基于PIC单片机的直流电压测量计

基于单片机的数字电压表设计一、引言在电子测量领域中，电压表是一种常用的测量仪器，用于测量电路中的电压值。

传统的模拟电压表由于精度低、读数不便等缺点，逐渐被数字电压表所取代。

数字电压表具有精度高、读数直观、抗干扰能力强等优点，广泛应用于工业自动化、电子设备检测、实验室测量等领域。

本文将介绍一种基于单片机的数字电压表设计方案，详细阐述其硬件电路设计、软件编程实现以及系统性能测试。

二、系统总体设计方案（一）设计要求设计一款基于单片机的数字电压表，能够测量 0 5V 的直流电压，测量精度为 001V，具有实时显示测量结果的功能。

（二）系统组成本数字电压表系统主要由以下几个部分组成：1、传感器模块：用于将输入的电压信号转换为适合单片机处理的电信号。

2、单片机模块：作为系统的核心，负责对传感器采集到的数据进行处理和计算，并控制显示模块显示测量结果。

3、显示模块：用于实时显示测量的电压值。

三、硬件电路设计（一）传感器模块选用 ADC0809 作为模数转换芯片，它具有 8 个模拟输入通道，可以将 0 5V 的模拟电压转换为 8 位数字量输出。

（二）单片机模块选择 AT89C51 单片机作为控制核心，它具有 4K 字节的 Flash 程序存储器和 128 字节的随机存取数据存储器。

（三）显示模块采用液晶显示屏（LCD1602）作为显示器件，它能够清晰地显示数字和字符信息。

四、软件编程实现（一）编程语言选择使用 C 语言进行编程，C 语言具有语法简洁、可移植性强等优点。

（二）主程序流程主程序首先进行系统初始化，包括单片机端口初始化、LCD1602 初始化、ADC0809 初始化等。

然后启动 ADC0809 进行模数转换，读取转换结果并进行数据处理，计算出实际的电压值。

最后将电压值发送到 LCD1602 进行显示。

（三）模数转换子程序ADC0809 的转换过程通过控制其启动转换引脚（START）和读取转换结束引脚（EOC）来实现。

基于PIC单片机控制的RLC智能测量仪
在使用电子元器件时，首先需要了解其参数，这就要求能够对元器件
的参数进行精确测量。

采用传统的仪表进行测量时，首先要从电路板上焊开器件，再根据元件的类型，手动选择量程档位进行测量，这样不仅麻烦而且破坏
了电路板的美观。

经过理论分析和实验研究，采用正交采样算法，并由单片机
控制实现在线测量、智能识别、量程自动转换等多种功能，可大大提高测量仪
的测量速度和精度，扩大测量范围。

因此这种RLC 测量仪既可改善系统测量
的性能，又保持了印刷电路的美观，较传统的测量仪还具有高度的智能化和功
能的集成化，在未来的应用中将具有广阔的前景。

1 硬件电路设计
此测量仪硬件设计思路如图1 所示。

由于PIC 单片机只能正确采集0～5 V 之间的电压，而输入的信号是正弦波信号，因此在将此正弦信号送入单片机之前需对其进行电位提升，使整个
正弦信号任意时刻的电位均大于或等于0。

另外本测量仪具有量程自动转换和
增益自动可控的特点，实现电路如图2 所示。

图2 中U1(CD4051)是一个单刀八掷的模拟开关，用以完成量程电阻挡
位的转换;U2(CD4052)是一个双刀四掷的模拟开关，用来选择待测元件或基准
电阻信号;U3，U4，U5，U6 共同组成一个增益可以控制的仪用差分式放大电路，其中U5(CD4052)是用来切换增益倍数的;U8(74LS273)是一个锁存器，用于将由单片机发出的控制信号锁存并传输给U1，U2，U5 实现程控;由于U1，U2，U5 开关切换的驱动电压要求达到5 V 以上，而单片机的高电平仅为3～5 V，达不。

0引言日本机器人工业协会公布的一份报告指出，到2020年，仅日本服务型机器人的市场需求额就将达到100亿美元，而全球市场可高达1500亿美元以上。

随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步，服务机器人将在我们的日常生活中扮演越来越重要的角色[1-2]。

虽然工业机器人伺服控制系统的研究和开发已经成熟，但是它们用于服务机器人仍然存在许多问题，如体积过大、结构封闭、不支持网络通信等，从而导致控制器之间相互孤立，系统升级过程中大量资源浪费[3]。

所以，研究和开发适用于服务机器人的嵌入式、开放式、模块化、网络化的控制器已成为当前的研究热点[4]。

服务机器人一般是用电池驱动的多轴移动机器人，这就要求其控制系统具有耗电量小和接线少的特点[5]。

PIC 单片机是美国Microchip 公司生产的8位微处理器，但是它的速度与功能却比现在一些普通8位的51单片机强很多。

PIC 单片机的体积小、功耗低，而且内部集成了多种外围电路，使设计更加方便，无需在单片机的设计中再添加一些外围电路，容易形成内嵌式控制系统[6]。

不少学者开始用PIC 单片机来控制电机[7-8]，文献[8]提出了一种用PIC 作为伺服电机控制器，通过串口通信的方法实现了耗电量小和接线少的要求。

服务机器人是与人接触、与人共存的机器人，这就要求其控制模式能随着外部环境的变化而改变。

而现有的大多数伺服电机控制器一旦设定某种控制模式(如位置控制)，在控制过程中是无法改变控制模式的。

本文提出了一种位置、速度、电流3种控制模式随时可变的伺服控制器。

它不同于传统的固定控制模式，使机器人各个关节能根据不同的外部环境采用不同的控制模式。

由于该伺服控制系统具有耗电量小、连接线少、价格低廉、控制轴数扩展容易、不受计算机操作系统限制和具有通用性等优点，特别适合电池驱动的多轴服务机器人的应用。

1设计思想1.1控制原理基于PIC 芯片的电机控制原理如图1所示，控制模式包括位置控制、速度控制和电流控制。

基于单片机的电流电压测量系统设计目录1 前言 (2)1.1 电子测量概述 (2)1.2 数字电压表的特点 (2)1.3 单片机的概述 (3)2 系统方案的选择与论证 (4)2.1 功能要求 (4)2.2 系统的总体方案规划 (4)2.3 各模块方案选择与论证 (5)2.3.1 控制模块 (5)2.3.2 量程自动转换模块 (5)2.3.3 A/D转换模块 (5)2.3.4 显示模块 (6)2.3.5 通信模块 (6)3 系统的硬件电路设计与实现 (7)3.1 系统的硬件组成部分 (7)3.2 主要单元电路设计 (7)3.2.1 中央控制模块 (7)3.2.2 量程自动转换模块 (8)3.2.3 A/D模数转换模块 (13)3.2.4 显示模块 (14)3.2.5 通信模块 (15)3.2.6 电源部分 (16)4 系统的软件设计 (16)4.1 软件的总体设计原理 (16)4.1.1 A/D转换程序设计 (17)4.1.2 数字滤波程序设计 (18)4.1.3 量程自动转换的程序设计 (20)5 系统调试及性能分析 (22)5.1 调试与测试 (22)5.2 性能分析 (22)6 结束语 (23)6.1 设计总结 (23)6.2 设计的心得 (23)7 致谢词 (24)附录 (25)附录1 参考文献 (25)附录2 系统总电路图 (26)附录3 源程序 (27)1 前言1.1 电子测量概述从广义上讲，但凡利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电子学中测量有关电量的量值。

与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：①测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；②量程很广；③测量准确度高；④测量速度快；⑤易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；⑥易于利用电脑，形成电子测量与计算技术的紧密结合。

随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。

基于PIC单片机的直流电压测量计
武凌;石宇
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2003(026)020
【摘要】介绍了利用PIC单片机制作的直流电压测量计的基本原理,通过串行口与上位机通信,并采用VB的可视化编程技术在计算机上实时显示测量的电压值.【总页数】3页(P9-11)
【作者】武凌;石宇
【作者单位】重庆邮电学院,重庆,400065;重庆邮电学院,重庆,400065
【正文语种】中文
【中图分类】TP368.1
【相关文献】
1.基于PIC单片机的直流无刷电机驱动控制器 [J], 吕仲军;刘泽潮
2.基于PIC单片机的直流无刷电机驱动控制器 [J], 吕仲军;刘泽潮;
3.基于微分电路的频率/直流电压转换原理的频率测量计 [J], 郭明良;郭松林;付家才
4.一种基于PIC18单片机的数字控制直流变换器的设计 [J], 刘康
5.基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统 [J], 李小枝
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课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导老师：工作单位：题目：简易直流电压表的设计初始条件：电脑一台、proteus作图软件、keilc51编译器、medwin仿真软件要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1、技术要求：以89s51单片机为核心芯片，设计一个简易直流电压表，要求如下：A、能够对直流电压进行相应的采集和转换；B、利用led对电压值进行显示，精确到小数点后一位；2、主要任务：（1）复习有关课程，如数字电路、单片机等；（2）以89s51为核心，根据设计指标设计电路的框图；（3）根据要求设计出电路逻辑图和装配图；（4）查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（5）自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（6）撰写设计说明书，进行答辩。

3、撰写课程设计说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献时间安排：课程设计时间：1周－2周1周：明确任务，查阅资料，初步设计电路原理图；2周：按照电路原理图布线，并调试通过。

按照要求撰写课程设计说明书。

指导教师签名：年月日系主任（或负责老师）签名：年月日目录1 设计方案 (2)2 设计总体框图 (2)2.1 硬件总体框图 (2)2.2 程序总体框图 (3)3.1 待测信号源单元电路 (5)3.2 A/D模数转换单元 (5)3.3 单片机控制单元 (6)3.3.1 AT89C52单片机芯片 (6)3.3.2 外部时钟电路 (7)3.3.3 复位电路 (8)3.4 数码管显示模块 (9)4 电路原理说明 (10)4.1 AT89C52单片机 (10)4.2 ADC0809模数转换芯片 (11)4.3 八段数码管和74LS47 (13)4.3.1 八段数码管 (13)4.3.2 74LS47译码芯片 (13)4．4 系统整体工作原理 (14)4.4.1 硬件原理 (14)4.4.2 软件原理分析 (16)5.设计心得 (23)6参考文献 (23)附录： (24)附录1：调试报告 (24)附录2：元器件清单 (25)简易直流电压表的设计1 设计方案根据本次课设的要求，以51单片机为核心，设计一个简易直流电压表，电压表的作用即是测直流电压的大小，而由所学微控制器的知识可知，可以利用单片机的模数转换来实现这一设计。

一种基于PIC单片机电压采样的功率因数在线检测1．引言功率因数是交流电路中的重要参数，是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，也是供电线路在线监测系统的重要检测量，在功率因数补偿系统中需对其进行实时测量[1]。

因此设计出结构简单、检测精度高的功率因数在线检测电路十分必要。

而功率因数的测量一般都要对被测电路的电压、电流进行采样，然后进行处理提取功率因数信号，通常由电压、电流取样电路、整形电路、同步周期测量、相位测量等组成，其缺点是结构较复杂，检修困难，有时会出现功率因数的测量精度不高的问题[2]。

为此，作者基于电压采样，经单片机软件进行分析、计算可得出被测电路的功率因数，通过显示电路显示出功率因数的大小，并由通信接口电路将被测功率因数进行远距离传输。

这样既简化功率因数测量电路的结构，提高功率因数的测量精度，又增强了功率因数检测电路的功能。

2．原理分析通过对电压的提取来检测功率因数的原理如图 1 （a）所示，首先采用 3 个高精度的WB 系列数字式交流电压真有效值传感器分别对被测电路的电源电压U1、附加可调电阻RP 两端电压U2 及负载电压U3 进行检测。

可调电阻RP 的作用是使附加电阻尽可能小，以减小对被测负载的影响，又可得到数值适当的电压U2 满足功率因数计算的要求。

由电路理论[3]，可画出电压1、2和3的相量图如图1(b)所示，则COSϕ即是被测负载的功率因数。

500)this.style.width=500;” border=0>图 1 电压测量原理示意图与电压相量图根据几何学中的余弦定理可得，500)this.style.width=500;” border=0>由式（2）可知，只要将电压U1、U2、U3 经过运算后就可求出负载的功率因数COSϕ。

为减小测量电路的硬件开销，数据的处理与计算由单片机软件完成。

3．单片机输入输出电路设计单片机输入输出电路主要是对传感器检测。

用PIC16F877A单片机制作的PWM参数测量仪用PIC16F877A单片机制作的PWM参数测量仪一、测量原理电路如上图（电源电路略）。

外部频率信号从单片机CCP1（RC2）脚输入，测量结果显示在液晶屏上。

PIC16F877A单片机内部有2个CCP模块。

当它工作在PWM方式时。

可以产生周期和电平宽度均可由编程决定的PWM波形；当它工作在捕捉方式时。

可以捕捉外部输入脉冲的上升沿或下降沿，当输入信号发生边沿跳变时，CCP模块立即把当时TMR1的16位计数值放入CCPRxH和CCPRxL寄存器。

并产生相应的中断。

利用CCP 模块的捕捉功能，可以很容易地完成。

PWM信号的周期、频率、脉宽、占空比等参数的测量。

PWM信号参数的测量以周期测频法为基础。

原理如右图所示。

把单片机的CCP1模块设置为捕捉模式，先把CCP1设置为捕捉脉冲的上升沿。

当脉冲信号上升沿到来时。

触发CCP中断，并在中断服务程序中记录下此时TMR1寄存器中16位的值T1：然后把CCP1模块设置成捕捉脉冲下降沿，当脉冲信号下降沿到来时，再次触发CCP中断。

并在中断服务程序中记录下此时TMR1寄存器中16位的值T2；最后把CCP1模块设置成捕捉脉冲上升沿，当脉冲信号上升沿到来时，触发CCP 中断，并在中断服务程序中记录下此时TMR1寄存器中16位的值T3，这样就完成了PWM信号一个周期的测量。

示例程序如下：通过T1~T3可算出PWM信号的周期、频率、脉宽、占空比等。

当PIC16F877A使用4MHz晶振时。

时钟周期=1/4MHz=250ns，指令周期=1μs，TMR1寄存器中16位数值的单位就是μs。

PWM信号各参数的计算方法如下：信号周期：T=（T3-T1）μs；信号频率：F=1000000/T；脉冲宽度：P=（T2-T1）μs；占空比：R=P/T×100％。

为了提高准确性。

可以重复测量多个周期的PWM信号参数，以平均值为最终测量结果。