·应用技术研究· 基于单片机的数字电压表设计 夺 斌 Ｖ ， 摘。荨 （江西农业大学南昌商学院，南昌３ ｏ０４４） 要：本设计具有他用简单、调整方便、功能完备之特点，采用 片机最小系统＾ ｒ８９（：５２、 片机采控制８２７９ Ａ ｉ０８０９、１）Ａ（；０８３２等集成元件，测量待测、也压范围扩展为０～１２．８Ｖ，其精度为５ｌＩ１Ｖ，达到了 求 关键词：Ｍ（：【最小系统；，ＶＩ’８９（ ５２；ＡＩ）Ｃ０８０９；ＤＡ（Ｘ）８３２ 中图分类号：《）４４Ｉ文献标识码： 文章编号：Ｉ６７４～５０７８（２０Ｉ４）（）ｌ一００５０—０５ Ｄ０Ｉ：Ｉｌｌ＿３９６９／ｊ ｉ，；ｓＨ １６７４ ５０７８ ２０Ｉ４（Ｊ１ ０ｌ４ 一、方案论证与比较 方案三（如图３所示） （一）数字电压表设计常用的基本方法 方案一（如图１所示） 通过单片机控制的ＤＡＣ０８３２产生不同的输 出电压值控制减法器，在足够的精度范围内使输 入电压满足ＡＤＣ０８０９输人有效范围，最后通过单 片机读取、处理并显示数据，其精度可以达到 ５ｍＹ。 采用比较器、减法器、电子开关以及少量的分 立元件，将电压输出到ＡＤＣ０８０９再转换为数字信 号后送单片机控制，然后通过显示器显示。但由 于元件分散性太大，即使采用了单片机最小系 统，由于电子开关ＩＣ４０６６的内阻较大，导致在其 上的压降也较大，使小信号衰减严重，输入到 ＡＤＣ０８０９的电压值与待测电压相差较远，抗干扰 能力较弱，不能达到本题目的基本要求。 显 ｇ９Ｃ５２ 图３方案三示意图 （二）方案论证 器 丝 片 机 方案一中，虽然理论上达到要求，但实际操作 中因为电子开关内阻的存在。导致在其上面的压 图１方案一示意图 降较大，故而产生的误差也较大，所以我们不采用 此方案。 方案二（如图２所示） 采用压频转换器，将输入电压转换成相应的 频率信号，再用单片机对其频率进行采样测量，然 后再通过软件查表的方式，查出与此频率相对应 的电压值。本方案可靠性高，易于控制，精度也较 高，但由于条件有限，短时间内无法买到Ｖ—Ｆ转换 器，故此方案难以实现。 方案二中，采用的Ｖ—Ｆ转换器能够达到设计要 求，扩展和发挥也较方便，但由于条件的限制，Ｖ—Ｆ 转换器暂时无法买到，故而也没有采取。 方案三中，通过单片机来控制ＤＡＣ０８３２，使其 输出电压分别为０Ｖ、１．２８Ｖ、２．５６Ｖ、３．８４Ｖ、５．１２Ｖ、 ６．４Ｖ、７．６８Ｖ、８．９６Ｖ、１０．２４Ｖ，来控制输入到减法器 电压值，从而调整输入到ＡＤＣ０８０９的电压，同时 将ＡＤＣ０８０９的基准电压调到１．２８Ｖ，这样精度就 可达到５ｍＶ，从而在精度和输入电压范围等各方 面达到了题目的要求，经过权衡比较，我们采取了 图２方案二示意图 收稿日期：２０Ｉ ３－０９一ｌ ７ 作者简介： ； 【Ｉ９８６—１，。Ｊｊ． ！＿ｌ 『ｊｈｆ １人 ｉ １２：（ｉＪＩ 。丸，Ｊｆ ｌｊ ７，ｊ￣；ｔｔ１ ＩＩ ·应用技术研究· 此方案。 二、系统设计 （一）总体设计 ２５６＝０．００５Ｖ即５ｍＶ，完全达到题目要求。 ２．ＡＤＣ０８０９的电压输人计算 因为ＡＤＣ０８０９的量化误差为１ＬＳＢ，要达到 系统框图如图４所示： ５ｍＶ的精度要求，其输入电压必须在０～１．２８Ｖ之 内，否则的数据将会是全１，即无效数据。在满足设 计的输入电压范围的要求前提下，为了将 ＡＤＣ０８０９的输入电压范围限定在１．２８Ｖ以内，需 李 成 图４系统框图 模块说明： １．减法器的基准档位电压输入电路 用单片机控制ＤＡＣ０８３２，使其输出分别为 ＯＶ、１．２８Ｖ、２．５６Ｖ、３．８４Ｖ、５．１２Ｖ、６．４Ｖ、７．６８Ｖ、８．９６Ｖ、 １０．２４Ｖ等各档位，然后经反相器反相后送入到减 法器的反相端。 ２．减法器电路 用运算放大器ＮＥ５５３２设计一个减法器（增益 为１），将待测电压输入到同相端，根据Ｄ／Ａ转换输 入到反相端不同的电压值，可得到满足ＤＡＣ０８０９ 输入有效范围的输入电压，从而保证了转换精度。 ３．模数转换电路 采用集成芯片ＡＤＣ０８０９将其基准电压调至 １．２８Ｖ，使其精度达到了５ｍＶ，其输入端是减法器 基于的输出，然后与单片机接口。 ４．单片机控制模块 采用ＡＴ８９Ｃ５２单片机，辅以８２７９、键盘、显示 器等器件构成单片机最小系统，来控制其它各部 件的正常工作。 （二）各模块设计与计算 １．ＡＤＣ０８０９基准电压计算 因为ＡＤＣ０８０９是８位的数模转换器，根据精 度计算公式： 精度＝（ＶＲＥＦ（＋）一ＶＲＥＦ（一））／２“ 在此，当采用基准电压为５．１２Ｖ时，ｎ＝８，ＶＲＥＦ （＋）＝５．１２Ｖ，ＶＲＥＦ（一）＝０Ｖ，所以其精度为２０ｍｖ，刚 好达到题目要求，然而当有干扰时此精度达不到； 故为了提高精度，满足题目要求，需降低ＡＤＣ０８０９ 的基准电压，现将其调为１．２８Ｖ，其精度为１．２８Ｖ／ 在前放置一个减法器，控制输入电压量。当待测电 压处于下列各档次时，对应的ＤＡＣ０８３２的输出电 压如表１所示： 表１ ＤＡＣ０８３２的输出电压表 待测输入电压范围（ｖ） ＤＡＣ０８３２输出电压（ｖ） ０ Ｖ～１．２８Ｖ ０Ｖ １．２８Ｖ～２．５６Ｖ １．２８Ｖ ２．５６Ｖ～３．８４Ｖ ２．５６Ｖ ３．８４Ｖ一５．１２Ｖ ３．８４Ｖ ５．１２Ｖ～６．４Ｖ ５．１２Ｖ ６．４Ｖ～７．６８Ｖ ６．４Ｖ ７．６８Ｖ～８．９６Ｖ ７．６８Ｖ ８．９６Ｖ～１０．２４Ｖ ８．９６Ｖ １０．２４Ｖ一１２．８Ｖ １０．２４Ｖ ３．减法器电路 其原理图如图５所示。 其中：ｕｏ＝一Ｒ／Ｒ （ｕ 一ｕｉ） （Ｒ。＝Ｒ ，Ｒｆ＝Ｒ。） ＝Ｒ／Ｒ （Ｕｉ—ＵＲ） 要使其达到减法器要求（增益为ｌ，必须使Ｒｅ－－ Ｒ ，故可通过电位器来调节使反馈电阻ＲＦＲ ＝ 片１００Ｋ，所以Ｕ。＝Ｕｉ机的数字电—Ｕ ，通过变化Ｕ 使ｕ。控制在 压表设计 １．２８Ｖ之内，从而达到题目要求。 —一晋城职图５单片机最小系统 （三）软件系统 技术学院单业学箍萎舞荽·应用技术研究· １．流程图（如图６所示） 三、系统调试 （一）硬件调试 １．ＡＤＣ０８０９的调试 显示嚣初始化Ｉ 』 Ｉ写Ｄ／Ａ设置档位Ｉ Ｉ 连接好ＡＤＣ０８０９以及相关的电路后，开始 调试，先将基准电压调至１．２８Ｖ，然后输入不同 存储单元初始化Ｉ Ａ Ｄ值１ 的电压，再编程用单片机显示电压值，测量数据 如表２所示。根据下表的数据可知，其误差在５ｍＶ 之内。 由 结束 ｌ 基准电压由稳压和分压电路得到，因电位器 存在误差，只能将参考电压调到１．２７Ｖ。 ｌ Ａ，Ｄ数字量写入存储单元 ， Ｊ Ｉ运算处理Ｉ ｌ写Ｄ／Ａ使挡位复位到最大栏 基准电压电路图如图８所示： Ｉ重写ＤＪＡ，换档调整Ｉ 幸 １ 图８基准电压电路图 表２ ＡＤＣ０８０９的调试 输入电压 （Ｖ） ０．０１２ ０．０５６ ０．１２Ｏ ０．３４ ０．６５ ０．８３ １．０５ １－２Ｏ １－２７ １－２８ 图６主程序和于程序流程图 ２．Ｄ／Ａ转换和Ａ／Ｄ转换部分程序 ３．电压测量程序 本程序采取将Ａ／Ｄ转换的数字信号送到单片 机后，再通过单片机送显示器显示，达到用显示器 显示各待测电压值的要求。 系统设计图（如图７所示） 输出数字 ２ １１ ２４ ６８ １３０ １６６ ２１０ ２４０ ２５５ ２５５ ２．ＤＡＣ０８３２与减法器的调试 连接好ＤＡＣ０８３２与减法器以及相关电路后， 使ＤＡＣ０８３２基准电压调为１０．２４Ｖ，然后用单片机 来输入不同的数据，再用数字万用表测量其输出 、唧 五 ｘｆｆ Ｖ＼ ＤＩ６ Ｄｌ５Ｌ ＩＮ－．年 镝 七 卷 弗 —— 芏 ｃｍＳ＼ａ：ＤＩ７ ，、Ｉ ＬＥ １Ｄ３１Ｉ４３２ 胁 Ｚ＿ Ｄｌ１ Ｉｏｕ１２ Ｉ如１０ ７ｕＦ １ｌ 葱丑＿ｌＬ ＩｌＮ．＿２１ ５２．４３２ 』＿＿Ｂ 匕 Ｊ， Ｊ ＡｏＤＡ Ｌ Ｉｈ ０ ｍ控．１ ＿２ ＿＿１ ７ ｊ Ｉ￣ｏ２－８ ｊ 』 ２＿ ｌ ４ １０ ＩＮ Ｄ撼 ｝｛｝］ —、 誓 弗 ｆ １Ｌ广 （］＿ Ｉｈ ＡＤＤ８ ＿２ ＡＤＤＣ ＿２ ＡＬＥ ＿＿２ Ｉ １０Ｋ Ｏ．僻 Ｊ ＿＿６ ｒ西㈩ＣＬＯＣＫ 图７系统设计图 ·应用技术研究· 表３ ＤＡＣ０８３２与减法器的调试 Ｄ／Ａ基准电压为１０．２４Ｖ，Ａ／Ｄ基准电压为１．２８Ｖ测Ｄ／Ａ及减法器的电压 档次 待测输入电压ｕｉ，、， Ｄ／Ａ输出电压Ｄ／Ａ输入数据 输出理论电压／Ｖ 输出实际电压，、， 第一组 第二组 第三组 基准电压ＵＲ／Ｖ 对应数字 第一组 第二组 第三组 第一组 第二组 第三组 第一档 ０ ０．６４ １．１ １．２３６ ０ ０ ０．６４ １．１ １．２３６ ０ １．０９８ １．２３４ 第二档 ０．６４ ０．６４ １．２３６ １．１ ０．６４ １４ ０ ０．５９６ ０．４５８ Ｏ ０．５９８ ０．４５７ 第三档 １．２８ １．４８ ２．４５ １．２９ ２９ ０．１８４ １．１５８ ０．１８３ １．１６２ 第四档 ２．５６ ２．６ ３．２ ３．８ ２．５４ ５８ ０．０６ ０．６４ １．２６ ０．０５５ ０．６５７ １．２６７ 第五档 ３．８４ ３．９４ ４－３７ ５．０７ ３．８４ ８８ ０．１ ０．５３ １＿２３ ０．０９４ ０．５３８ １．２３４ 第六档 ５．１２ ５．２８ ５．７４ ６．３１ ５．１３ １１８ ０．１４８ ０．６１ １．１８ ０．１４６ ０．６１５ １．１８３ 第七档 ６－４ ６．５２ ７．０１ ７．５８ ６．４３ １４８ ０．０９ ０．５８ １．１５ ０．０９ ０．５７ １．１５ 第八档 ７．６８ ７．７６ ８．３２ ８．８８ ７．６８ １７７ ０．０８ ０．６４ １．２ ０．０７ ０．６２８ １．１９６ 第九档 ８．９６ ９．０３ ９．５ １０ ８．９６ ２０７ ０．０７ ０．５４ １．０４ ０．０５６ ０．５２１ １．０２３ 第十档 １０．２４ １０．４ １０．８４ Ｉ１．４ １０．２ ２３６ ０．１６ ０．６２ １．１７ ０．１３６ ０．６ １．１５６ 电压以及减法器的输出电压值，测量数据如表３ 而题目只要求到１０Ｖ，完全满足题目的设计要求。 所示。根据表３数据可知，该减法器完全能够达到 由理论计算可知，整个系统误差为５ｍｙ，根据 要求。 表中的数据可知，实际误差为１０ｍｖ左右，而题目 （二）软件调试 只要求２０ｍＶ，所以，本设计方案完全达到题目的 编好各模块子程序后，分别进行调试，当各模 精度要求。 块调试成功后，再系统调试一次。得知，该程序完 （三）误差分析 全正常。 对于任何系统，误差是不可避免的。本设计的 （三）软件、硬件一起调试 输出信号误差主要来自于以下几个方面： 编好各模块程序后，连接好各模块的线路（特 １．Ｄ／Ａ，Ａ／Ｄ转换器件的非理想性误差 别要注意各芯片的电源端和地端的接法），再用仿 虽然我们在设计中充分考虑到了精度要求， 真器运行仿真，最后通过观察结果可知，该程序能 但转换器件本身存在的固有量化误差是不可能克 使系统运行，而且能达到设计要求。 基于单片服的，同时转换器件的转换速率、机的数字电压表设计 温度系数、输入 四、指标测试及结果分析 输出电平的差异等因素都造成了转换器件的非理 （一）测试仪器 想特性。 数字万用表：ＤＹ２１０２万用表一块 ２．运算放大器、电阻电容引起的误差 —一晋城职仿真器：ＴＯＰＩＣＥ／５２Ｙ仿真仪一台 设计中采用的运放和电阻电容等一些常用元 示波器：ＣＡ８０２０Ａ示波器一台 件，在实际应用中，都或多或少存在着误差，如：随 电压源：ＥＭ１７１５Ａ电压源一台 着温度的变化，电阻阻值的变动以及运放的漂移， （二）指标测试 电容的非理想性造成了系统频率相应的改变。 数据见表４所示： ３．电源噪声、数字信号跳变引起的噪波和布线 表４指标测试 中的分布电容和感生电感 待测电压 （ｖ） Ｏ－３ ０．８ ２ ４ ８ ８．５ ９ １０ ｌ２．８ 在ＰＣＢ布线中由于迹线和部分元件的非理想 理论值 ００－输出 ３０ｏ ００．８００ ０２．Ｏ００ ０４．０ｏＯ ０８．０ｏＯ ０８．５ｏｏ ０９．０（）ｏ ｌ０．０ｏｏ ｌ２－８ｏｏ 性，在高频工作时，这些器件产生分布电容感生电 感。电网电压的变化引起的欠压、过压以及在线路 输出值 ００．实际 ３１２ ００．８０７ ０２．０ｏ５ ０４．００３ ０８．０１０ ０８．５０６ 传输中随机窜人的高频噪声等都有可能通过电源 误差（ｍｖ） ｌ２ ７ ５ ３ １Ｏ ６ 引入到系统中。设计中使用大量数字芯片高频工 从表４数据可知，待测电压范围可达￣ｉＪｌｌ２．８Ｖ， 作时的电平跳变以及单片机晶振都是误差的产生 李 成 技术学院业晋城职业技衣学阮基于单片札的数字电 压表设计 ·应用技术研究· 等。实用范围比较广泛。本系统最大的特点是高精 度数字化，用低价格、低精度器件实现高价格、高 源。我们在电路的实际设计中，采用了多种措施来 减少这种误差的渗入，如：电源的滤波、线间的去 耦、重干扰源的屏蔽、加宽电源线和地线以减少噪 声的传输路径。 五、结束语 本系统采用单片机控制ＡＤＣ０８０９和 ＤＡＣ０８３２实现了对电压信号的测量，并通过数码 管显示，总体来看完成了题目的基本要求，达到了 基本指标，而且还完成了发挥部分的要求。由于时 间有限，我们认为还可以对本系统进行扩充。本方 精度器件的功能。 参考文献： ［１］江晓安．数字电子技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大 学出版社，２００８． ［２］江晓安．模拟电子技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大 学出版社，２０１０． ［３］刘书明，刘斌．高性能模／数与数／模转换器件［Ｍ］．西 安：西安电子科技大学出版社，２００９． 案设计的系统易于扩展，将其他信号通过相应的 传感器件和相应的电路转换成电压信号，再通过 本系统设计就可以对不同性质的信号进行高精度 测量，如：交流电压、频率、电流、温度、压力、光强 ［４］张伟．单片机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２０１２． ［５］何立明．单片机中级教程［Ｍ］．北京：北京航空航天 大学出版社，２００６． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｅｔｅｒ ＬＩ Ｃｈｅｎｇ （／￣ａＴ￣ｃ／ｔａｎｇ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｄ ｌｈｄｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： ｒｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａ（：ｔｅｒｉｓｔｉｅｓ ｏｆ ｂｅｉｎｇ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｕｓｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｉｎ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｃｏｎ＠ｅｒｅ ｉｎ ｌ１ＩＩＩ１（－ ）１１Ｓ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ １）ｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｙｓｔｅｍ ｏｔ’ｔｈｅ ＭＣＵ ｔｏ‘－【ｌ ｎＩｒ（）Ｊ ＡＴ８９Ｃ５２ ８２７９． ０８０９．１）ＡＣ０８３２ ａｎ（１ ｏｔｈｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｌｐｏｎｅｎｔｓ．ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｇｌｅａｓＨｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ（１ ｗｄｌａｇｅ ■■ Ａｊ）（：ｒｄｎｇ《 ｘｌｅｎｄｅｄ ｔｏ ０～１ ２．８Ｖ．Ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｖｏｈａｇｅ ｍｅｔｅｒ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｌＩ１ ｔｈｅ【１ｒｅ（、ｉｓｉ（）ｎ Ｉ）ｅｉｎｇ ｕｐ ｔｏ ５ｍＶ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＭＣ Ｕ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｙｓｔｅｍ；ＡＴ８９Ｃ５２；ＡＤＣ０８０９；ＤＡＣ０８３２
