基于51的簡易數字電壓表設計與制作

1.引言

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，而電壓的測量最為常見，現在學生使用的數字萬用表能夠測量多種電量，并且具有一定的精度，使用方便。為了讓學生更好地了解數字電壓表的工作原理，從而激發他們對單片機課程的學習興趣。本文從軟硬件設計、proteus仿真、制作實物、誤差分析幾個方面著手，闡述數字電壓表的工作原理、數據的程序處理方法、數字信號軟件濾波原理。

2.硬件設計

硬件電路設計由4個部分組成：a/d轉換電路，at89c51單片機系統，led顯示系統、測量電壓輸入電路。硬件電路設計框圖如圖1所示。其總設計框圖如下：

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此電路的工作原理是：+5v模擬電壓信號通過變阻器vr1分壓后由adc08008的in0通道進入(由于使用的in0通道，所以adda,addb,addc均接低電平)，經過模/數轉換后，產生相應的數字量經過其輸出通道d0-d7傳送給at89c51芯片的p0口，at89c51負責把接收到的數字量經過數據處理，產生正確的7段數碼管的顯示段碼傳送給四位led,同時它還通過其四位i/o口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3產生位選信號控制數碼管的亮滅。

簡易數字直流電壓表的硬件電路已經設計完成，就可以選取相應的芯片和元器件，利用pROTEUS軟件繪制出硬件的原理，并仔細地檢查修改，直至形成完善的硬件原理圖。但要真正實現電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應的軟件配合，才能達到設計要求。

3.軟件設計

根據模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，a/d轉換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構成了整個系統軟件的主程序，如圖2所示。

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整個程序設計的核心在于對a/d轉換的數據進行處理，包括數字濾波處理，數據小數位數的處理等。a/d轉換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應的數值存入相應的內存單元。

顯示子程序采用動態掃描實現四位數碼管的數值顯示，在采用動態掃描顯示方式時，要使得led顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設置適當的掃描頻率，當掃描頻率在70hz左右時，能夠產生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10MS對led進行動態掃描一次，每一位led的顯示時間為1MS.

4.結果及誤差分析

由于單片機at89c51為8位處理器，當輸入電壓為5.00v時，adc0808輸出數據值為255(ffh)，因此單片機最高的數值分辨率為0.0196v(5/255)。這就決定了電壓表的最高分辨率只能到0.0196v,從表1可看到，測試電壓一般以0.01v的幅度變化。

當in0口輸入電壓值為13.5v時，顯示結果如圖3所示。測量誤差為0.1v.

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從表1可以看出，簡易數字電壓表測得的值基本上比標準電壓值偏大0-0.01v,這可以通過校正adc0808的基準電壓來解決或者通過軟件校準的方式來降低誤差。因為該電壓表設計時直接用5v的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當要測量大于5v的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計算程序的除數進行調整就可以了。

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從測試的數據看，其絕對誤差均控制在1v以下，而相對誤差均在1%以下，能夠滿足大部分場合應用的需要，如采用實驗數據歸納的方法，將得出的數據繪制成曲線，再使用更為合理的算法，將得到更加準確的結果。