摘要：為了提高電壓表的測量精度和性價比，提出了一種以AT89C51單片機為控制核心的，基于Proteus仿真技術的數字電壓表設計方案。詳細介紹了數字電壓表的硬件電路設計和軟件編程方法，并利用Proteus軟件進行了仿真調試。結果表明，所設計的數字電壓表結構簡單，性價比高，并具有較高的測量精度；同時，也證明了Proteus仿真軟件的運用，可以有效地縮短單片機系統的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。
關鍵詞：數字電壓表；Proteus；仿真設計；單片機
隨著現代電子設計手段的迅速發(fā)展，EDA仿真技術也越來越多地應用于實際電路設計中。EDA技術通過先建立電路模型，然后將計算機仿真結果應用于實際電路設計中，這樣既降低了成本，又縮短了研制周期。
Proteus是由英國Labcenter公司開發(fā)的一個嵌入式系統仿真與開發(fā)平臺，是目前世界上最流行的EDA仿真軟件之一。它具有模擬電路和數字電路仿真功能，支持主流單片機及其外圍電路所組成系統的仿真；可以提供軟件調試功能，支持與Keil、MPLAB等單片機開發(fā)環(huán)境的連接調試，并具有強大的原理圖繪圖等功能。
為了提高電壓表的性價比和測量精度，本文以AT89C51單片機為控制核心，利用Proteus仿真技術實現了一種數字電壓表的設計。通過該數字電壓表的設計過程，也充分體現出Proteus軟件在單片機控制系統的設計、調試過程中的實用性。
1 系統結構及工作原理
基于AT89C51單片機的數字電壓表系統結構框圖如圖1所示。該數字電壓表主要由AT89C51單片機、信號調理電路、A／D轉換器、LED顯示電路、電源電路、復位電路以及時鐘電路等幾部分組成。
數字電壓表工作原理如下：首先，系統將被測模擬電壓交給信號調理電路進行一定的處理(包括放大、濾波等操作)，使其電壓符合A／D轉換器的輸入要求；接著，經A／D轉換將該模擬電壓轉換成相應的數字量，并送入AT89C51單片機的P1口；然后，由系統軟件對該轉換結果進行數字濾波及運算和處理；最后，通過單片機的P0、P2口控制LED顯示電路進行輸出電壓顯示。
2 系統硬件設計
基于Proteus的數字電壓表硬件電路設計主要包括LED顯示電路、A／D轉換電路、時鐘和復位電路等幾部分，其硬件電路如圖2所示。電路設計時，使AT89C51單片機的端接高電平，系統無需擴展片外ROM。
2．1 LED顯示電路
LED顯示電路的主要功能是對系統處理后的電壓值，及時進行顯示。本設計選用4位一體的數碼型LED顯示器，并采用動態(tài)顯示方式進行控制。該顯示器的第2位(自左向右)用來顯示電壓的整數位，后兩位用來顯示電壓的小數位。電路中，用AT89C51單片機的P0口來控制LED顯示器的段碼；用P2．0-P2．3引腳來控制LED顯示器的位碼。
2．2 A／D轉換電路
A／D轉換電路主要用來完成被測模擬量向數字量的轉換。本系統選用ADC0808作為A／D轉換器，它是一個CMOS單片型、逐次逼近式8位A／D轉換芯片，可與微機直接接口，適用于過程控制和智能儀器等領域。該芯片可根據地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC的電平值，決定選通8路模擬輸入信號IN0-IN7中哪一路進行轉換；本電路將ADDA、ADDB、ADDC全部接地，選擇IN0通道輸入被測模擬電壓。ADC0808的OUT1-OUT8端直接和單片機的P1口相連，作為A／D轉換數據輸出端。同時，ADC0808的控制端CLOCK、START和ALE、EOC及OE分別與AT89C51的P2．4-P2．7腳相連。
該硬件電路工作過程：+5 V電壓經變阻器RV1分壓后所獲得的被測模擬電壓由IN0通道輸入ADC0808；AT89C51單片機通過定時器中斷從P2．4引腳輸出方波，給ADC0808的CLOCK端提供時鐘信號。當給單片機的P2．5腳輸出一個正脈沖，利用其下降沿可啟動A／D轉換，并由單片機P2．6腳檢測A／D轉換是否完成。當從P2．6腳檢測到ADC0808的EOC端為高電平時，表明A／D轉換結束，系統控制P2．7腳使ADC0808的輸出允許控制端OE為高電平，允許單片機讀取A／D轉換數據；否則，繼續(xù)等待。最后，系統把轉換后的數據進行運算和處理，將段碼從P0口送給四位LED，并控制P2．0-P2．3的取值，實現數碼管的位選控制。
3 系統軟件設計
整個系統軟件設計主要包括主程序、數據采樣子程序、數字濾波子程序、T0中斷服務程序及顯示子程序等幾部分。
3．1 主程序
系統主程序流程圖如圖3所示。
主程序的功能如下：首先，完成系統初始化，包括設置堆棧及定時器T0的工作方式和定時初值，清理顯示緩沖區(qū)；其次，啟動定時器T0，允許系統總中斷和T0中斷；接著，調用數據采樣子程序，對輸入模擬電壓進行多次采樣和A／D轉換，并調用數字濾波子程序，將濾波處理后的數據放入2AH單元中；然后，調用數據處理子程序，將2AH單元的內容進行一定處理，使得22H-20H單元中分別存放待顯示數據的個位、十分位和百分位；最后，調用LED顯示子程序，實現被測電壓的實時顯示。
3．2 數據采樣子程序
為了提高采樣精度，降低采樣誤差，系統設計了數據采樣子程序。該程序的功能是對從IN0通道輸入的模擬電壓進行三次采樣和A／D轉換處理，并把采樣數據分別存入2CH、2DH、2EH單元中；隨后，調用數字濾波子程序，采用中值濾波法求取3次采樣數據的中間值作為本次有效采樣值，并放在2AH單元中，以便后續(xù)程序進行運算和處理。結合硬件電路設計，本系統數據采樣子程序流程圖如圖4所示。
3．3 T0中斷服務程序
由于系統采用ADC0808作為A／D轉換器，該芯片正常工作時必須給CLOCK端輸入時鐘信號；為了簡化硬件電路，將CLOCK端直接與AT89C51單片機的P2．4腳相連，這樣系統只需通過軟件控制P2．4腳輸出滿足ADC0808工作要求的時鐘信號即可。
具體實現方法：在軟件設計中，使用定時器T0中斷，設置定時器T0工作在方式2，即自動重裝初值的8位計數方式。這樣每隔一定時間系統就會產生T0中斷，并響應其中斷服務程序；所以，只需每次在中斷服務程序中給P2．4腳的輸出電平取反，即可獲得滿足輸出要求的方波信號。
在本設計中，設置系統時鐘頻率為12 MHz，使P2．4引腳輸出時鐘頻率為50 kHz的方波時，計算定時器T0的計數初值X：
定時時間=1／(2x50 kHz)=10μs
計數個數=定時時間／機器周期=10
計數初值X=256-10=246
則將246分別賦給初值寄存器TH0、TL0。
4 系統仿真
對本系統方案的仿真研究，必須通過Proteus仿真軟件與Keil編程軟件的聯調才能得以實現。首先，在KeilμVision3軟件中，采用匯編語言編寫源程序，在新建項目中選擇AT89C51單片機作為CPU，再將編好的源程序加載到新建項目中，并進行編譯、鏈接，最終生成．HEX文件。接著，在Proteus ISIS界面中編輯電路原理圖，如圖2所示；雙擊AT89C51，打開屬性編輯框，在“Program File”欄中導入．HEX文件，并設置時鐘頻率為12 MHz。最后，點擊運行按鈕，進行軟硬件交互仿真。
仿真時，在Proteus中用鼠標指針調節(jié)電位器RV1的大小，用虛擬電壓表觀察輸入ADC0808的模擬電壓值，及LED實時顯示的相應數量值。在此，給出輸入模擬電壓為3．5 V時的測試圖，如圖5所示；以及虛擬電壓表讀數和對應LED顯示數據，如表1所示。
從表1中虛擬電壓表的讀數和對應LED顯示數據對比情況可知，所設計的數字電壓表能準確的測量和顯示電壓值，測量精度可達到0．01 V，系統仿真效果也達到了預期的設計要求；同時，該數字電壓表還具有結構簡單，性價比高等特點。
5 結束語
文中以AT89C51單片機為核心，采用Proteus仿真技術實現了數字電壓表的設計。通過Proteus仿真軟件與Keil編程軟件的聯調，完成了系統方案的仿真研究；結果表明，所設計的數字電壓表具有結構簡單、成本低、測量精度高等特點。在該數字電壓表設計中，前期使用Prot eus軟件進行了仿真研究，提高了系統的開發(fā)效率，降低了設計成本；基于Proteus仿真的系統設計方法具有一定通用性，也可用于其他單片機系統的開發(fā)中。
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