毕业设计我帮你

简易数字电压表设计

摘  要

直流数字电压测量表,简称DVM，是我们电压测量仪器中很常见的电压信号测量仪表。他有着测量范围广，抗干扰能力强的特点。它主要是模数转换技术的一种应用，该技术主要是应用在电子领域，工业自动化等行业。

该课题主要实现0—12V直流电压测量。该课题的实现主要分为四个模块，在输入模块中，由于所测电压值超出了硬件的额定电压，因此在输入模块中采用了常见的电阻分压技术；AD转换模块通过使用ADC0809转换芯片对输入信号进行模数转换；控制模块主要采用AT89C51单片机进行数据处理，将AD转换的数字信号转换为可显示的数码管对应的数组下标；显示模块主要采用4位一体LED数码管显示，将单片机处理好的数据赋值给数码显示。

该数字电压表能测量0—12V的直流电压，模拟仿真中的仿真误差相对较小，实物测量误差稍有偏大，误差值在0.1V左右。由于一旦测量量程超过5V时，ADC0809的转换精度就会随之越低，因此测量误差也会随之增大。故该课题设计中电压的测量值相对误差略有偏大。

关键词：数字电压表；直流电压；测量

第1章 绪论
1.1 研究背景
数字电压表在我们日常的信号测量中是相当常见的，他主要是利用了天平等价的原理将模拟的信号等价的转换成为数字信号，但在实际的测量中是不可能完全等效的，因为在各种因素的影响之下肯定会存在一定的误差，但由于数字显示是相当的直观，他相对于老式的电压测量仪器，他有着许多的优点。
随着电子测量技术的不断发展和进步，我们看到了电子领域的科技的巨大进步，他不再是以前那种误差十分大，视觉效果也相当的不好的测量仪器。现今，在电子测量领域大部分用的都是一些高端的技术，都是集成的芯片，而且芯片的集成技术越来越高，材质越来越好，转换精度越来越精确，视觉效果也越来越好。使电压表的测量精度精度也从0.01%-0.005%的提升。使我们看到了电气测量领域的发展是多么的快速。现今，无论是在哪个工厂、工业自动化仪表测量还是自动控制系统的公司，他们都大量的用到了这些数字电压表。由此显示出了他强大的生命力和发展前景。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
据今电子行业发展的速度来看，我们国家对电子测量技术这发那个面的发展也是相当的重视的，现今主要是一个电子信息时代，我们一切的发展均是基于数字化的发展，而世间万物都是一种模拟量的形式存在的，我们要想能清晰的直观的看见他，我们就的将其转换成不连续的、离散的数字量。在这个方面，新型的数字电压表就发展了起来，还因此进行了一场激烈的电子仪器革命。现今的数字电压表均使用了许多新型的技术，高端的芯片等，都不断的在更新产品。可见在不久的将来数字电压表将变得十分的标注化、通用化和系列化，给我们以后在电子器件方面的设计、安装调试和维修都有很大的便捷之处。
根据我国电子企业的普遍现状来看，这些企业都着较强的先进技术和先进思想，整体电子行业而言都达到了一个标准水平，都具有相当强的市场竞争力，因为有竞争才有进步，才有发展，才能前进。我国在数字电压表市场的发展是相当迅速的，他使得与之相关联的核心生产技术和相应的技术研究注定会成为电子行业企业们关注的重点。数字电压表的基本的原理是模数的转换，随着这个领域的发展，有许多单片机中已经内置了模数的转换器，例如STC系列的单片机就不再需要再外接模数转换器，电路设计相对就会变得简单许多，我相信在今后的不断发展中许多的测量也许就一片芯片就可以实现，这些方面技术将得到不断的提高，运用也会越来越广泛。
1.3 本课题的设计要求
1、测量范围：0-12V的直流电压；
2、分辨率：0.05V；
    3、误差：0-0.05V；
4、预期效果：软件仿真能够达到以上技术指标以及硬件的实物能够达到仿真效果。

第2章 设计方案论证与选择
2.1 设计思路
该课题设计的重点是模数转换，和电压的分压处理。由于外界的一切物质都是模拟的，而我们想通过数字直观的看见等价的模拟量，我们就需要将连续的模拟量通过AD转换器转换成不连续的，离散的数字形式用数码管加以显示的仪表^[3]。我们不管测量什么东西我们的有一个出入的接口，才能将我们要测量的东西传进仪器中，这我们就可能用到一些导线、鳄鱼夹，探针等将信号传入的设备，这是第一步，再者，信号传输进去之后我们的进行相应的处理，我们都知道，我们生活中的一切物质都是一个模拟量，我们想要他用数字的方式显示出来，那我们就得进行一个转换，那就是数模的一个转换，当转换完成时候之后就可以得到一个数字量的信号，但是我们不能就这样就把它输出，因为他还没有经过我们的解析处理，故我们要通过单片机来对A/D转换后的数字信号进行一个相应的处理，使他最终得到的一个结果能和我们输入进来的信号值能较接近，因为电子类测量仪器都有一个精度问题，所以说转换后的结果不可能是完全相等的，因为还没有哪款电子测量仪器能做到100%的测量精度，所以说最终的结果都是有一个误差值的，只要你的误差值在一定适当的范围之内都是正确的^[2]。因此，最后就是最终结果的一个输出显示，通过现实的结果我们可以和你输入进去的只进行比较来验证你最终该设计的一个思路时候正确，如果误差实在较大，那就要多方面考虑是什么方面出现了问题，该怎样解决较好等，然后进行不断的实验，直到最终完成该设计。
2.2 数字电压表工作原理及基本组成。
2.2.1工作原理
首先，我们通过A/D转换芯片的测量电压信号引脚输入口输入被测电压信号，然后从单片机的输入信号控制引脚赋值一个高电平来启动A／D转换器进行转换^[7]，在等待数据转换是否完成，当数据转换完成之后打开数据输出口输出转换好的数据进入单片机中进行相应的数据处理，再通过单片机驱动数码管显示相应的电压数值^[6]。这样就完成了模数的一个等效转换。
2.2.2 基本组成模块
输入模块、A/D转换模块、控制模块和显示模块
2.2.3 原理图模块搭建

图2.1 原理图模块搭建图
2.3 模块功能
2.3.1 输入模块
在模拟仿真中直接使用一个滑动变阻器接在一个直流电压源上，通过改变电阻的大小来模拟输出不同的电压大小，来模拟我们外部测量时的不同电压值的大小，并通过电压计来显示此时输入电压的值^[15]。在实物中，用导线、鳄鱼夹、探针等将电压的大小出入电路中，以此实现该测量电路的电压输入。但是还存在一个问题，通常一般我们使用的单片机都是5V的额定电压，如果我们输入的电压值超过了5V之后电压表就会被烧坏，由于该设计的测量范围是0—12V的电压，所以说在输入模块中还要加入一个分压电路来对输入的电压进行一个分压处理，让它输入的电压不能超过5V，来解决输入电压过大以至于烧坏电压表的危险，因此我们通过这种方法能很方便的调节我们要测量的电压值，同时扩大了电压测量的量程。
2.3.2 A/D转换模块
A/D转换模块主要是进行一个模拟信号向数字信号转换的一个过程^[16]，因此要实现此项功能，必须要有一个转换器。现今的像这种A/D转换器特别的多，根据我的各方面比较和参考，我在此用ADC0809转换器转换模拟电压值，由于该转换器在仿真中没有仿真器件，因此在做模拟仿真时选用ADC0808作为该模块的一个模数转换器。
2.3.3 控制模块
该模块主要是实现对转换后的数字信号的结果进行运算处理。因为模拟信号通过A/D转换器之后变成了相应的数字信号，但是我们不能直接就将该数字信号输出^[17]，我们必须要通过编写控制代码来实现对转换后的数据的处理之后才能并驱动显示装置将其输出显示，在这里主要是使用单片机作为控制核心，是该电路的一个核心部分。在此，我们对单片机的选择也是相当的多，但自始至终我们要选择最合适自己设计的一款芯片。
2.3.4 显示模块
显示模块是我们能很直观的看见结果的一个体现，他显示的数字和我们测量的数字进行比较就能得出我们本次设计的成败。我在此使用的器件是4位一体LED数码管^[14]。就是通过该显示输出可以让我们很直观的看见自己测量的结果和我们输入的电压值的一个比较，如果误差相对较小，能在一个标准的误差值范围类的话，我们的这个设计就成功了。如果误差特别大，就得进一步再改进。
2.4 方案论证
2.4.1 控制模块的选择
控制模块无论在社会上的哪个领域中都是最核心的部分，就像我们人的大脑，是一个最智能的控制模块，最核心的数据处理部分^[13]，因为我们做的任何事都是受我们大脑控制的，因此，在此设计中，我们选用的控制器件性能的好坏、精度的高低，对于我们最终的测量结果有着至关重要的影响。
方案一：单片机
单片机实质就是一个芯片，一个相对完整的计算机系统就集成在他的芯片上面，虽然说他看起来很小，我们一个完整的小型计算机所需要的大部分器件都在他那个小小的芯片上已经集成好了。他也称为微控制器，他最早应用在我们的工业领域。他的特点是体积较小、容易集成、可靠性能高、控制能力强、容易扩展、低电压低功耗、便于携带等特点。
方案二：PLC
PLC实质就是用许多的单片机制成的，他是单片机在继电器控制系统中的一种应用，主要是应用在一些中、大型的电气工程技术和自动化控制领域。他主要常用于工业和一些恶劣的环境中，因为他的稳定性比较好，同时也相对提高了单片机的工作环境。他的主要特点是可靠性高、抗干扰能力强、功能强、适应性广、容易编程且简单易学且便于维护、在工业中能极大的减少控制系统的设计及施工时的工作量。
经过比较，我选用第一种方案中的单片机来作为控制模块的主控器件，因为尽管这二款控制器件在功能上都各自有各自的优选点，但是对于我们做毕业设计而言，我们要选择做合适的器件来做设计，我为什么要选择单片机呢，是因为单片机他自身所需要的电压较低，同时又有着较高的性能，速度块、功能强等特点。同时他的价格也相对便宜，比较适合我们做这种较小的设计，使用也相当的方便，学起来很容易上手，为此我选用单片机作为我数字电压表测量的主控器件。
2.4.2 输入模块的选择
首先，该模块是最基本的模块，但是同时也是最难的模块。因为在该设计中我选用的是用单片机作为控制器，我们要知道因为单片机有着低功耗的一个特点，所以说他的额定电压为5V，如果我们一旦输入了大于5V的电压时，单片机必定会被烧坏，因此，当我们不得不测量超过5V的电压时，我们必须要对输入的电压进行一个降压处理^[14]，这样才能使输入的电压值不会超过单片机的额定电压。所以在输入模块中重点要完成的一个工作就是对外部输入的电压进行一个降压处理。
方案一：反向放大器分压（NE5532）

图2.2 输入模块方案一图
该方法主要是通过一个反向放大器将输入的电压缩小10倍，然后再通过一个反向放大器将输入的信号反向为正向^[10]，这样，一般情况下输入单片机的信号是不会大于单片机的额定电压。他的一个主要优点就是比较方便，只需要用两个反向放大器就能对输入的电压进行分压缩小，但是同时也存在一些问题，例如，反向放大器主要是用于放大信号的，但我这里用来减小信号，优点大材小用了，而且这和他的一个主要功能正好相反，这会使得电压衰减的更厉害，使输入的电压根不准确，最终会使测量输出的结果误差偏大等不利因素。
方案二：电位器分压
该方法主要是利用了电阻的一个分压作用，方法适用且设计简单，不需要耗费太大的时间和精力。因此在此选择方案二。
2.4.3 A/D转换模块的选择
A/D是控制系统与控制对象之间的一种重要接口。
方案一：采用逐次逼近A/D转换器（例如：ADC0809）
逐次逼近A/D转换器：该转换器有着价格实惠、转换速度快和转换精度高的特点。他的转换原理和天平秤重物是同样的，它采用的是8位并行传输的A/D转换器，由于它自身芯片的内部已经带有集成的输出锁存器，因此他可以和单片机直接相连接，不需要使用外部额外的连接。它主要的一个特点是分辨率为8位，误差在1LSB且无漏码，重点是具有转换启停控制端。一般我们如果采用单一的5V电源供电的时候，他的量程的测量范围只能是0—5V。相对而言他的功耗较低，一般约在15mW左右。
方案二：采用双积分A/D转换器
双积分A/D转换器：他的模数转换的精度相对较高，抗干扰性也较好，重要一点是价格实惠，但有一个唯一的不足之处就是他的转换速度较慢。
方案三：采用并行A/D转换器
并行A/D转换器：他的转换速度较快，但是价格较高。
方案四：采用计数器式A/D转化器
计数器式A/D转化器：虽然说他的结构很简单，使用起来也很方便，易学易上手，但是他的转换速度也很慢。
综合该课题的一个设计成本和各方面要求，因而我采用ADC0809来进行A/D的一个转换。但是又由于本次课题需要做仿真，而ADC0809转换器在protues仿真软件里面没有仿真模型库，故无法仿真。所以在进行仿真的时候我选用ADC0808进行仿真，其实在ADC0808在实际中是不常用的，也就是最常用在protues仿真中。其实ADC0809与ADC0808没有多大的区别，ADC0808转换器是ADC0809转换器的简化版。他们的区别主要是ADC0808转换器的数据转换输出引脚位out0-7和我们常用的输出端高低位是相反的，也就是说ADC0809的最低位out0，ADC0808的最低位是out7。
2.4.4 输出模块的选择
方案一：采用LED数码管显示
数码管他是一种显示屏，他可以任意编写程序控制多个同步进行的数据显示，他有着价格便宜、坚固耐用、节能环保、寿命较长、变幻多样、使用起来特别简单，一般人一学就会等特点，在我们生活中都是随处可见的。他唯一的一个缺点就显示的信息量较小，不利于有较大数字的一个输出显示。
方案二：采用LCD液晶显示
现在在测量仪表这一块主要的一个液晶显示器件是LCD1602。他是一种字符型液晶显示装置，我们可以直接定义数字和字母，可以直接显示，使用起来相对很简单，同时成本也较低。他的一个特点是显示的质量较高，一般不会出现数字闪烁的效果，它使用的是一个数字接口，和单片机的连接没有那么复杂，相对要简单的许多，使用事来也会更加方便，还有着体积小、重量轻、便于携、低功耗带等特点。
虽然说在显示的数据量上，LCD1602会占一定的优势，但是根据其他条件的一个综合考虑，我还是选择使用数码管作为我的输出显示。
2.5 系统设计总体方案
1. 输入模块：采用电位器分压的方法对输入信号进行降压。
2. A/D转换模块：在模拟仿真中采用ADC0808转换器进行模拟仿真，在实物中选用逐次逼近式ADC0809转换器。
3. 控制模块：选用单片机AT89C51控制。
4. 显示模块：选用LED数码管显示。
5. 仿真软件使用ISIS 7 Professional。
6. C语言代码编程软件使用Keil uVision4。
7. PCB板绘制软件采用Altium Designer 6.9。

结  论
本次课题的设计为简易数字电压表设计。在本次设计中，我选用的数据处理核心为AT89C51单片机，通过ADC0809模数转换芯片将被测信号转换成数字信号，经单片机内部程序处理后，显示测量结果由LED数码管呈现。由于前期的准备不是很充足，在收集资料来对比确定方案的时候把握的不是很准，在参考别人的设计思路时不能很清晰的理解的别人的设计思路，导致可能会有一些更好的设计方案没有动手亲自试验过，使得在该设计的过程中出现了较多的错误，无法达到我想要的结果。同时在前期阶段中对电压表的工作原理理解的仍不是很透彻，在电路原理图设计过程中出现错误，其主要的不足之处在于输入模块电压值的降压处理设计与单片机中数据处理方面，使得在模拟仿真和实物测量中出现了较大的误差，没有能够很精确的测量到外部的电压值，让本次毕业设计完成的不是很完美，存在一小点缺憾。在后面通过一系列软件与硬件的调试之后，总体而言还是最终达到了本次设计的要求，成功的完成了本次毕业设计。

参考文献
[1] 王建校．51系列单片机及C51程序设计．北京：科学出版社，2002.4
[2] 丁明亮，唐前辉．51单片机应用设计与仿真．北京：北京航空航天大学出版社，2009.2
[3] 胡健.单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，2004年10月  
[4] 于殿泓、王新年.单片机原理与程序设计实验教程.西安电子科技大学出版社，2007年5月  
[5] 李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社，2007年5月  
[6] 姜志海,黄玉清等著.单片机原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2005年7月   
[7] 魏立峰.单片机原理及应用技术.北京大学出版社，2005年  
[8] 边春远等著.MCS-51单片机应用开发实用子程序[M] .北京：人民邮电出版社.2005年9月.  
[9] 苗红霞.单片机实现数字电压表的软硬件设计[J] ．河海大学常州分校学报，2002，（03）．
[10] 宋凤娟，孙军，李国忠.基于AT89C51单片机的数字电压表设计[J] ．工业控制计算机，2007，(04).
[11] 赵广元.Proteus辅助的单片机原理实践．北京航空航天大学出版社，2013.9
[12] 冯占岭.数字电压表及数字多用表检测技术.北京：中国计量出版社，2003.4
[13]张玉杰.单片机原理及应用技术.北京航空航天大学出版社，2008年
[14]刘海成.单片机及应用系统设计原理与实践.北京航空航天大学出版社，2007年
[15]王贤勇、赵传申.单片机原理与接口技术应用教程.北京:清华大学出版社，2004.
[16]宋浩、田丰.单片机原理及应用.北京：北京交通大学出版社,2005.
[17]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社,1990.

目  录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 本课题的设计要求 2

第2章 设计方案论证与选择 3

2.1 设计思路 3

2.2 数字电压表工作原理及基本组成 3

2.2.1工作原理 3

2.2.2 基本组成模块 3

2.2.3 原理图模块搭建 4

2.3 模块功能 4

2.3.1 输入模块 4

2.3.2 A/D转换模块 4

2.3.3 控制模块 4

2.3.4 显示模块 5

2.4 方案论证 5

2.4.1 控制模块的选择 5

2.4.2 输入模块的选择 6

2.4.3 A/D转换模块的选择 6

2.4.4 输出模块的选择 7

2.5 系统设计总体方案 8

第3章 系统硬件设计 9

3.1 模块介绍 9

3.1.1 单片机最小系统设计 9

3.1.2 复位电路设计 9

3.1.3 晶振电路设计 10

3.1.4 上拉电阻 11

3.1.5 输入模块设计 11

3.1.6 A/D转换模块设计 13

3.1.7 显示系统设计 14

3.1.8 电源设计 16

3.1.9 PCB原理图 17

第4章 系统软件设计 18

4.1 系统主程序设计 18

4.2 系统子程序设计 19

4.2.1 A/D转换数据读取模块设计 19

4.2.2 数据处理及显示模块设计 20

第5章 系统的调试与分析 21

5.1 软件调试 21

5.1.1 5V以下电压仿真显示 21

5.1.2 5V以上电压仿真显示 23

5.1.3 电压仿真数据分析 24

5.2硬件调试 24

5.3性能分析 26

第6章 数据分析 27

6.1 0-12V电压测量数据 27

6.2 数据分析 27

6.3 误差分析 28

结  论 29

参考文献 30

致  谢 31

附  录 32
Abstract
Direct current digital voltage meter, referred to as \"DVM, is very common in our voltage measuring instrument voltage signal measuring instrument. He has a wide measuring range, the characteristics of strong anti-interference ability. It basically is an application of the modulus conversion technology, the technology is mainly applied in the field of electronics, industrial automation and other industries. 
This topic is mainly implemented 0-12 v dc voltage measurement. The implementation of the project is mainly divided into four modules, the input module, due to the measured voltage value beyond the rated voltage of the hardware, so the input module adopted common resistance partial pressure technology; AD conversion module by using ADC0809 conversion chip analog-to-digital conversion of the input signal; Control module mainly AT89C51 single-chip computer for data processing, the AD conversion of digital signal is converted to a digital tube display the corresponding array subscript; Display module mainly adopts four LED digital tube display, integrated SCM processing good data to digital display.
The digital voltmeter to measure 0-12 V dc voltage, the simulation of the simulation error is relatively small, slightly larger physical measurement error, error value is around 0.1 V. Because once the measuring range of more than 5 v, ADC0809 conversion accuracy will be lower, so the measurement error will increase. Therefore, relative error voltage measurements in the design of the subject is slightly larger.
Keywords：Digital voltmeter;；Dc voltage； Measurement