3位半数字直流电压表的设计制作

KEY4: CPL 22H RET
KEY5: SETB20H RET
XSBZ: CLR P2.3 SETB P2.2 SETB P2.1 SETB P2.0 MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A LCALL DELAY RET
—————————————— ；显示子程序 DISP: MOV R0,#30H

1.2.4 键盘、显示部分

更具技术指标的功能要求，采用 6 个按键式独立键盘和 4 个 LED 显示器。 键盘功能为： 1) 量程选择键 4 个：AUTO（KB1）、2V（KB2）、20V（KB3）、200mV（KB4）； 2) 功能键 2 个：自动连续测量/手动单次测量转换键（KB5）、自检（KB6）。 选用三态八缓冲/线驱动器 74LS244 作为键盘接口芯片。

图 2 量程标定电路

1.2.2 A/D转换电路

图 3 对衰减电路的仿真模拟

A/D 转换器为数字电压表不可缺少的主要部件，考虑到电压表的精度、转换位数等技术指标，选用双斜

积分公式集成 A/D 转换器 MC14433 芯片，其参考电压由基准电压电路 MC1403（+2.5V）提供。

1.2.3 单片机

选用 AT89S51 单片机作为主机，主频设置为 12MHZ，其自身可以实现上电复位。
３位半数字直流电压表的设计制作
赵亚涛
摘要：本文介绍一种基于 AT89S51 单片机、A/D 转换芯片和 LED 数码显示器的 3 位半数字直流电压表设计制 作方法，设计三个档位电压测量、实现自动连续测量和手动单次测量两种不同测量模式。 关键词：电压测量 A/D 转换器 单片机
1.1 引言
数字电压表（Digital Voltmeter），简称 DVM，是采用数字化测量技术，把连续的模拟信号转换成不连续、 离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表的类型很多，其输入电路、计数电路和显示电路基本相似， 只是电压－数字转换方法不同。常见的直流电压－数字转换方法有：V-T 转换法；V-F 转换法和逐位逼近法。 与传统的指针电压表相比，采用单片机的数字电压表，其精度高、抗干扰能力强，具有可扩展、集成方便 等优点。
JKEY3: LCALL KEY3 JKEY4: LCALL KEY4 JKEY5: LCALL KEY5
RET KEY0: SETBP3.0
CLR P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 LCALL DISP RET PDLC0: MOV A,P1 JNB ACC.3,GLC0 QLC0: SETBP3.0 CLR P2.4 SETB P2.5 CLR P2.6 LCALL CL LCALL DISP RET GLC0: CLR P3.0 SETB P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 LCALL CL LCALL DISP RET KEY1: SETBP3.0
MOV DPTR,#TABLE MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A CLR P2.3

LCALL DELAY ORL P2,#0FH INC R0 MOV DPTR,#TABLE MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A CLR P2.2 LCALL DELAY ORL P2,#0FH INC R0 MOV DPTR,#TABLE MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A CLR P2.1 LCALL DELAY ORL P2,#0FH INC R0

调试，寻找并解决问题。通过 51AVR 实验板下载程序到 AT89S51 单片机中。

实验程序
ORG 0003H LJMP MAIN —————————————— ORG 0000H LJMP MAIN —————————————— ORG 0030H;主程序 MAIN: CLR 20H CLR 21H CLR 22H SETB P3.0 SETB P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 —————————————— ；中断子程序 BEGIN: LCALL CL LCALL KEY MOV R7,#10H REPEAT: LCALL DISP DJNZ R7,REPEAT AJMP BEGIN CL: JB P3.2,CL CL1: MOV A,P1 JNB ACC.4,CL1 JB ACC.0,ERR JNB ACC.3,CLQ CLR A MOV 33H,A AJMP CLB CLQ: MOV A,#01H MOV 33H,A CLB: MOV A,P1 JNB ACC.5,CLB ANL A,#0FH MOV 32H,A CLS: MOV A,P1 JNB ACC.6,CLS ANL A,#0FH MOV 31H,A CLG: MOV A,P1 JNB ACC.7,CLG

MOV DPTR,#TABLE MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A CLR P2.0 LCALL DELAY ORL P2,#0FH RET TABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H DB 0B0H,99H,92H,82H DB 0F8H,80H,90H —————————————— ；延迟子程序 DELAY: MOV R3,#08H LOOP: MOV R4,#0A0H DJNZ R4,$ DJNZ R3,LOOP RET END

1.2.1

电

量程标
ห้องสมุดไป่ตู้
压

量程标定电路

A/D 转换电路

测

单

如图 量

片

为一个由 输

机

器 μ A741 入

键盘电路

容组成的 端

LED 显示部分

定电路
2 所示， 运算放大 及电阻电 量程标定

电路，使

得电压表

能够在单 制下实现

图 1 电路组成原理

片机的控 三个量程

的切换，

其中 0～

2V 为基本量程，0～200mV 测量电压将其放大 10 倍，对于 0～20V 的测量电压则将其衰减 10 倍，同时，使

CLR P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 LCALL CL JB 21H,PDLC1 LCALL DISP RET PDLC1: MOV A,P1 MOV A,#0C7H AJMP LP1 GLC1: MOV A,#89H LP1: LCALL XSBZ RET KEY2: CLR P3.0 SETB P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 LCALL CL JB 21H,PDLC2 LCALL DISP RET PDLC2: MOV A,P1 JNB ACC.3,GLC2 MOV A,#0C7H AJMP LP2 GLC2: MOV A,#89H LP2: LCALL XSBZ RET KEY3: SETBP3.0 CLR P2.4 SETB P2.5 CLR P2.6 LCALL CL JB 21H,PDLC3 LCALL DISP RET PDLC3: MOV A,P1 JNB ACC.3,GLC3 MOV A,#0C7H AJMP LP3 GLC3: MOV A,#89H LP3: LCALL XSBZ RET

1.5 电压表调试

在以上步骤完成后，需要对电压表的性能进行测试，这里主要考虑到精确度。通过对比在不同量程范 围内的测量电压值与实际电压值，选择适当的电位器阻值，可以提高测量精度。
此外，由于采用查询方式进行测量，即每次必须等 A/D 转换器完成后才显示一次数据，数码管可能较 暗或者不清楚，可将程序的数码管显示部分改为无限循环方式或者将程序改为中断方式进行测量。

2)

K1K2K3K4=1010

时，电路放大系数：Aµ

=

R5 R4+R5

=

0.1，此时将输入电压衰减

10

倍，可实现

0～20V

量程的输入；

3)

K1K2K3K4=0101

时，电路放大系数：Aµ

=

1

+

R4 R5

=

10，此时将输入电压放大

10

倍，可实现

0～0.2V

量程的输入。 为了对其电路进行验证，使用 protel 软件进行模拟分析，对于衰减电路，得到模拟仿真电压图，如图 3 所示。
1.2 电路组成及设计原理
本设计以 AT89S51 单片机作为电路的核心部件，采用软硬件相结合的方式设计一种三位半数字直流电 压表。电路的组成如图 1 所示，主要有电压测量端、量程标定电路、A/D 转换电路、AT89S51 单片机、键盘 及显示部分组成。模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减，再通过 A/D 转换电路后送入 AT89S51 单片机进行处理，最终将处理结果送到 LED 显示。
本文采用 AT89S51 单片机为 8 位单片机，当 ADC 出入 2V 时，输出数字量值为 FFH，故最大分辨率为 07.8mV, 如果需要扩大量程，需采用 12 位或者更高位的单片机。而数字电压表的显示部分可以通过增加 BCD 码调整 程序来显示数据。

参考文献

【1】 【2】
【3】 【4】

周开邻，3 位半数字直流电压表的设计制作，云南大学物理系，2010.10 张英平，基于 AT89C51 单片机的数字电压表的 Proteus 仿真设计与应用，MACHINE TOOL ELECTRIC APPARATUS，2008，35(6) 宋凤娟，孙军，李国忠，基于 89c51 单片机的数字电压表设计，制造业自动化，2007，29(2) 包婉贞，单片机在智能数字电压表中的应用，INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER，2001 (6)

1.6 总结

单片机的应用如今已经是在工业、电子等方面展示出它的优越性，利用单片机设计电路逐渐成为趋势， 它与外围电路，在软件程序的作用下就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。由于本设计是使用 AT89S51 单片机作为核心的测量系统，以及高精度、高速度、高抗干扰的 A/D 转换器，使得此直流电压表具 有精度高、灵敏性强、性能可靠、电路简单、成本低的特定。

1.3 电路板制作

根据设计，实验器件如图 4 所示，实现电路总图如图 5 所示。对制好的电路板，对照器件位置，焊接 所需器件。

器件 代号

器件名称及型号

器件代号

器件名称及型 号

器件代号

器件名称及型 号

器件代号

器件名称 及型号

IC1

89C51（40 脚） 电容 C1、C2 0.1μF×2 IC8

74LS32（14 脚） 电阻 R7

得输入阻抗大于 10MΩ。量程切换通过利用单片机的 P3.0(K1)、P2.4(K2)、P2.5(K3)、P2.6(K4)四条引脚实

现。

如图 2 所示，其具体工作原理为：

1)

K1K2K3K4=0110

时，电路放大系数：Aµ

=

1

+

0 R4+R5

=

1，此时相当于电压跟随器，可实现

0～2V

基本量程的输入；

300KΩ

IC2 MC14433（24 脚） 电容 C3、C4 0.047μF×2 IC9

MC1403（8 脚） 电阻 R8

1KΩ

IC5 74LS273（20 脚） 电容 C5、C6

30pF×2

LED 显示器

×4

电阻 R9～R14 4.7KΩ×6

IC6 74LS244（20 脚） 电容 C7

22F

按键

ANL A,#0FH MOV 30H,A RET ERR: SETB21H RET —————————————— ；键盘扫描子程序
KEY: MOV DPTR,#7FFFFH MOVX A,@DPTR JNB ACC.0,KEY0 JNB ACC.1,KEY1 JNB ACC.2,KEY2 JNB ACC.3,JKEY3 JNB ACC.4,JKEY4 JNB ACC.5,JKEY5 RET

×6

电阻 R15～R22 200Ω×8

IC7

74LS04（14 脚） 电阻 R6

470KΩ

晶振

12MHZ

电位器 P1

1KΩ

图 4 器件列表

图 5 三位半数字直流电压表设计电路图
1.4 程序录入、编辑、调试及烧录
电路的程序设计主要包括 A／D 转换部分、数码管动态显示部分、键盘控制部分。在 Keil μVision2 录入程序、

【5】 贾培军 ，董军堂，高延华，一种量程自动切换数字电压表的设计，山西电子技术，2007 (6)