基于簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表的硬件仿真

王剛

摘要： 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表，通過(guò)Keil軟件的程序編譯、調(diào)試和Proteus的硬件仿真，利用單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換芯片以及數(shù)碼管對(duì)0～5V的模擬直流電壓進(jìn)行測(cè)量、顯示。本設(shè)計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、精度較高等特點(diǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的硬件仿真，對(duì)虛擬設(shè)備的教學(xué)展示及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較大作用。

Abstract： This paper designed a simple DC digital voltmeter， through the Keil software program compilation， debugging and Proteus hardware simulation， single-chip， A / D conversion chip and digital tube 0 ～ 5V analog DC voltage are used for measurement and display. The design has a simple circuit structure， low cost， high precision. Through the simple digital voltmeter hardware simulation， it is important for the virtual equipment teaching display and application system design.

關(guān)鍵詞： Proteus；Keil；單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；硬件仿真

Key words： Proteus；Keil；single chip microcomputer；A/D conversion；hardware simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0223-02

0 引言

電壓表可分為模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路和微處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)有了巨大進(jìn)步，促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展。相對(duì)于指針式電壓表，數(shù)字電壓表一般具有準(zhǔn)確度高、數(shù)字顯示、讀數(shù)迅速準(zhǔn)確、精度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，使其獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)選用Proteus和Keil的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Proteus是英國(guó)著名的EDA工具，將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其支持的處理器模型種類(lèi)繁多。在編譯方面，支持多種編譯器。Keil 是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。Keil提供C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起，使程序設(shè)計(jì)事半功倍。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)功能及要求，本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表主要由三個(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)換模塊采用芯片ADC0831，數(shù)據(jù)處理模塊選用單片機(jī)STC89C52，顯示模塊采用四位一體的共陽(yáng)數(shù)碼管。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)仿真電路主要由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示等部分組成，仿真電路如圖2所示。

①A/D轉(zhuǎn)換：常用的A/D轉(zhuǎn)換方式可分為并行A/D和串行A/D。并行方式轉(zhuǎn)換效率較高，但芯片引腳較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需數(shù)據(jù)。使用串行器件可節(jié)省單片機(jī)的I/O資源，電路簡(jiǎn)單。本次設(shè)計(jì)選用串行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0831。該芯片是8引腳雙列直插式A/D轉(zhuǎn)換器， 8位的分辨率（最高分辨可達(dá)256級(jí)），可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，轉(zhuǎn)換速度較高（轉(zhuǎn)換時(shí)間32uS），單電源供電，功耗低（15mW），性?xún)r(jià)比高并適用于各種便攜式智能儀表而深受單片機(jī)設(shè)計(jì)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎。在本電路中ADC0831的輸入口VIN+接收0～5V的模擬量直流電壓，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的數(shù)字量經(jīng)過(guò)其輸出通道DO傳送給單片機(jī)的P1.2口。ADC0831的片選信號(hào)由單片機(jī)P1.0口控制，時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)P1.1口為其提供。

②數(shù)據(jù)處理：選用單片機(jī)STC89C52。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心部件來(lái)使用。STC89C52是低功耗、高性能的8位單片機(jī)。它因體積小、成本低、功能強(qiáng)而得到了廣泛的應(yīng)用。在本電路中構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)把模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的顯示段碼，經(jīng)過(guò)P2.0～P2.7通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。同時(shí)單片機(jī)還通過(guò)其I/O口的P0.1～P0.4作為顯示部分的位選信號(hào)，送給數(shù)碼管的位選端，控制對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的亮滅。

③數(shù)據(jù)顯示：選用一個(gè)四位一體的共陽(yáng)7段數(shù)碼管，用于顯示簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表測(cè)量到的電壓值。數(shù)碼管顯示分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。如果采用靜態(tài)顯示控制4個(gè)LED，需要對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，這將大大增加硬件電路的復(fù)雜性及成本，因此本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示是利用人的視覺(jué)暫留效應(yīng)，按位輪流點(diǎn)亮各位LED，如果每位LED閃動(dòng)的頻率足夠高，就可以給人一種穩(wěn)定顯示的視覺(jué)效果。本電路中每位數(shù)碼管的各個(gè)段碼分別與單片機(jī)P2口連接，單片機(jī)段選信號(hào)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻來(lái)控制數(shù)碼管某一段點(diǎn)亮，電阻起到限流作用，以防止電流過(guò)大燒壞數(shù)碼管。數(shù)碼管的位選端用于接收單片機(jī)P0口產(chǎn)生的位選碼。endprint

3 軟件設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表的程序編寫(xiě)采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，C語(yǔ)言因執(zhí)行效率高、可移植性好，可直接對(duì)硬件進(jìn)行操作等多種優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用。程序設(shè)計(jì)采用查詢(xún)方式，能夠?qū)ν獠侩妷旱淖兓瘜?shí)時(shí)查詢(xún)、數(shù)據(jù)處理，使數(shù)碼顯示隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。程序的主函數(shù)包括三部分：讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)函數(shù)READ_ADC0831（ ）、數(shù)據(jù)處理函數(shù)data_process（voltage）、動(dòng)態(tài)顯示函數(shù)seg_display（ ）。以下為主函數(shù)。

void main （ ）

{ unsigned int voltage；

while（1）

{ unsigned char READ_ADC0831（ ）；

voltage=READ_ADC0831（ ）；

data_process（voltage）；

seg_display（ ）；delay_ms（1）；}}

①讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)函數(shù)：A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)用來(lái)將輸入的模擬直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)值并存入單片機(jī)相應(yīng)的內(nèi)存單元。通過(guò)查閱ADC0831的相關(guān)資料，按其工作時(shí)序圖，進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在主函數(shù)中調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)函數(shù)。

②動(dòng)態(tài)顯示函數(shù)：采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。動(dòng)態(tài)掃描顯示過(guò)程：在某一時(shí)段只讓其中1位的LED位選口有效，并在段選口上送出相應(yīng)的字形顯示編碼。這時(shí)在選中的LED上顯示指定字符，其他位的LED處于熄滅狀態(tài)；延時(shí)一段時(shí)間，下一時(shí)段按順序選通另外1位LED，并送出相應(yīng)的字形顯示編碼，依此規(guī)律循環(huán)下去，直到最后1位LED被選通，顯示指定字符。反復(fù)進(jìn)行以上LED動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程，就能實(shí)現(xiàn)各位LED穩(wěn)定顯示字符的效果。動(dòng)態(tài)顯示函數(shù)設(shè)計(jì)如下：

void seg_display（void）

{#define segdata P2

#define segselt P0

unsigned char code segtab[]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x83，0xf8，0x80，0x98}；

unsigned char i，scan；scan=1；

for（i=0；i<5；i++）{segselt =scan；segdata =segtab[disp[i]]；

delay_ms（1）； scan<<=1；}}

③數(shù)據(jù)處理函數(shù)：將A/D轉(zhuǎn)換程序的8位二進(jìn)制數(shù)（00H-FFH）轉(zhuǎn)換成0.000～5.000的字符形式，4位LED數(shù)碼管上需要顯示其中的高四位，數(shù)據(jù)處理函數(shù)采用拆字法實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)如下：

void data_process（unsigned char value）

{unsigned int temp；temp=value*196；

disp[0]=temp/10000；

disp[1]=（temp/1000）%10；

disp[2]=（temp/100）%10；

disp[3]=（temp/10）%10；}

4 測(cè)量結(jié)果

硬件仿真電路調(diào)試運(yùn)行后，通過(guò)數(shù)碼管顯示的數(shù)字與仿真電路中電壓表所測(cè)得的電壓值進(jìn)行比較，成功的取得了一組測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、搭建硬件仿真電路、軟件設(shè)計(jì)、軟硬聯(lián)調(diào)，成功設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易直流數(shù)字電壓表，該表具備功能可靠、精度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。此次設(shè)計(jì)的硬件仿真適合應(yīng)用于虛擬儀器的教學(xué)演示和實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。

參考文獻(xiàn)：

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