基于51單片機(jī)的數(shù)字電壓表仿真設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，而電壓的測量甚為突出，因?yàn)殡妷旱臏y量最為普遍。數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化測量技術(shù)設(shè)計(jì)的電壓表。數(shù)字電壓表與模擬電壓表相比，具有讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確、顯示范圍寬、分辨力高、輸入阻抗大、集成度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在電壓測量、電壓校準(zhǔn)中有著廣泛的應(yīng)用。本文采用ADC0808對輸入模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51單片機(jī)對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號(hào)，通過Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)接口電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

　　Proteus軟件是一種電路分析和實(shí)物模擬仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以進(jìn)行仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，是集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能強(qiáng)大，具有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣大用戶的青睞。

　　1 系統(tǒng)概述

　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

　　利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)0～5 V之間的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，以兩位數(shù)碼管顯示，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。

　　1.2 總體方案

　　數(shù)字電壓表電路組成框圖如圖1所示。

　　本設(shè)計(jì)中需要用到的電路有電源電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路等。設(shè)計(jì)中需要用到的芯片有AT89C51單片機(jī)、ADC-0808、74LS74、LED數(shù)碼管等。

　　2 數(shù)字電壓表的Proteus軟件仿真電路設(shè)計(jì)

　　待測電壓輸入信號(hào)在ADC0808芯片承受的最大工作電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)控制電路進(jìn)行程序數(shù)據(jù)處理，然后通過七段譯碼/驅(qū)動(dòng)顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示輸入電壓。

　　硬件電路原理圖如圖2所示。

　　2.1 AT89C51單片機(jī)和數(shù)碼管顯示電路的接口設(shè)計(jì)

　　利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，將模擬信號(hào)0～5 V之間的直流電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)0～FF，以兩位數(shù)碼管顯示。Proteus軟件啟動(dòng)仿真，當(dāng)前輸入電壓為2.5 V，轉(zhuǎn)換成數(shù)字值為7FH，用鼠標(biāo)指針調(diào)節(jié)電位器RV1，可改變輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808的電壓，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號(hào)的電壓值，LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值量。

　　在Proteus軟件中設(shè)置AT89C51單片機(jī)的晶振頻率為12 MHz。本電路EA接高電平，沒有擴(kuò)展片外ROM。

　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換器采用集成電路ADC0808。ADC0808具有8路模擬量輸入信號(hào)IN0～I(xiàn)N7(1～5腳、26～28腳)，地址線C、B、A(23～25腳)決定哪一路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本電路將地址線C、B、A均接地，即選擇0號(hào)通道輸入模擬量電壓信號(hào)。22腳ALE為地址鎖存允許控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。6腳START為啟動(dòng)控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換開始。本電路將ALE腳與START腳接到一起，共同由單片機(jī)的P2.0腳和WR腳通過或非門控制。7腳EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，7腳輸出一個(gè)正脈沖，此信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號(hào)或向CPU申請中斷的信號(hào)，本電路通過一個(gè)非門連接到單片機(jī)的P3.2腳。9腳OE為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制信號(hào)，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，允許讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。該OE腳由單片機(jī)的P2.0腳和RD腳通過或非門控制。10腳CLOCK為ADC0808的實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)30引腳ALE的六分頻晶振頻率得到時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字量輸出端8個(gè)接到單片機(jī)的P0口。

　　3 數(shù)字電壓表的軟件程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電狀態(tài)，初始化ADC0808的啟動(dòng)地址，數(shù)碼管顯示關(guān)閉，開始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。等待啟動(dòng)結(jié)束后，將ADC0808的0號(hào)通道模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量結(jié)果通過數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的方式顯示到三位數(shù)碼管上。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合硬件電路，在輸入模擬信號(hào)時(shí)采用電阻分壓，最終的采樣輸入電壓只有實(shí)際輸入電壓的十分之一，所以在編寫程序中要編寫一段數(shù)據(jù)調(diào)整程序，其中還應(yīng)注意硬件顯示電路采用了動(dòng)態(tài)掃描顯示，在動(dòng)態(tài)掃描顯示方式中，動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，數(shù)碼管LED將會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，通常數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間間隔一般均取5ms左右為宜，這就要求在編寫程序時(shí)，使其點(diǎn)亮并保持一定的時(shí)間?？偨Y(jié)以上分析，程序流程圖如圖3，圖4所示。

　　本電路的程序設(shè)計(jì)主要包括A/D轉(zhuǎn)換部分、LED顯示、初始化和定時(shí)器中斷部分。部分程序代碼如下所示。

　　5 結(jié)束語

　　本文的數(shù)字電壓表可以測量0～5 V的電壓值，AT89C51為8位單片機(jī)，當(dāng)ADC0808的輸入電壓為5 V時(shí)，輸出數(shù)字量值為+4.99 V。如果要獲得更高的精度，需采用I2位、I3位等高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)字電壓表的顯示部分可以增加BCD碼調(diào)整程序來通過三位數(shù)碼管顯示其數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)的顯示偏差，可以通過校正0808的基準(zhǔn)參考電壓來解決，或用軟件編程來校正其測量值。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中通過Proteus仿真軟件的調(diào)試，具有電路簡單、成本低、精度高、速度快和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。