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(xiàn)在學(xué)生使用的數(shù)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(xué)生更好地了解數(shù)字電壓表的工作原理，從而激發(fā)他們對單片機課程的學(xué)習興趣。本文從軟硬件設(shè)計、proteus仿真、制作實物、誤差分析幾個方面著手，闡述數(shù)字電壓表的工作原理、數(shù)據(jù)的程序處理方法、數(shù)字信號軟件濾波原理。

2.硬件設(shè)計

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

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(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)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(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的7段數(shù)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(chǎn)生位選信號控制數(shù)碼管的亮滅。

簡易數(shù)字直流電壓表的硬件電路已經(jīng)設(shè)計完成，就可以選取相應(yīng)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(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有相應(yīng)的軟件配合，才能達到設(shè)計要求。

3.軟件設(shè)計

根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，a/d轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖2所示。

整個程序設(shè)計的核心在于對a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)字濾波處理，數(shù)據(jù)小數(shù)位數(shù)的處理等。a/d轉(zhuǎn)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(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。

顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)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(shè)置適當?shù)膾呙桀l率，當掃描頻率在70hz左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10MS對led進行動態(tài)掃描一次，每一位led的顯示時間為1MS.

4.結(jié)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(shù)據(jù)值為255(ffh)，因此單片機最高的數(shù)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(jié)果如圖3所示。測量誤差為0.1v.

從表1可以看出，簡易數(shù)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(shè)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(shù)進行調(diào)整就可以了。

從測試的數(shù)據(jù)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(yīng)用的需要，如采用實驗數(shù)據(jù)歸納的方法，將得出的數(shù)據(jù)繪制成曲線，再使用更為合理的算法，將得到更加準確的結(jié)果。