基于51單片機(jī)的數(shù)字電壓表仿真設(shè)計

摘要：設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器ADC0808和共陽極數(shù)碼管為主要硬件，分析了數(shù)字電壓表Proteus軟件仿真電路設(shè)計及編程方法。將單片機(jī)應(yīng)用于測量技術(shù)中，采用ADC0808將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，用AT89C51實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，通過數(shù)碼管以掃描的方式完成顯示。設(shè)計的數(shù)字電壓表可以測量0～5 V的電壓值，AT89C51為8位單片機(jī)，當(dāng)ADC0808的輸入電壓為5 V時，輸出數(shù)字量值為+4．99 V。本設(shè)計電路簡單、成本低、性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；51單片機(jī)；ADC0808；數(shù)碼管LED

0 引言
    隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，而電壓的測量甚為突出，因為電壓的測量最為普遍。數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化測量技術(shù)設(shè)計的電壓表。數(shù)字電壓表與模擬電壓表相比，具有讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確、顯示范圍寬、分辨力高、輸入阻抗大、集成度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點，因此在電壓測量、電壓校準(zhǔn)中有著廣泛的應(yīng)用。本文采用ADC0808對輸入模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心AT89C51單片機(jī)對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運算和處理，最后驅(qū)動輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號，通過Proteus仿真軟件實現(xiàn)接口電路設(shè)計，并進(jìn)行實時仿真。
    Proteus軟件是一種電路分析和實物模擬仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以進(jìn)行仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，是集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能強(qiáng)大，具有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優(yōu)點，近年來受到廣大用戶的青睞。

1 系統(tǒng)概述
1．1 設(shè)計任務(wù)
    利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計一個數(shù)字電壓表，將模擬信號0～5 V之間的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，以兩位數(shù)碼管顯示，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號的電壓值，LED數(shù)碼管實時顯示相應(yīng)的數(shù)值量。
1．2 總體方案
    數(shù)字電壓表電路組成框圖如圖1所示。

    本設(shè)計中需要用到的電路有電源電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路等。設(shè)計中需要用到的芯片有AT89C51單片機(jī)、ADC-0808、74LS74、LED數(shù)碼管等。

2 數(shù)字電壓表的Proteus軟件仿真電路設(shè)計
    待測電壓輸入信號在ADC0808芯片承受的最大工作電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)控制電路進(jìn)行程序數(shù)據(jù)處理，然后通過七段譯碼／驅(qū)動顯示電路實現(xiàn)數(shù)碼管顯示輸入電壓。
    硬件電路原理圖如圖2所示。

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2．1 AT89C51單片機(jī)和數(shù)碼管顯示電路的接口設(shè)計
    利用單片機(jī)AT89C51與ADC0808設(shè)計一個數(shù)字電壓表，將模擬信號0～5 V之間的直流電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號0～FF，以兩位數(shù)碼管顯示。Proteus軟件啟動仿真，當(dāng)前輸入電壓為2．5 V，轉(zhuǎn)換成數(shù)字值為7FH，用鼠標(biāo)指針調(diào)節(jié)電位器RV1，可改變輸入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808的電壓，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號的電壓值，LED數(shù)碼管實時顯示相應(yīng)的數(shù)值量。
    在Proteus軟件中設(shè)置AT89C51單片機(jī)的晶振頻率為12 MHz。本電路EA接高電平，沒有擴(kuò)展片外ROM。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計
    A／D轉(zhuǎn)換器采用集成電路ADC0808。ADC0808具有8路模擬量輸入信號IN0～I(xiàn)N7(1～5腳、26～28腳)，地址線C、B、A(23～25腳)決定哪一路模擬輸入信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，本電路將地址線C、B、A均接地，即選擇0號通道輸入模擬量電壓信號。22腳ALE為地址鎖存允許控制信號，當(dāng)輸入為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳START為啟動控制信號，當(dāng)輸入為高電平時，A／D轉(zhuǎn)換開始。本電路將ALE腳與START腳接到一起，共同由單片機(jī)的P2．0腳和WR腳通過或非門控制。7腳EOC為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7腳輸出一個正脈沖，此信號可作為A／D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號或向CPU申請中斷的信號，本電路通過一個非門連接到單片機(jī)的P3．2腳。9腳OE為A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制信號，當(dāng)OE腳為高電平時，允許讀取A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。該OE腳由單片機(jī)的P2．0腳和RD腳通過或非門控制。10腳CLOCK為ADC0808的實時時鐘輸入端，利用單片機(jī)30引腳ALE的六分頻晶振頻率得到時鐘信號。數(shù)字量輸出端8個接到單片機(jī)的P0口。

3 數(shù)字電壓表的軟件程序設(shè)計
    系統(tǒng)上電狀態(tài)，初始化ADC0808的啟動地址，數(shù)碼管顯示關(guān)閉，開始啟動A／D轉(zhuǎn)換。等待啟動結(jié)束后，將ADC0808的0號通道模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量結(jié)果通過數(shù)碼管動態(tài)顯示的方式顯示到三位數(shù)碼管上。
    根據(jù)設(shè)計要求結(jié)合硬件電路，在輸入模擬信號時采用電阻分壓，最終的采樣輸入電壓只有實際輸入電壓的十分之一，所以在編寫程序中要編寫一段數(shù)據(jù)調(diào)整程序，其中還應(yīng)注意硬件顯示電路采用了動態(tài)掃描顯示，在動態(tài)掃描顯示方式中，動態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，數(shù)碼管LED將會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，通常數(shù)碼管點亮?xí)r間間隔一般均取5ms左右為宜，這就要求在編寫程序時，使其點亮并保持一定的時間?？偨Y(jié)以上分析，程序流程圖如圖3，圖4所示。

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    本電路的程序設(shè)計主要包括A／D轉(zhuǎn)換部分、LED顯示、初始化和定時器中斷部分。部分程序代碼如下所示。
   
  

5 結(jié)束語
    本文的數(shù)字電壓表可以測量0～5 V的電壓值，AT89C51為8位單片機(jī)，當(dāng)ADC0808的輸入電壓為5 V時，輸出數(shù)字量值為+4．99 V。如果要獲得更高的精度，需采用I2位、I3位等高于8位的A／D轉(zhuǎn)換器。數(shù)字電壓表的顯示部分可以增加BCD碼調(diào)整程序來通過三位數(shù)碼管顯示其數(shù)據(jù)。本設(shè)計的顯示偏差，可以通過校正0808的基準(zhǔn)參考電壓來解決，或用軟件編程來校正其測量值。本系統(tǒng)在設(shè)計過程中通過Proteus仿真軟件的調(diào)試，具有電路簡單、成本低、精度高、速度快和性能穩(wěn)定等特點。