蒙 歡， 李澤滔

（貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550025）

0 引 言

實驗是科學探究的重要形式，測量是科學實驗的重要環(huán)節(jié)。 隨著電子科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電子測量技術(shù)也越來越普遍，對測量儀器的各方面性能要求也越來越高。 數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter，DVM）采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。 與傳統(tǒng)的模擬式電壓表相比，具有顯示清晰直觀、測量范圍廣、擴展能力強等優(yōu)點。此外，與傳統(tǒng)的儀表盤電壓表相比，數(shù)字電壓表避免了視覺誤差的缺點。

1 電壓表總體設(shè)計及原理

1.1 數(shù)字電壓表的設(shè)計要求

本文所設(shè)計的電壓表不同于其它電壓表，其主要用于實驗室的電壓測試，顯示精度為小數(shù)點后三位。 設(shè)計時應(yīng)滿足以下要求：

（1）電壓采集電路輸出電壓要求：對輸入量程的要求即是電壓采集電路的要求。 如果采集的電壓高于5 V（高于量程限制），數(shù)碼管顯示電壓表將始終顯示5 V。 因此，為了不引起混淆，需要滿足電壓采集電路的輸出電壓在0～5 V 之內(nèi)。

（2）成本及功耗要求：由于電壓采集電路的輸出電壓不是用來直接測量的，且由于轉(zhuǎn)換精度的存在，故經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的電壓值與元件實際電壓值是有區(qū)別的。 為了程序的簡潔性，且又具有一定的精度，選擇8 位（即ADC0808）A／D 轉(zhuǎn)換器。

1.2 數(shù)字電壓表的總體設(shè)計

電壓采集電路采集元件的電壓值，得到的量為模擬量，將此模擬量經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)過單片機處理，從而顯示在數(shù)碼管上。電路設(shè)計的總體框圖如圖1 所示。

圖1 電路設(shè)計總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the circuit design

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)的電路組成中，著重討論A／D 轉(zhuǎn)換電路，以及單片機最小系統(tǒng)電路與數(shù)碼管顯示電路的原理及作用。

2.1 A／D 轉(zhuǎn)換電路

A／D 轉(zhuǎn)換的電路如圖2 所示。 RV1 為滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)該滑動變阻器可以改變模擬量輸入電壓的值。 該模擬量電壓值經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（OUT1 ～OUT8 為數(shù)字量輸出端）輸出，最后在數(shù)碼管上顯示。

圖2 A／D 轉(zhuǎn)換電路圖Fig.2 A／D converting circuit diagram

需要注意的是，ADDC、ADDB、ADDA 為3 位地址輸入線，ADDC 為最高位，ADDA 為最低位。 通過該3位地址輸入線，可以在8 路模擬量輸入通道（IN0～IN7）中選擇正確的輸入通道。 選擇規(guī)則為：讓上述3 位地址輸入線上的二進制編碼值對應(yīng)模擬量輸入通道的下標值。 如，3 位地址輸入線分別取0、0、1 時（注意：0、1代表數(shù)字電路中對應(yīng)的低電位，高電位。 可自行設(shè)定一個范圍，然后劃分），所對應(yīng)的十進制值為1，故接通IN1 通道。 此外，在圖2 中，還需注意以下問題：

（1）給START 引腳（即A／D 轉(zhuǎn)換開始脈沖輸入引腳）加一個100 ns 寬的起動正脈沖，以確保AD 正常復(fù)位與啟動。 其中，脈沖上升沿使AD 轉(zhuǎn)換器復(fù)位，下降沿啟動A／D 轉(zhuǎn)換。

（2）ALE 為地址鎖存允許信號，高電平有效。 當此信號有效時，ADDC、ADDB、ADDA 3 位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。

2.2 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機的最小系統(tǒng)是使單片機能滿足單片機基本應(yīng)用的最簡單，且又是必不可少的基本電路。 單片機最小系統(tǒng)電路由51 單片機、時鐘振蕩電路、復(fù)位電路、電源電路、程序加載口組成。 其電路如圖3 所示。

根據(jù)硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內(nèi)部時鐘方式與外部時鐘方式。 時鐘振蕩電路的本質(zhì)就相當于一個振蕩器，其作用是使單片機內(nèi)部觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生改變。 因此，單片機內(nèi)部的所有電路，在完成一個任務(wù)后將進入下一個狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常運行。

如圖3 所示，左上角為時鐘振蕩電路（屬于內(nèi)部時鐘電路），晶振1 的取值將決定程序運行的時鐘周期。 左下角的電路為復(fù)位電路，與單片機的9 引腳（復(fù)位引腳）相連。 當單片機的9 引腳輸入連續(xù)兩個機器周期（一個機器周期等于十二個時鐘周期）以上高電平時為有效，用來完成單片機的復(fù)位初始化操作，使單片機從頭開始執(zhí)行程序。 對于本文所設(shè)計的復(fù)位電路，通電時9 引腳為高電平，程序從頭開始執(zhí)行。 在運行的過程中，如果需要再次復(fù)位，再次按下復(fù)位電路的按鍵，可再次使程序從頭開始執(zhí)行。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of MCU minimum system

2.3 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管顯示電路如圖4 所示，數(shù)碼管顯示分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示方式是由微型機一次輸出顯示后，保持該顯示結(jié)果，直到下次接收到新的顯示模型為止。 動態(tài)顯示方式，是指微型機定時地對顯示器件掃描。 在這種方式中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示。 這兩種顯示方式有著本質(zhì)的區(qū)別，靜態(tài)顯示的特點是占用CPU 時間少，顯示便于監(jiān)測和控制，顯示字形穩(wěn)定，而動態(tài)數(shù)碼管的顯示，效果相對靜態(tài)顯示亮度差少許，但成本較低。本文所設(shè)計的數(shù)碼管顯示為動態(tài)顯示方式。

圖4 數(shù)碼管顯示電路圖Fig.4 Digital tube display circuit diagram

1 是上拉電阻，單片機P0 口內(nèi)部并無上拉電阻，因此使用時，需加外部上拉電阻，增強輸出能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的核心程序為：主程序、A／D 轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)碼管顯示子程序。 其中，主程序完成數(shù)據(jù)的采集與顯示；A／D 轉(zhuǎn)換子程序完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（即把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出）；數(shù)碼管顯示子程序完成數(shù)字電壓量的顯示。

3.1 主程序

主程序的設(shè)計流程如圖5 所示。 通過對A／D 轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量進行處理、分離等一系列操作，最終顯示采集的電壓值。 由于定時器在進行計數(shù)或定時的過程中會產(chǎn)生溢出，因此要對定時器作初始化處理，同時也便于設(shè)置其工作模式。 主程序是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點，其將決定數(shù)字電壓表的顯示量程、精度、靈敏度等。 因此，在主程序的設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

（1）對于程序中使用的變量或者函數(shù)應(yīng)先聲明與定義，不然會報錯，導(dǎo)致最終電壓值無法顯示。

（2）定時／計數(shù)器的工作方式有4 種（0、1、2、3）。 對于前3 種工作方式，定時器都可以用來定時與計數(shù)，但其計算公式并不相同。 本文設(shè)置的工作方式為方式1。

（3）需要設(shè)置定時器中斷處理函數(shù)。 當定時器／計數(shù)器設(shè)置為定時方式時，可以看成是對機器周期信號進行計數(shù)，且由于機器周期時間是固定的，所以定時時間等于計數(shù)值乘機器周期的值。 當計數(shù)產(chǎn)生“溢出”（計數(shù)器每位均為“1”時，再計數(shù)一次，就會使計數(shù)器回0，稱為“溢出”）時，則會向CPU 發(fā)出中斷請求，故需要設(shè)置中斷處理函數(shù)。

3.2 A／D 轉(zhuǎn)換子程序

MCS－51 和ADC 接口通常可以采用查詢、中斷或延時方法。

（1）查詢方式。 采用查詢方式傳送數(shù)據(jù)時，先將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號經(jīng)三態(tài)門送到CPU 數(shù)據(jù)總線或I／O 接口的某一位上；微型機向AD 轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動信號后，便開始查詢AD 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦查詢到AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束，則讀出結(jié)果數(shù)據(jù)。

（2）中斷方式。 中斷方式，是將轉(zhuǎn)換結(jié)束標志信號接到微型機系統(tǒng)的中斷申請引腳（如IRQ2）或允許中斷的I／O 接口的相應(yīng)引腳上（如8051 的INT0）。 當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，即提出中斷申請，微型機響應(yīng)后，在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)據(jù)。

（3）延時方式。 軟件延時具體做法是：微型機啟動AD 轉(zhuǎn)換后，根據(jù)轉(zhuǎn)換芯片完成轉(zhuǎn)換所需要的時間，調(diào)用一段軟件延時程序（為保險起見，通常延時時間稍大于AD 轉(zhuǎn)換過程所需的時間）。 延時程序執(zhí)行完以后，AD 轉(zhuǎn)換已完成， 即可讀出結(jié)果數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用查詢方法，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，立即讀取結(jié)果，并經(jīng)數(shù)碼管顯示。

3.3 數(shù)碼管顯示子程序

數(shù)碼管顯示子程序流程如圖6 所示。 本設(shè)計采用數(shù)碼管的動態(tài)顯示，故需要引入1 ms 的延時函數(shù)。 數(shù)碼管的連接分為共陽極與共陰極方式。 共陽極是將數(shù)碼管的八段連接在一起，一般在共陽極加高電平；共陰極與共陽極連接方式相同，只是公共陰極一般接地。 連接在一起的公共端稱為段碼，其中之一的一個片段稱為位碼。 對顯示的數(shù)字（段碼顯示）進行編碼，有助于編程的實現(xiàn)。

圖6 數(shù)碼管顯示子程序流程圖Fig.6 Flow chart of the digital tube display

需要注意的是，雖然共陽極與共陰極的顯示數(shù)字（段碼顯示）編碼不同，但可以把這些編碼值放在一個寄存器里面。 當需要顯示某一特定字型時，取出相應(yīng)的編碼即可。 其次，本文所用數(shù)碼管是共陽極數(shù)碼管，也就是位選端高電平時，數(shù)碼管被選中，然后輸入段碼（比如數(shù)字0 的段碼），數(shù)碼管就有顯示（此時顯示數(shù)字0，簡稱段碼顯示）。

4 實驗結(jié)果及分析

本文設(shè)計的數(shù)碼管顯示電壓表，能夠高精度地顯示所測元件的電壓值，并且靈敏度較高。 只要稍微滑動變阻器，其數(shù)碼管顯示的電壓值便隨之變化，基本上沒時間間隔誤差。 最后的總仿真結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出，電壓表上的電壓為2.25 V，而數(shù)碼管上顯示的電壓為2.254 V，相對誤差為0.17%，能夠較好地逼近真實值。 還應(yīng)注意單片機AT89C51 和AT89C52 是通用的，可以隨便替換，但只是AT89C52容量大些，AT89C51 容量小些。 ADC0808 是ADC0809的簡化版，是8 位并行的AD 芯片，也就是模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量芯片。 8 位AD 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)是0～255。

圖7 總仿真圖Fig.7 Total simulation diagram

5 結(jié)束語

通過Proteus 仿真平臺、Keil 軟件以及單片機相關(guān)知識，結(jié)合A／D 轉(zhuǎn)換原理，本文設(shè)計了一種基于AT89C51 單片機的數(shù)碼管顯示電壓表。 該電壓表能夠在0～5 V 之內(nèi)顯示不同的電壓，具有精度高，靈敏度高的特點，同時也克服了傳統(tǒng)儀表指針式電壓表讀數(shù)不穩(wěn)定的缺點。 雖然，顯示的范圍較小，但是對于一般的電學實驗來說，其實用性較好。