简易交直流电压表

沈阳航空航天大学

课程设计任务书

课程名称电子技术综合课程设计

院（系）专业

班级学号姓名

课程设计题目简易数字电压表电路的设计

课程设计时间: 年月日至年月日

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个简易数字电压表，它可以测量直流、交流电压。其参考原理框图如图1所示。

图1数字电压表的原理框图

二、技术指标

测量电压的技术指标如表所示。

三、设计要求

1．在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED显示。各量程的转换采用开关转换。

2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。

3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术. [M]北京：人民邮电出版社，1993年

2. 阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

3. 童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

4. 戴伏生.基础电子电路设计与实践. [M]北京：国防工业出版社，2002年

5. 谭博学主编.集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2003年

六、按照要求撰写课程设计报告

指导教师年月日

负责教师年月日

学生签字年月日

成绩评定表

一、概述

数字电压表既是常用的一种数字电压表，也是构成数字万用表的基本电路。随着科技的发展，电子产品在不断更新，但数字电压表是永远不会在电子产品中消失。

设计一个简易数字电压表，它可以测量直流、交流电压。测量电压量程为2V、20V，输入电阻为10MΩ，分辨率分别对应为1mV、10mV；准确度是在温度为23±5℃情况下测直流时为±(0.5％RDG+3字)，测交流时为±(1.0％RDG+3字)；输入电阻为10MΩ；最大允许直流电压为±500V，最大允许交流电压为500V。

本设计是对电压测量电路作单独的研究，从实质上去了解万用表中测量电压的过程。电路涉及到对电路、低频、数字电路等知识的考查。

二、方案论证

方案一：

方案一原理方框图如图1所示。数字电压表由分压电路，输入保护及缓冲电路，交、直流变换电路，压频转换电路、译码显示电路组成。分压电路在电路中实现电压倍率变换起到将大电压转换成小电压的作用；输入保护及缓冲电路在电路中起到避免大电压输入对电路的烧坏；交、直流变换电路起到将交流电压转换成直流电压，且直流电压值为交流电压的有效值；压频转换电路将电压转换成对应的线性频率。译码显示电路时将频率的数值通过LED数码管显示出来。

图1 方案1的原理框图

方案二：

方案二的原理框图如图2所示，电路由分压电路，输入保护及缓冲电路，交、直流变换电路，A/D转换电路，单片机及译码显示电路组成。前几个模块的功能与方案一相同，不同的是方案中用到单片机对经过A/D转换器后的数字信号进行记录然后通过译码显示电路进行显示。

图2 方案2的原理框图

方案一，由于压频转换电路不稳定，电压与频率不能做到很好的线性对应，并且在显示时耗时长，不方便快速测量；而且通过译码显示电路，布线复杂，。方案二中由于仿真中没有A/D0809转换器，只能选用A/D0808代替，精度有所下降，但单片机显示快速灵活，外围电路简单。综合比较，选择方案二。

三、电路硬件设计

1、单片机最小系统电路

AT89C51是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS8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。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: 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[6]。

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，选用四个I/O用于控制LED数码管的位选。

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，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表2所示：

1-1、复位电路

单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位[1]。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。

好的工作[1]。

1-2

单片机中

间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路[1]。

本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2个电容即可，如图5所示。

30±

2

2-1.

2V，20V

J1

J1拨到左面时测的是交流电压。 R1、R2、R3、 R4是分压电阻，S1是量程转换开关，从上到下量程分别为2V，20V,200V。电路中电阻R5端为电压输入端，OP22HS6端为分压后电压输出端。缓冲部分由两个分压电阻、二极管以及一个电压跟随器组成。输入保护电路由R5、D1、D2组成。其中R5起限流作用，D1和

D2组成双向限幅电路进行过压保护，电位器用以调整失调电压。分压缓冲保护电路如图所示。R5为输入，6端口为输出

Key = Space

图6分压电路及保护缓冲电路

2-2.交直流转换电路的设计

交、直流变换电路是用来将交流电压变换成直流电压，而最终得到的直流电压大小相当于交流电压的有效值。该电路的设计需要滤波器和放大器，滤波器的作用是将交流变换成直流，放大器的作用是将电压平均值转换成有效值。交直流电压转换电路如图5所示，电路中U1端为交流输入端，U0端为将交流转换成直流的输出端，电路采用以正弦波平均值为响应的AC/DC转化的原理。在电路中由微功耗单运放的U7（ICL7611DCBA）和二极管D6(1N4148)组成半波整流电路。采取将U1接成反向放大器，D6仅在正半周时导通，进行半波整流。副半周时D6截止，D7导通，D7，R19的作用是防止U7的输出端出现电压饱和现象，并使U7的反相输入端的电压保持稳定。

，放大器U8（MC3476）与电容器C8构成有源滤波器，以便获得平均电压值 V

O

这就要求U8的电压放对半波整流而言，正弦波与平均值的关系为：V=2.22 V

O

大倍数K

>2.22倍，才有调整余量。U8的负反馈电阻Rf=R21+R22，反相输入端

V

的电阻为R18。因此R22是可调电阻，调整其以改变反馈电阻值，进而控制MC347的增益使输出电压在数值上恰好是被测交流电压的有效值。现取R21=39KΩ，

R2220 KΩ，只需调节R22= 5.4KΩ电路中R24是ACV档的校整电位器。选择U8的原则是功耗低，快速实现放大功能。可编程运算放大器MC3476输入失调电压2mV，输入偏置电流15 mA，转换速率为10mV/μs，选择MC3476满足电路设计要求。R15为交流电压输入口，MC3476U为直流电压输出。

图7交、直流变换电路

2-3.A/D转换电路设计

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，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D 转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有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，因而在实际中广泛使用[1]。

本方案选用ADC0808芯片。ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域[5]。

ADC0808主要特性:8路8位A/D转换器，即分辨率8位；具有锁存控制的8路模拟开关；易与各种微控制器接口；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；转换时间：128μs；转换精度：0.2%；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0- +5V，

图8.A/D转换电路与单片机接口图

3、 LED数码管显示电路

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。

4-LED显示器引脚如图9所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一

图9LED数码管与单片机接口

对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED 阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。

本设计系统中为了简化硬件线路设计，LED译码采用软件编程来实现。由于本设计采用的是共阴极LED，其对应的字符和字段码如下表3.3所示。

四、程序设计

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。

图10 数字式直流电压表主程序框图

7-1、初始化程序

所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等[9]。

7-2、A/D转换子程序

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图11所示。

图11 A/D转换流程图

7-3、显示子程序

显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms[10]。

在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。

7-4、软件调试

软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。Proteus 软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与u Visions3 IDE工具软件结合进行编程仿真调试[8]。

本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。

五、性能测试

1、分压及保持缓冲电路测试

2、交直流转换电路测试

通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表5所示：

由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0808输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般以0.01V 的幅度变化。

从上表可以看出，简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01V，这可以通过校正ADC0808的基准电压来解决。因为该电压表设计时直接用5V的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。

六、结论及性价比

基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。

通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往的单片机相比增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。设计中还用到了模/数转换芯片ADC0808，以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。

总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。

七、课设体会及合理化建议

通过这两周的课程设计使我学习了很多关于电压表方面的知识，更重要的是巩固了以前所学的模电和数电的知识。在此次课设期间我借阅了大量关于电压表方面的设计资料，培养自己快速学习的能力。由于是对实用proteus仿真软件，操作起来不是很熟练，但经过这次课程设计使我初步学会实用这款软件，相信这次的课设在我以后的工作和学习中一定会让我受益匪浅。

承认问题是解决问题的第一步。本次课设也一样，用什么样的态度去做课设就决定了你对学习的态度，或许自己做出来的电路不是最完美的，但在课设的过程中，自己去思考去琢磨，这带我我一大笔财富。因为课设培养了我认真的态度以及坚定的信念。我非常感谢此次指导我的课设老师，老师给了我很多思路以及建议，再加上通过自己的分析设计及调试让我能最终设计出具体的符合要求的电路。

在此次课程设计的过程中也看到了我自身的不足，如对运算放大器的选择，曾经学过的知识如今却不会应用。踏入大四，还有课设，这次课设提供给我很多的锻炼机会来培养自己实践能力，对于以后的课设很有帮助。动手能力和自我分析问题解决问题的能力对于以后参加工作也会大有裨益。

参考文献

[1] 沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.[M]北京：人民邮电出版社，1993年

[2] 童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年

[3] 戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，2002年

[4] 谭博学主编.集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2003年

[5] 沙占友、李学芝编著.数字万用表电路图集.[M]北京：人民邮电出版社，1996年

[6] 赵文博等编著.新型常用集成电路.[M]北京：人民邮电出版社出版，2006年

[7] 孙肖子等编著.模拟电子技术基础.[M]西安：西安电子科技大学出版社，2001年

附录

附录1

电路总体设计图

附录三程序代码

#include

unsigned char code wei[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; unsigned char code dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};

unsigned char dispbuf[8]={10,10,10,10,0,0,0,0};

unsigned char count;

unsigned char getdata;

unsigned int temp;

long int i;

unsigned int R1;

sbit ST=P3^0;

sbit OE=P3^1;

sbit EOC=P3^2;

sbit CLK=P3^3;

void main(void)

{

ST=0;

OE=0;

ET0=1;

ET1=1;

EA=1;

TMOD=0x12;

TH0=216;

TL0=216;

TH1=(65536-5000)/256;

TR1=1;

TR0=1;

ST=1;

ST=0;

while(1)

{

if(EOC==1)

{

OE=1;

getdata=P0;

OE=0;

i=getdata*996;

dispbuf[4]=i/100000;

i=i%100000;

dispbuf[5]=i/10000;

i=i%10000;

dispbuf[6]=i/1000;

i=i%1000;

dispbuf[7]=i;

ST=1;

ST=0;

}

}

}

void t0(void) interrupt 1 using 0 //定时器0 中断服务{

CLK=~CLK;

}

void t1(void) interrupt 3 using 0 //定时器1 中断服务{

TH1=(65536-5000)/256;

P2=0xff;

P1=dispcode[dispbuf[count]]; P2=wei[count];

if(count==5)

{

P1=P1 | 0x80;

}

count++;

if(count==8)

{

count=0;

}

}