基于單片機(jī)的高精度數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

吳順柳

（玉林師范學(xué)院，廣西玉林，537000）

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔的測(cè)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(shù)，將連在一起的數(shù)量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不是連在一起的分開(kāi)的數(shù)字形式并用液晶來(lái)顯示出來(lái)的數(shù)。

■1.1 功能及實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)要具體實(shí)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(dòng)過(guò)壓保護(hù)功能，有一定的抗干擾功能；(5)當(dāng)檢測(cè)的電壓超出一定的量程范圍時(shí)，蜂鳴器和二極管指示燈發(fā)出聲光報(bào)警提示。

■1.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中的各個(gè)模塊主要是使用下面的幾種方案：控制信號(hào)系統(tǒng)主要以單片機(jī)STC89C52為核心；A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要使用AD0832，主要是因?yàn)锳D0832具有引腳少，方便焊接，體積小，不占地方，使得電路不會(huì)那么的復(fù)雜，而且操作方法簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)，還可以直接由單片機(jī)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需的數(shù)字信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)，轉(zhuǎn)換速度快，滿足設(shè)計(jì)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(jià)格便宜、電路連接方便等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示。報(bào)警模塊使用蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓報(bào)警功能，當(dāng)電壓被測(cè)電壓超過(guò)檔位電壓進(jìn)行報(bào)警。量程換檔模塊：換檔功能主要是獨(dú)立按鍵換檔，簡(jiǎn)單、方便、易操作，具有當(dāng)電壓超過(guò)或小于檔位電壓過(guò)大或過(guò)小時(shí)，不能進(jìn)行換檔，具有一定過(guò)壓保護(hù)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(shè)計(jì)的核心部分，主要作用是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

(2)量程轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用了S2、S3、S4、S5等四個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示屏，通過(guò)顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示電壓變化，可以精確測(cè)量電壓。

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

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)需要被測(cè)數(shù)的采集，基于單片機(jī)和C語(yǔ)言編程。通過(guò)STC89C52的控制，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換采集得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MSU-51控制系統(tǒng)在LCD上顯示出來(lái)。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(guò)壓報(bào)警模塊和量程轉(zhuǎn)換模塊等六個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)。整體電路如圖2所示。

圖2

■2.1 AD轉(zhuǎn)換模塊

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

逐次逼近比較A/D型轉(zhuǎn)換器的工作原理是：它將采樣輸入信號(hào)直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的DI端，然后進(jìn)行通道選擇，因?yàn)槭谴械?，它具有串行的特點(diǎn)，串行的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)依次逐個(gè)輸入。

■2.2 單片機(jī)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(chǔ)器和512字節(jié)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)不具備的功能。STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及電源電路三部分組成。在單片機(jī)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(xué)，而且還為嵌入式存在的缺點(diǎn)，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(xiàn)。

本設(shè)計(jì)就是使用51系列單片機(jī)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(zhuǎn)換芯片ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，這樣不僅可以達(dá)到設(shè)計(jì)的硬性指標(biāo)，而且準(zhǔn)確度高、操作特別的簡(jiǎn)捷，單片機(jī)具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短、控制功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜、程序比較容易學(xué)習(xí)等眾多優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 時(shí)鐘電路

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

2.2.2 復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)初始化的操作。當(dāng)MCU開(kāi)始工作時(shí)，必須先重置，即按復(fù)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?yàn)閱纹瑱C(jī)自身沒(méi)有自動(dòng)復(fù)位的功能。STC89C52有兩種外部復(fù)位模式，一種是上電自動(dòng)復(fù)位，另一種是按鍵手動(dòng)復(fù)位。在本設(shè)計(jì)中采用的是手動(dòng)按鍵復(fù)位的方式，該復(fù)位方式是在普通的RC電路的基礎(chǔ)上在加一個(gè)的10k電阻，10μF的電容。

2.2.3 電源電路

主要是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，因本系統(tǒng)各個(gè)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(kāi)關(guān)，P0為電源接口，S0為按鍵開(kāi)關(guān)。

■2.3 LCD1602液晶顯示模塊

顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出顯示設(shè)備，本設(shè)計(jì)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(cè)電壓的測(cè)量電壓值。它是以字符為基礎(chǔ)的液晶，能顯示數(shù)字和字母，控制簡(jiǎn)單，低功耗。設(shè)計(jì)的主要作用是能夠?qū)崟r(shí)的顯示電壓。

■2.4 按鍵模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)運(yùn)用獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)換擋的功能。這種獨(dú)立的按鈕當(dāng)電壓超過(guò)某個(gè)檔位的量程，可以直接通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)換擋，反應(yīng)靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以快速地實(shí)現(xiàn)所需的選擇，而且因?yàn)槭仟?dú)立的按鍵，按鍵之間互不干擾，具有自動(dòng)過(guò)壓保護(hù)的功能。過(guò)壓保護(hù)功能主要表現(xiàn)在在超出某個(gè)檔位電壓值比較大的情況下，再按這個(gè)小的量程是換不了檔位的，這說(shuō)明在具有一定的過(guò)壓能，從而不會(huì)燒壞芯片。

四個(gè)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(bào)警模塊

通過(guò)單片機(jī)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(kāi)通，從而開(kāi)啟與關(guān)閉蜂鳴器的作用，當(dāng)被測(cè)電壓超過(guò)顯示屏上的電壓量程時(shí)，蜂鳴器和LED會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警。但是由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD00832的測(cè)量電壓的范圍只能在0~5V，所以在沒(méi)有測(cè)量任何電壓的情況下，當(dāng)換擋到4~8V，8~20V，20~40V警報(bào)器也會(huì)有警報(bào)，這是因?yàn)锳D0832的對(duì)電壓的判斷的是超過(guò)5V，超過(guò)AD0832的量程范圍，再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)傳輸?shù)椒澍Q器，此時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

■2.6 量程換擋模塊

設(shè)計(jì)中的量程轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)用七個(gè)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(shè)計(jì)中，單片機(jī)C語(yǔ)言程序用Keil軟件編寫(xiě)，進(jìn)行編譯，得到的HEX文件是單片機(jī)需要的，把HEX文件燒入STC89C52RC單片機(jī)中然后進(jìn)行硬件調(diào)試。主要使用ADC0832模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表的轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)方案以單片機(jī)STC89C52RC為主控芯片，以ADC0832模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片為核心轉(zhuǎn)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(zhǔn)確地測(cè)出需要測(cè)量的有效電壓值，并且誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，而LCD1602能實(shí)時(shí)而清晰顯示被測(cè)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(cè)試

成品制作完成后，首先用萬(wàn)用表檢測(cè)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(méi)有存在短路或斷路。檢測(cè)電源電路及電路中的電源和地連接正常了沒(méi)有，測(cè)試每個(gè)芯片的引腳是否出現(xiàn)短路的情況，檢查無(wú)誤后，然后把單片機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差。

5 總結(jié)

本課題設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了指導(dǎo)老師要求的任務(wù)內(nèi)容。本設(shè)計(jì)基于AD0832集成芯片結(jié)合STC89C52RC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓換擋的測(cè)量，LCD1602液晶為顯示器，通過(guò)軟件與硬件相結(jié)合的方法。所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表測(cè)量范圍是0~40 V的電壓，過(guò)壓報(bào)警功能。設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔，操作便捷，設(shè)計(jì)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(wèn)題，在5V以下的誤差較小，但是超過(guò)5V的電壓誤差較大，不適合測(cè)量過(guò)大的電壓。