简易数字电压表的设计
摘要：本报告介绍了一种简易数字电压表的设计，将模拟电压量直接转换成数字量，用数码管来显示。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0832来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89C51来完成，其负责把ADC0832传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着ADC0832芯片工作。用KEIL和PROTUES仿真可以测量0-5V的2路模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。
1 数字电压表
1.2数字电压表的优点
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也从0.01%-0.005%。 1.3数字电压表发展趋势
目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，A/D转换器分成四种：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器，其中双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜，但是转换速度慢，因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。而逐次逼近式A/D转换器转换速度快，但精度相对较差。
2 设计方案
2.1设计要求
（1）以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表。 （2）监测两路的输入电压值，能够测量0-5V之间的直流电压值。
（3）用8位串行A/D转换器，8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5伏。 （4）用两位LED进行轮流显示或单路选择显示，显示精度0.1伏，并通过串口通信在PC机上进行显示。 2.2设计方案
硬件电路设计由6个部分组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。
时钟电路 复位电路 AT89C51 P1 P2 P0 P2 A/D转换电路 测量电压输入 显示系统 图1 数字电压表系统硬件设计框图
3 硬件电路设计
3.1 A/D转换模块
现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，它通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快， 3.1.1逐次逼近型A/D转换器原理
逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位依次开始逐位试探比较。 转换过程如下：
开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图2所示：
输入电压 输入数字量 顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 电压 比较器 ADC
图2 逐次逼近式A/D转换器原理图
3.1.2 ADC0832的主要特性
ADC0832是串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：
● 8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V； ● 5V单电源供电；
● 输入模拟信号电压范围为0～5V； ● 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容； ● 在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us； ● 具有两个可供选择的模拟输入通道； ● 功耗低，15mW。
3.1.3 ADC0832外部引脚及其说明
ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3所示。 各引脚说明如下：
● CS——片选端，低电平有效。 ● CH0，CH1——两路模拟信号输入端。 ● DI——两路模拟输入选择输入端。 ● DO——模数转换结果串行输出端。 ● CLK——串行时钟输入端。
● Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。 ● GND——电源地。
3.1.4 单片机对ADC0832 的控制原理
一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、
图3 ADC0832引脚图
DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表1。
输入形式 配置位 选择通道 CH0 CH1 CHO CH1 差分输入 0 0 + - 0 1 - + 单端输入 1 0 + 1 1 + 如表1所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0 进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。 3.2单片机系统 3.2.1 AT89C51性能
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4KB的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51功能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储器；寿命：1000次写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8B内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UART通道；片内震荡器和掉电模式。 3.2.2 AT89C51各引脚功能
AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32
个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图4所示。
图4 AT89C51的引脚图
AT89C51芯片的各引脚功能为：
P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89C51不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种情况是89C51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。
P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。
P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像P0口那样传送存储器的读/写数据。
P3口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为