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数字电压表设计毕业设计论文
摘要
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（交直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力理。
本设计是基于AT89C51单片机的一种电压测量电路,该电路A/D转换采用ADC0804。
测量范围为直流或交流电压有效值0～200V，并在四位LED数码管上显示。
测量最小分辨率为0.019V，本课题主要由A/D转换电路、数据处理及显示控制等三个模块组成。
控制系统采用AT89C51单片机，A/D转换采用ADC0804。
关键词：
DVM,A/D转换,AT89C51,ADC0804
Abstract
Digitalvoltmeter（DigitalVoltmeter）referredtoasDVM,itistheuseofdigitalmeasuringtechnology,thecontinuousanalog（DCinputvoltage）intoanoncontinuous,discretedigitalformandtheinstrumentdisplay.Atthesametime,extendedfromDVMvariousgeneralandspecialdigitalinstrumentationandbecome,toimprovepowerandnonpowermeasurementtechnologytoanewlevel.ThischapterfocusesonthemonolithicA/Dconverterandcomposedbythembasedonsinglechipmicrocomputerdigitalvoltagemeterworksatpresent,digitalvoltagemeteriscomposedofvariousmonolithicA/Dconverter,whichhasbeenwidelyusedinelectronicandelectricalmeasurement,industrialautomationinstrument,automatictestsystemofintelligentmeasurementfield,showingstrongvitalityofscience.ThedesignisavoltagemeasuringcircuitbasedonAT89C51singlechipmicrocomputer,thecircuitofA/DconversionusingADC0804.ThemeasuringrangeofACorDCvoltageeffectivevaluewas0～200V,andinthefourLEDdigitaltubedisplay.Measuringtheminimumresolutionof0.019V,thisthesismainlyconsistsofA/Dconversioncircuit,dataanddisplayofthreemodulescontrolandprocessing.ControlsystemadoptsAT89C51single-chip,A/DconversionusingADC0804.
Keywords:
DVM,A/Dconversion,AT89C51,ADC0804
1绪论
1.1数字电压表的发展综述
数字电压表简称DVM,是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。
与传统的模拟式仪表比较，具有显示清晰直观，读数准确，测量范围宽，扩展功能强等优点。
适用于数学实验演示及测控设备仪表等多种场合。
数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。
目前数字万用表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本文A/D转换器采用ADC0804对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。
模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨率也只能达到半格。
再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。
而数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。
数字电压表（DigitalVoltmeter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。
特别是以A/D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。
DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。
目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（DigitalMultimeter，DMM）。
DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。
这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A/D转换器，最后用LED数码管显示，困此，DVM的基本组成是A/D转换器和LED数码管。
DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将交流电压变成直流电压。
DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，交流电压在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降。
1.2国内外研究现状
传统的电压表功能单一、精度比较低，不能满足时代的需求，采用单片机的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可以与PC进行实时通信。
目前，由各种单片A/D转化器构成的数字电压表，以被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。
与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。
传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理，传统数字电压表是无法完成的。
然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成数据的传递，又可以借助PC对测量数据的处理。
所以数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统电压表无法比拟的特点，这使得他的开发和应用具有良好的前景。
1.3课题的任务及意义
1.3.1课题的任务
（1）通过毕业设计进一步掌握单片机应用系统设计方法和调试过程；
（2）掌握交直流电压表的设计方法；
（3）掌握单片机的接口技术及ADC0804芯片的特性、控制方法；
（4）通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计的方法和调试技术；
（5）进一步熟练应用相关软件。
1.3.2课题的意义
随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作着必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。
本设计利用单片机技术结合A/D转换芯片构建一个数字电压表。
它量程宽，精度高，显示位数多，分辨率高，易与实现测量自动化，在现代测量中占据了巨大的地位。
设计的实现能够用于改进或维修学校部分实验室损坏的数字电压表，因而本设计具有非常实际的意义。
1.4毕业设计内容
1.4.1毕业设计主要工作
本设计以单片机为电路的核心部件，采用软件编程和硬件相结合的方式设计了一种量程可以切换且具有高清晰度显示的数字式交流电压表，其硬件电路简单，主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程切换功能，在硬件电路上，通过量程选择电路和输入衰减电路来选择档位，输入的模拟电压通过A/D转换模块将其转换成数字电压，然后送到单片机中进行处理，处理后的数据送到LED中显示，同时通过串行通讯与上位机通信。
具体来讲主要完成如下工作：
1.确定此课题的研究意义与可行性。
2.查阅相关资料，了解数字电压表的原理，确定数字电压表具体应用和实施。
3.复习电路、模电、数电、单片机等相关知识，为后面硬件部分的建模打好基础，熟悉所用到的软件。
4.收集与毕业设计研究方向相关的外文资料，并将其翻译成中文。
5.对收集来的相关资料进行整理，融入自己的理解与观点，写出资料综述。
6.写出开题报告，进一步明确任务，确定研究方向。
7.动手设计原理图，进行硬件和软件的设计。
8.仿真，程序下载与调试。
9.理清思路，总结试验，写报告。
1.4.2毕业设计论文构架
第一章简要介绍了该选题的背景、意义、研究现状及设计思路；
第二章介绍了整体设计思路；
第三章对硬件电路各个模块进行详细介绍；
第四章详细介绍了电路中用到的各个芯片；
第五章介绍了软件设计部分，包括程序流程图等。
2系统设计
本设计以单片机为电路的核心部件，采用软件编程和硬件相结合的方式设计了一种量程可以自动切换且具有高清晰度显示的数字式交直流电压表，其硬件电路简单，主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程切换功能，输入的模拟电压通过A/D转换模块将其转换成数字电压，再通过软件编程的方式使其在LED数码显示器上显示出来，实现了数字电压表的数字显示功能。
根据系统的功能要求，系统采用AT89C51单片机、A/D转换器ADC0804和真有效值转换器AD736。
本设计的的基本思路:
模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减后，通过交直流转换开关控制，若测量直流电压值直接送到A/D转换电路进行A/D转换，若测量交流电压有效值经真有效值转换器AD736后送A/D转换电路进行A/D转换，然后送到单片机中，单片机通过量程选择电路采集衰减倍数，进行数据处理，处理后的数据送到LED中显示，同时通过串行通讯与上位机通信,使上位机也同样显示数据或者对单片机进行锁存。
此电压表量程为0~200V，若超过此量程，则单片机驱动继电器动作断开输入电路；若超过所设定的报警范围，则单片机驱动声光报警模块，提醒即将超限。
此范围可以由独立的按键进行设定。
如图2-1所示:
图2-1系统框图
3各模块功能详述
3.1输入电路部分
3.1.1输入衰减电路
输入电路部分的作用是把不同量程的被测的电压规范到测量所要求的电压值0-±0.2V（AD736满量程为200mVRMS）。
输入衰减电路如图3-1所示。
9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。
输入衰减电路可由开关来选择不同的衰减倍数，从而切换档位。
图3-1输入衰减电路
在输入电路中当信号衰减后还应该通过直流、交流档位控制开关，控制被测信号接入相应测量通道。
交流信号经过有效值转换电路送入A/D转换电路，直流信号直接送入A/D转换电路。
3.1.2量程选择
为了能让单片机自动识别档位，还要有图3-2的硬件连接。
单片机通过此电路采集衰减倍数，以便对衰减后的数据进行还原。
测量时首先选择最大量程200V，若测量的结果为0~0.2V，则重新将量程选择开关置到0.2V的位置，同时输入衰减电路开关也置到0.2V的位置，此时P1.0变为低电平，电压未衰减；若为0.2~2V，则将量程选择开关和输入衰减电路开关置到2V的位置，此时P1.1为低电平，电压衰减了10倍；若为2~20V，则将量程选择开关和输入衰减电路开关置到20V的位置，此时P1.2为低电平，电压衰减了100倍；若为20~200V，则将量程选择开关和输入衰减电路开关置到200V的位置，此时P1.3为低电平，电压衰减了1000倍。
图3-2量程选择开关
3.2保护电路
本设计的保护电路由继电器控制电路和声光报警模块两部分组成。
若所测电压的有效值超过了量程0~200V，则单片机驱动继电器动作，断开输入电路；若所测电压的有效值超过了所设定的报警值，则声光报警模块工作。
3.2.1继电器
在各种自动控制设备中，都存在一个低压的自动控制电路与高压电气电路的互相连接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气电路的执行元件，如电动机、电磁铁、电灯等；另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全，电磁式继电器便能完成这一桥梁作用。
电磁式继电器是在在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。
它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器,节能功率继电器。
（1）直流电磁继电器：
输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。
（2）交流电磁继电器：
输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。
（3）磁保持继电器：
将磁钢引入磁回路，继电器线圈断电后，继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态，具有两个稳定状态。
（4）极化继电器：
状态改变取决于输入激励量极性的一种直流继电器。
（5）干簧继电器：
利用密封在管内，具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。
（6）节能功率继电器:
输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器,但它的电流大（一般30-100A）,体积小,节电功能.
电磁继电器工作原理：
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。
技术参数：
1、额定工作电压
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2．直流电阻
是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万用表测量。
3．吸合电流
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
4．释放电流
是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
5．触点切换电压和电流
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
3.2.2继电器电路图
下图3-3是AT89C51单片机实验板上继电器驱动电路原理图，三极管Q2的基极B接到单片机的P1.4，三极管的发射极E接地，线圈的一端接到三极管的集电极C上，另一端接到＋12V电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管Q2及干扰其他电路；R9和发光二极管D5组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，D5点亮，这样就可以直观的看到继电器状态了。
图3-3单片机驱动继电器电路图
驱动原理：
1、当AT89C51单片机的P1.4引脚输出高电平时，三极管Q2饱和导通，＋12V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关断开。
2、当AT89C51单片机的P1.4引脚输出低电平时，三极管Q2截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关闭合。
注：
在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D4的保护作用。
3.2.3二极管的选择
8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。
也可用作开关电路。
类型:
开关型;
极性:
NPN;
材料:
硅;
最大集电极电流（A）:
0.5A;
直流电增益:
10to60;
功耗:
625mW;
最大集电极-发射极电压（VCEO）:
25;[1]
特征频率:
150MHz
3.2.4继电器的选择
1、继电器额定工作电压的选择：
继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。
在使用继电器时，应该首先考虑所在电路（即继电器线圈所在的电路）的工作电压，继电器的额定工作电压应小于或等于所在电路的工作电压。
一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86。
注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。
另外，有些集成电路，例如NE555电路是可以直接驱动继电器工作的，而有些集成电路，例如COMS电路输出电流小，需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器，这就应考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流。
2、电磁式继电器线圈额定工作电流选择：
用晶体管或集成电路驱动的电磁式继电器，其线圈额定工作电流（一般为吸合电流的2倍）应在驱动电路的输出电流范围之内。
3、接点类型及接点负荷选择：
同一号型的继电器通常有多种接点的形式可供选用（单组接点、双组接点、多组接点及常开式接点、常闭式接点等），应选用适合应用电路的接点类型。
触点负载是指触点的承受能力。
继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。
所以在使用继电器时，应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。
例如，有一继电器的触点负载为28V（DC）×10A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V的电路上，触点电流为10A，超过28V或10A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。
4、电磁式继电器体积的选择：
继电器体积的大小通常与继电器接点负荷的大小有关，选用多大体积的继电器，还应根据应用电路的要求而定。
5、继电器线圈电源的选择：
这是指继电器线圈使用的是直流电（DC）还是交流电（AC）。
通常，在进行电子制作活动中，都是采用电子线路，而电子线路往往采用直流电源供电，所以必须是采用线圈是直流电压的继电器。
3.2.5声光报警模块
如图3-4所示，当测量电压超过设定的范围时，单片机给P1.5引脚送低电平，此时LED被点亮。
同时P1.6输送高电平，三极管饱和导通，驱动蜂鸣器报警。
设定范围通过按键操作进行，且要在量程之内，最好接近但小于量程。
此模块用于提醒操作者：
注意电压即将超限。
图3-4声光报警电路
3.3真有效值转换电路
为了实现对其交流信号电压有效值的精密测量，使之不受被测信号的限制，要求采用真有效值（RMS）测量系统，直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号。
目前国外生产的数字仪表中，普遍采用真有效值转换器，虽然我国发展较迟，但也陆续生产一些RMS转换器，如AD736，这对我国仪表更新换代将起着重要作用。
3.3.1真有效值转换的原理
目前市场上的万用表大多采用简单的整流加平均电路来完成交流信号的测量，因此这些仪表在测量RMS值时要首先校准，而且用这种电路组成的万用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一变，测出的读数就不准确了。
真有效值直流变换则不同，它可以直接测得输入信号的真实有效值，并和输入波形无关。
AD736是AD公司推出的真有效值-直流（RMS-DC）变换器。
和以往的有效值测量技术不同，真有效值-直流（RMS-DC）变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。
采用AD736可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。
一个交变信号的变化情况可用波峰因数C（CrestFactor）来表示，波峰因数定义为信号的峰值和RMS的比值：
C=VPEAK/VRMS。
不同的交变信号，它的波峰因数也就可能不同，许多常见的波形，如正弦波和三角波，它们的C比较小，一般小于2,而一些占空比的信号和SCR信号，它们的峰值因数就比较大。
要想获得精确的RMS测量结果，如果使用加权平均电路，设计者要事先知道信号的波形，并测得其波峰因数，而RMS-DC变换器测无需知道信号的波形就能直接测出各种波峰因数的交变信号的有效值。
AD736能处理的信号波峰因数为5,表1对采用真RMS-DC变换器和加权平均两种技术在各种波形下的性能作了对比。
表2-1加权平均技术引入的误差
波形（峰值幅度为1V）
波峰因数（VPEAK/VRMS）
真RMS值
采用加权平均电路所测得有效值
误差率
无失真正弦波
1.414
0.707V
0.707V
0%
直流信号
1.00
1.00V
1.11V
+11.0%
三角波
1.732
0.577V
0.555V
-4%
高频噪声
3
0.333V
0.266V
-20.2%
单极性脉冲
2
0.5V
0.25V
-50%
10
0.1V
0.01V
-90%
SCR波形占空比为50%
2
0.495V
0.354V
-28%
SCR波形占空比为25%
4.7
0.212V
0.150V
-30%
注：
一个交变信号的有效值的定义为：
VRMS为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。
V（t）是一个时间的函数，但不一定是周期性的。
对等式的两边进行平方得：
右边的积分项可以用一个平均来近似：
这样上式可以简化为：
等式两边除以VRMS得：
上式就是测量一个信号真实有效值的基础，AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。
这种按有效值刻度的转换器在原理上不再存在波形误差，但是不同型号的RMS-DC变换器可以测量的交流信号最大有效值、最大波峰因数不相同，到目前为止还没有一种能适用于任何场合的RMS-DC变换器。
在实际制造过程中，由于通频带的限制，对输入信号波形的波峰因数（信号的峰值和RMS的比值）是有要求的，这样才能保证转换精度。
一个任意非正弦信号均可按付里叶级数展开其频谱，频谱中超过转换器频带范围的分量，都将在输出端消失。
换句话说，这部分超出转换器带宽的高次谐波分量的有效值未被转换，这就带来了附加误差．显然，不同的波形引起的误差不同，在实际应用中我们要尽可能地选择和应用场合适应的型号，这样，我们就地精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑。
本设计采用真有效值转换器AD736。
AD736是
升级会员 