
user
workload,
and improve the measuring precision,
and human error is
greatly reduced, easy to
deal
with circuit quickly and effectively complete
their work.
This
project
was
designed
and
implemented
a
to
the
range
of
0-200
-
v
dc
voltage
measurement of digital voltmeter, shows
part of the decimal point automatically switch.
Project
based on AT89C51 and expand the
AD conversion, display part. Different gear after
attenuation
circuit
of
the
voltage
through
different
gear
under
test
into
a
0-200
mv,
then
through
a
consistent OPA336 amplification to 0 to
2 v into the input end of the AD, and then through
the
procedure in the chip AT89C51
control AD conversion and output. Different gear
voltage signal
and
program
control
output
to
the
digital
tube
display.
The
circuit
design,
powerful,
strong
scalability,
attachment
simple
and
easy
to
implement,
and
the
cost
is
low,
measured
voltage
precision is enough to
meet demand.
Key words:
Digital voltmeter; AT89C51; A/D conversion
II
宁夏大学新华学院本科学位论文
目
录
第
1
章
前言
< p>??????????????????????????????
1.1
概述??????????????????????????????
1.2
系统设计目标????????????????????????????
1.3
可行性方案?????????????????????????????
1.4
系统总体设计????????????????????????????
第
2
章
系统硬件设计与 实现
??????????????????????
2.1
AD
转换部分设计?????????????????????????
2.2
ADC0809
芯片介绍???????????????????????
< /p>
2.3
芯片及显示部分设计?????????????????????
第
3
章
系统的软件设计
????????????????????????
3.1
数字电压表功能模块???????????????????? ????
3.2
软件部分的实现?????????? ??????????????
第
4
章
系统测试与结果分析
???????????????????
??
致谢
????????????????
??????????????????
参考文献
???????????????????????????????
<
/p>
附录
???????????????????????????
???????
4
宁夏大学新华学院本科学位论文
第
1
章
前言
电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测
量
出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。
考虑到测量的方便性、
安全
性、
准确性等因素，
几乎都用测量电压的方法来测定 表征电信号能量大小的三个基本参量。
此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调
制度等都可视为电压的派生量。所以电
压的测量是其它许多电参量，
也包 括非电量测量的基础。
电压是基本的电参数，
其它许多
电
参数可看作电压的派生量，
由于电压测量方便，
因此电压测量是电子测量中最基本 的测
量。
按测量结果的显示方式可将电子电压表分为模拟式和数字式两大 类。
数字式电压表的
核心是
A/D
转换器 ，
A/D
转换器最基本的两种类型是积分型和比较型。
前者抗干扰 能力强，
测量精度高，但测量速率低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。总的来说，积
分型特别
是双斜积分式
DVM
性能较优，应用较广泛。数 字电压表除具有一般的所具有的准确度高、
数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻
抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转
换及显示极性等优点，因而体积小，
可靠性好，
操作简便，
由于数字电压表具有上述这些
优点，使得它获得越来越广泛的应用。使用数字万用表的注意事项：
（
1
）要注意该电压表的量程，切误测量比额定值大。
（
2
）电压表使用或存放应避免高温、寒冷、阳光直射、高湿度及 强烈振动环境。
1.1
概述
数字电压表（
Digital Voltme ter
）简称
DVM
，它是利用模拟
/
< p>数字变换器（A/D
）原
理，以十进制数字形式显示
被测电压值的仪表。
DVM
除了广泛用于电压测量外，通过各种
< br>变换器还可以测量其他电量或非电量，用途十分广泛。
DVM<
/p>
的高速发展，
使它已成为实现量程自动化、
提高工作效率不可缺少的 仪表。
数字
化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。
而高准确度直流
DVM
的出现，
又使
DVM
进入
了精密标准测量领域。
DVM
广泛应用在测 量领域中，
其测量结果的准确度和可信度取决于
它结构主要性能和技术指
标。
评价某种
DVM
性能的优劣，
产品质量是否合 格，
是否满足技
术指标的要求，必须通过正确的鉴定和测试结果才能分析
判断出来。
传统的指针式电压表功能单一，精度底，读数不方便，不能
满足数字化时代的需要。
采用单片机的数字电压表，具有精度高，抗干扰能力强，可扩展
性强等优点。现今，由各
种单片
A/D
转换器构成的数字 电压表，已被广泛用于电子及电工测量，工业自动化仪表，
5
宁夏大学新华学院本科学位论文
自动测试系统
等智能化测量领域，
展示了强大的生命力。
而且，
由
DVM
扩展而成的各种通
用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测
量技术提高到新的水平。
本设计中电压表可以测量直流电压测量范围（
0~200V
）共分四档：
200mv
、
2v
、
20v
、
200v
，并且通过
4
位
LED
数码管三位半显示其 数值。
所谓三位半的三位是指可以显示
0
－
9
的十个数字，称作全位。千位数最大显示为
1
（小于
1
时消隐），这位在理论上讲最
大能显示
2
，
比如在
2V
挡，
最大 显示应该是
2.000
，
但实际显示
1.999< /p>
，
和理论值还差一。
那么这位理论值最大应该显示
2
，而实际只能显示
1
，就叫做
1/2
位。理论值为分母，实
际显示最大值为分子。
根据数字电压表 的功能实现要求，
选用
AT89C51
单片机作控制系统，
由
ADC0809
实现
A
／
D
转换功能，放大器选用
OPA336
实现放大
10
倍的功能。在保证送入
A/D
的电压为
2V
的等效电压时，
利用
AD
还可以较 精确地测出其值。
因为对不同电压档位
采用不同的端口和程序控制，所以
可以大大减小电路的要求，更利于实现。
1.2
系统设计目标
本项目要求设计并实现一个数字电压表的装置，该装置能够对
0-200V
范围的 直流电
压进行测量。
。
输入为模拟直流电压，
< p>输出为数字量，并在必要的辅助输出显示设备上显
示。
同时具有正、
负电压极性显示，
小数点显示。
能判读并显示被测 量信号超出所选择的
量程范围。并根据不同的量程能自动调整小数点。
数字电压表测量范围
0-200V
，能将被
测的模拟直流电压在显示设备上显示出来。
数字电压表以基本量程为基础，
同时 设计衰减
1
器进行量程的扩展。
具有
3
位（三位半）显示：有
3
位完整的显示，另外最高位只显示
2
0
或
1
。
能够判读并显示被测电压的极性。
测量速度为
2~5
次
/
秒，分辨率为
0.1mV
，
测量
误差
?
<
?
0.1%
。
1.2
可行性方案
方案一：用
A/D
转换、
LED
显示芯、各种需要的中规模门 电路芯片、电阻、电容等纯
硬件实现数字电压表：通过电阻衰减网络得到衰减后的电压，
送入
CC7107
，将其输出的
数字量接入
LED
显示。
该方法是用纯硬件实现数字电压表，
硬件连接较复 杂，
电路体积大，
测量方式不灵活，测量的误差比较大、精确度难做高。
利用
ICL7106
实现的电路连线 图如图
1
ICL7106
是美国
Int ersil
公司的产品，是目前应用最广泛的一种单片三位半的
A/D
< p>6
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转换器。
图
1
该仪表的量程
UM=20 0Mv
，称之为基本表或基本档。其中：
C1
、
R 1
分别为振荡电容和
振荡电阻。
RP
、< /p>
R2
组成基准电压的分压电路。
RP
采用精密多圈电 位器，
R2
为固定电阻，
调整
RP
可使基准电压
Uref=100.0mV
。
R3
、
C3
为模拟输入端的高频阻容式滤波器，
以提高
仪表的抗干扰能力。因
ICL7106
的输入阻抗很大，输入电流 很小，故可取
R3=1M
Ω
，
C3=0.
01uF
。
C2
、
C4
分别为基准 电容与自动调零电容。
C5
，
R4
依次为积分电容 和积分电阻。
仪表采用
9V
电池供电。
电 路中将
IN-
端与
COM
端短接。
该电压表的测量速率约为
2.5
次
/
秒。
而
ICL7106
只有液晶笔段及背电极驱动端，没有小数点驱动端
[8]
。要显示小数点，
需另加外围电路。
方案二：
采用单片机
+A/D
芯片
+
显示芯片设计数字电压表：
单片机型号广泛、
并且价
< p>格低廉。只要单片机内部具有中断、
I/O
、
RS2 32
等模块就能够满足选型基本要求，系统
的精度能够保证。该方法硬件
连接相对简单，测量误差较小，精度较高。
原理框图如图
2
据数字电压表的功能实现要求
，选
AT89C51
单片机作控制系统，低电压经放大器选
用
OPA336
实现放大
10
倍、高电压经大电 阻分压从而控制输入
ADC0809
的信号在
2V
左右
实现
A
／
D
转换经< /p>
AT89C51
送入
LED
显示。
7
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图
2
A/D
转换方案
模
数转换器是一种连接的模拟量转化成离散数字量的一种电路或器件。
模拟信 号转
换为数字信号一般需要经过抽样保持和量化编码两个过程。
针对不同 的采样对象，
有不同
的
A/D
转换器可供 选择，
其中有通用的也有专用的。
有些
ADC
还包 含有其他的功能，
在选
择
A/D
器件时需 要考虑多种因素，
除了关键参数、
分辨率和转换速度以外，
还需考 虑其他
因素，如静态与动态精度，数据接口类型，控制接口与定时，采样保持性能，基本
要求，
校准能力、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件相关的问题。
ADC
按功能划分可以
分为直接转换和非直接转换两大类，
积分式转换等类
型。
转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样
/
保持 电路、基准电路和多路模拟
开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行输入模拟信
号极性转换等设计。
方案
1< /p>
：采用分级式转换器，这种转换采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进
而快速的完成模
/
数转换，同时可以实现较高的分辨率。例如，在利用两步分级 完成
n
位
转换的过程中，首先完成
m
位的粗转换，然后使用精度至少为
m
位的模
/
数转换器，将此
结果转换达到
1/2
的精度并且与 输入信号比较。
对此信号用一个
k
位转换器转换，
最后将
两个输出结果合并。
方案
2
：
采用双积分型
A/D
转换器，
如
ICL7153
等。
双积分型
A/D
转换器转换精度高，
但转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反映当前温
度值，而且多数双积分型
A/D
转换器其输出端都不是二进制码，而是直 接驱动数码管的。所以，若直接将其输出端
接
I/O
接口 会给软件设计带来极大的不方便。
方案
3
：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是采用一个比较器输入信
号与为基准的
n
位
DAC
输出进行 比较，
并执行
n
次
1
位转换。
这种方法类似于天平上用二
进制码称量物质。
采用逐次逼近寄 存器，
输入信号仅与高位比较，
确定
DAC
的高位 。
确定
8
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后结果别、被
锁存，同时加到
DAC
上，以决定
DAC
的输出。
逐次逼近型转换器，
如
ADC0809 ,AD574
等，
其特点是转换速度快，
精度也比较高，
输
出为二进制码，直接接
I/O
口，软件设计简单 。
ADC0809
芯片内包含
8
位模
/
数转换器，
8
通道多路转换器与微控制器兼容的控制
逻辑。
8
通道多路转换器能直接连通
8
个单端输入
信号中的任何一个。由于
ADC0809
设计时考虑到若 干中模
/
数转换技术优点，所以该芯片
非常适合于过程控
制，
微控制器输入通道的结合口电路、
智能仪器和机床控制等应用场合，
并且价格低廉，降低设计成本。
方案选择：选择方案
3
。理由：用
ADC0809
采样速度快，价格低廉，降低设计成本。
最终，我决定选择第二个方
案，也就是用单片机实现。因为相比纯硬件，不需要消
耗太多的电子元器件，集成度稍微
高一点；相比
FPGA
，它又稍微偏硬件一些，更贴合这
次硬件课设的宗旨。而且它不但可其精度和显示可以精确控制，且电路相对简单成本低，
稳定性较高，功能扩展方便，故采用此设计。
1.4
系统总体设计
系统总体框图如下：
电源
LED
复位电路
AD
转换
单 片机
时钟
电压转换
档
位选择
输入
9
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< p>
主要四个模块：档位部分，
AD
转换部分，芯片
AT 89C51
（内部烧录程序），显示部分
（
LED
数码管）（附加一个时钟模块）。档位部分：四种不同的电压值送到不同的档位，
全部都衰减至
0-200mV
，
然后经放大器
O PA820
放大
10
倍到
0-2V
；
AD
转换：
0-2V
的衰减
< br>电压经
0809
转换输出
0-255
的二进 制电平值；芯片及显示部分：输出的二进制电平直接
送到
AT89C51
，通过芯片内部程序将信号送到
LED
显示；时钟部分：涉及
0809
的一个分
频模块，
因为
ADC0809
需要
500KHz
的输入，
而芯 片
AT89C51
（
30
脚）
提供 一个
2MHz
的时
钟，所以要经过一个分频模块送给
ADC0809
。
10
宁夏大学新华学院本科学位论文
第
2
章
系统硬件设计与实现
2.1
AD
转换部分设计
把输入的
1
路模拟信号量化转换为
8
路数字量，然后把
8
路数字量送入芯片处理，
再由芯片
输出到数码管。
如图为连线图：
8
位二进
制电平输
出到芯片
的
I/O
端
ABC
三个选择端均接地，故输入端地址
000
，也就是
0
输入端—
>IN-0
口。
电压经
过衰减和放大后进入
IN-0
口进入
< p>AD，然后芯片
AT89C51
的
P3.0< /p>
，
P3.1
，
P3.2
分别控制
转换开始和转换结束后数据允许输出。
1
路模拟信号进入
IN-0
量化转换为
8
路数字量。
如
AD< /p>
转换输入为
A
，则输出电平为
8
位二 进制数（对应十进制
B
）
B
=
A*255/5;
实
际显示到数码管：
C = B*5/255
< p>。(
显示代码处理常乘以
1000
，然后适当 加上小数点用以
数码管输出显示
)
2.1
ADC0809
芯片介绍
ADC0809
是带有
8
位
A/D
< p>转换器、8
路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的
CMO S
组件。它是逐次逼近式
A/D
转换器，可以和单片机直 接接口。
ADC0809
由一个
8
路模拟
开关、
一个地址锁存与译码器、
一个
A/D
转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可
选通
8
个模拟通道，
允许
8
路模拟量分时输入，
共用
A/D
转换器进行转换。
三态输出锁器
用于锁存
A/D
转换完的数字量，当
OE
端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换
完的数据。
11
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ADC0809
的内部逻辑结构
ADC0809
引脚结构图
IN0
－
IN7
：
8
条模拟量输入通道
ADC0809
对输入 模拟量要求：信号单极性，电压范围是
0
－
5V
， 若信号太小，必须进
行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，
如若模拟量变化太快，
则需在输入前
增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4
条
< p>
ALE
为地址锁存允许输入线，
高电平有效。
当
ALE
线为高电平时，
地址锁存与译码器
将<
/p>
A
，
B
，
C
三条地址 线的地址信号进行锁存，
经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进
行转
换。
A
，
B
和
C
为 地址输入线，用于选通
IN0
－
IN7
上的一路模 拟量输入。通道选择表
如下表所示。
地址输入线的通道选择
C
B
A
12
选择的通道
宁夏大学新华学院本科学位论文
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
ST
为转换启动信号。
当
ST
上跳沿时，
所有内部寄存器清零；
下跳沿时 ，
开始进行
A/D
转换；在转换期间，
S T
应保持低电平。
EOC
为转换结束信号。当
EO C
为高电平时，表明转
换结束；否则，表明正在进行
A/ D
转换。
OE
为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器
向单片机输出转换得到的数据。
OE
＝
1
，
输出转换得到的数据；
OE
＝
0
，
输出数据线呈高阻
状态。
D7
－
D0
为数字量输出线。
CLK
为时钟输入信号线。
因
ADC0809
的内部没有时钟电 路，
所需时钟信号必须由外界
提供，通常使用频率为
50 0KHZ
。
VREF
（＋），
VREF
（－）为参考电压输入。
（
1
）
ADC0809
内部带有输出锁 存器，可以与
AT89S51
单片机直接相连。
（
2
）初始化时，使
ST
和
< p>OE信号全为低电平。
（
3
）送要转换的哪一通道的地址到
A
，
B
，
C
端口上。
（
4< /p>
）在
ST
端给出一个至少有
100ns
宽的正脉冲信号。
（
5
）是否转换 完毕，我们根据
EOC
信号来判断。
（
6
）当
EOC
变为高电平时，这时给
< p>OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
13
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2.3
芯片及显示部分设计
芯片为整个硬件设计的核
心，烧录进芯片的代码既负责控制
AD
的转换和
AD
量化的
数字电压信号的输出，
还负责数字电压信号的处理和输出到数码 管显示的控制，
所以做好
与芯片部分有关的设计十分关键。
连接
AD
的
8
位
输
出
电
平
4
位位选信号
AD
转换和
输出控制
档位标志
位
8
位
段
选
信号
上面的显示部分采用
4
合
1
的
8
段数码管。
单片机的
P2.0
、
P2.1
、
< p>P2.2、
P2.3
、
P2.4
、
P2.5
、
P2.6
、
P2.7
分别与数码管的
a
、
b
、
c
、
d
、
e
、< /p>
f
、
g
、
dp
相连接 ，芯片的
P2
口提供
数码管的段码；
单片 机的
P0.0
、
P0.1
、
P0. 2
、
P0.3
与四位八段数码管的选位输入
D1< /p>
、
D2
、
D3
、
< p>D4相连接，芯片的
P0.0
—
P0.3
提供位选信号，用单片机
P0.0
、
P0.1
、
P0.2
、
P0.3
控制
P2
口输出到四位
LED
的相应位。
AT 89C51
的几个
I/O
口连线很清楚，
将
AD
模块和数
码管模块连接起来，
并且利用其中 的程序起到了一个总的控制和存储作用，
也使得电路大
大简化。
2.4
AT89C51
单片机的介绍
AT89C51
是美国
ATM
公司生产的低电压，高性能
CMOS8
位单片机，片内含
4K bytes
的
可反复擦写的只读程序存储
器（
EPROM
）和
1 28bytes
的随机存取数据序存器（
RAM
），
器件采用
ATMEL
公司的高密度
/
非 易失性存储技术生产，
兼容标准
MCS-51
指令系统，
片内
14
宁夏大学新华学院本科学位论文
置通用
8
位中央处理器（
CPU
）和
FLASH
存储单元，
AT89C51
单片机为许多嵌入式控制系
< p>统提供了一种灵活行高且价廉的方案。管脚排布如图
2-2
所示。< /p>
·4K
字节可编程
FLASH
< p>存储器(
寿命：
1000
写
/
擦循环
)
·全静态工作：
0Hz-24KHz
·三级程序存储器保密锁定
·128*8
位内部
RAM
·32
条可编程
I/O
线
·两个
16
位定时器
/
计 数器
·6
个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
VCC
：供电电压。
GND
：接地。
P0
口：
P0
口为一个
8
位漏级开路双向
I/O
口，每脚可吸收
8TTL
门电流。当
P1
口的管脚
第一次写
1
时，被定义为 高阻输入。
P0
能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为
< br>数据
/
地址的第八位。
在
FIASH
编程时，
P0
口作为原码输入口，
当
F IASH
进行校验时，
P0
输出原码，此时
P0
外部必须被拉高。
P1
口：
P1
口是一个内部提供上拉电阻的
8
位双向
< p>I/O口，
P1
口缓冲器能接收输出
4TTL
门电流。
P1
口管脚写入
1
后，被内部上拉为高，可用作输入，
P1
口被外部下拉为低电平
时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在
FLASH
编程和校验时 ，
P1
口作为第八位
地址接收。
P2
口：
P2
口为一个内部上拉电阻的
8
位双向
I/O
口，
P2
口 缓冲器可接收，输出
4
个
TTL
门电流，
当
P2
口被写“1”时，
其管脚被内部上拉电阻拉 高，
且作为输入。
并因此作为输
入时，
P 2
口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。
P2
< p>口当用于外
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图
2-2
AT89C51
管脚排列
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