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基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計流程詳解
時間：2018-07-19 來源：未知
單片機(jī)有著簡單實用、可靠性高、性能好、性價比及體積小等優(yōu)點，在各大技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到了快速發(fā)展。
數(shù)字電壓表，稱為DVM，是一種使用數(shù)字測量技術(shù)將連續(xù)模擬(直流輸入電壓)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)和離散的數(shù)字形式并顯示它們的儀器。傳統(tǒng)指針式電壓表功能單一，精度低。它不能滿足數(shù)字化時代的需要。采用單片機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字電壓表具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便等特點，并能與PC機(jī)實時通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)字電壓表已廣泛應(yīng)用于電子電氣測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能測量領(lǐng)域，顯示出巨大的生命力。同時，由DVM擴(kuò)展的各種通用、專用數(shù)字儀表也使電能測量技術(shù)和非電測量技術(shù)進(jìn)入了一個新的水平。本設(shè)計著重于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理和基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表。準(zhǔn)確可靠的電壓測量在大學(xué)物理教學(xué)中具有重要意義。在研究目前主流電壓表設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，提出一種新型數(shù)字電壓表的設(shè)計方法，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)集成度和電路可靠性。以Altera 公司高性價比的AT89C51芯片為控制核心，以較高性能的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器為信號采集芯片，完成電壓數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理、顯示，并實現(xiàn)了檔位的自動轉(zhuǎn)換和較寬的測量范圍。
本次設(shè)計系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為核心，輔以簡單的控制電路，設(shè)計了一種切換量程的數(shù)字電壓表。系統(tǒng)中，模擬電壓信號由A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543采集，以數(shù)字信號的方式傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，并加以控制。控制系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件部分包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓采集電路、量程控制電路、電壓顯示電路以及其他一些外圍接口電路。軟件部分包括：主程序的流程設(shè)計，其涵蓋了電壓采集子程序、字符轉(zhuǎn)換子程序、LCD液晶顯示子程序等，這些子函數(shù)都體現(xiàn)出系統(tǒng)軟件設(shè)計模塊化的結(jié)構(gòu)特點。通過單片機(jī)對信號處理并加以適當(dāng)?shù)乃惴ǹ刂疲瑥亩?qū)動相應(yīng)的硬件電路，實現(xiàn)電壓控制的目的。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：
系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)作為主控器，通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，包括電壓采集、輸入和輸出、電壓的量程控制、顯示等電路，實現(xiàn)數(shù)字電壓表的系統(tǒng)化設(shè)計。
系統(tǒng)主程序的設(shè)計：
系統(tǒng)主程序的主要功能是負(fù)責(zé)電壓采集、處理、顯示三部分，本次設(shè)計主要包括以下方面：
1、按照硬件電路對單片機(jī)位定義。
2、編寫延時模塊子程序。
3、編寫液晶顯示器1602的初始化子程序。
4、編寫驅(qū)動1602液晶顯示模塊程序。
5、編寫驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換模塊程序。
6、編寫A/D轉(zhuǎn)換后對電壓的處理函數(shù)子程序
7、編寫鍵盤掃描模塊程序。
其程序設(shè)計流程圖2如下所示：
系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)位后，先對單片機(jī)、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示屏LCD1602等進(jìn)行初始化，初始化完成后通過輸入電路給數(shù)字電壓表輸入模擬電壓，在電壓測量過程中，先通過滑動變阻器來控制輸入信號的衰減率、通過按鈕來選擇不同的檔位，然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)，并對模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行簡單的處理，最后通過液晶屏LCD1602進(jìn)行顯示。
系統(tǒng)整體硬件電路圖3如下(proteus環(huán)境)：
硬件設(shè)計注意事項：
整個系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地不要交叉共地，模擬地和數(shù)字地要分別獨立開來，避免信號之間的干擾。同時液晶的讀寫要注意它們之間的時序，最好要弄清它的型號和用戶手冊中的提到的地址問題，再進(jìn)行它與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)讀寫操作。不僅如此，器件之間的兼容性和工作最大電流和電壓問題也是本次硬件設(shè)計的重點。
一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I /O口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇合適的芯片，設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)內(nèi)部的功能單元已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需要，不需要系統(tǒng)擴(kuò)展。按系統(tǒng)功能需求，需要配置檔位轉(zhuǎn)換、LCD顯示等。系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計遵循下列原則：
1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法;
2、系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟兀员愣伍_發(fā);
3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)上相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，但由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其相應(yīng)時間要比直接用硬件實現(xiàn)來得長，而且占用CPU時間;
4、整個系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配;
5、可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇等;
6、該系統(tǒng)的所有元器件必須滿足5V的工作電壓。
