1、基于单片机的交流数字电压检测系统仿真设计数字显示模块设计毕业设计衢州学院毕业设计（论文）题目： 基于单片机的交流数字电压检测系统仿真设计数字显示模块设计 摘 要 本设计采用的是仿真设计的交流电压检测系统电路，调节RV3可取不同“被测”交流电压，经变压器变压，RV2降压后，再通过LM358构成的电压提升电路，將最大幅值为2V的交流电压提升为0-4V的直流电压，经LTC1864进行A/D转换及公式转换后，当前交流电压將以数字形式显示在4位数码管上。This design uses a simulation system designed for AC voltage detection circu
2、it, adjust RV3 desirable different test AC voltage, the transformer transformer, after RV2 buck, and then through the LM358 voltage boost circuit constitutes the most significant value of 2V AC voltage to DC voltage enhance the 0-4V, and conducted by the LTC1864 a / D conversion and the conversion f
3、ormula, the current AC voltage will be displayed in digital form on four digital tube.关键字：单片机，数字交流电压检测，LED数字显示Keywords: microcontroller, digital AC voltage detection, LED digital display 第 1章 绪论1.1 所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述数字电压表出现在上世纪50年代初，60年代末发张起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以
4、数字处理然后通过显示器件显示。这种电子仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用推广到系统的自动控制信号的实验领域，提出了各种被观测量或被控制量转换成数字量的要求，即为了实时控制和数据处理的要求；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的发展，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐与陈旧方式也促进了它的飞速发展。如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。 如今，数字电压表已经绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表，因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候非常不方便还经常出错，而采用单
5、片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛应用与电子和电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等领域。显示出强大的生命力。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度较慢，体积重达几十公斤。继之出现了谐波式电压表，它的速度方面稍有提高但准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，它不仅保持了比较是准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点就是抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响，随后，在谐波式的基础上双引申出阶梯波式，它的唯一进步就是成本，可是准确度，速度及抗干扰能力都未提高。而数字
6、电压表的发展已经非常成熟，就原理来讲，它从原来的一两种已经发展到多种，在功能上讲，它从测单一的参数发展到能测多种参数；从制作原件看，发展到集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度已经达到1NV，读数速度达到每秒几万次，而相对以前价格已经降低了很多。 目前实现电压数字化测量的方法仍然是模数（A/D）转换的方法。数字电压表分类繁多，日常生活中一般根据原理的不同进行分类，大致分为：比较式，电压时间变换式，积分式等。1.2 所涉及的基本量以及所用电气原件的概论 在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最经常。而且随着电子技术的发展，更是需要经常测量高精度的电压，所以数字电
7、压就成为必不可少的测量仪器。另外，数字测量仪器具有读数准确方便，精度度高，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量速度快等特点倍受用户亲睐，数字电压表的设计就基于这种需求发展起来。 本设计将用AD转换芯片AD574对模拟信号进行转换，AD转换芯片AD574的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。AD转换芯片AD574将被测量电压输入端所集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号。然后再通过对单片机AT89SC52进行软件编程，使单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过一定的算法计算算出被测量电压值，最后驱动数码管进行电压显示。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压
8、量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用1。 传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如交流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础2。以数
9、字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的快速发展，并不断出现新的类型4。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也从0.01%-0.005%。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数
10、字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面3。人们现拥有的多种显示器中LED显示屏有着其他显示器不可比拟的优点，总的来说LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。将来，利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。2 设计总体方案2.1 设计要求 以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的交流数字电压表。采用1路模拟量输入，能够测量0222V的交流电压将显示在数码管上，调整外部“被测”交流电压时，数码管将实时刷新显示当前交流电压。电压显示用4位的LED数码管显示，至少能够显示一位小数。 尽量使用较少的元器件。 2.2 设计思路 根
11、据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。A/D转换采用LTC1864实现，与单片机的接口为P2.3，P2.5，P2.7引脚。电压显示采用4位的LED数码管。LED数码的信号输入,由AT89C51的P1.5，P1.6，P1.7口连接74HC595,后者每个连接一个RN1排阻，排阻与LED数码管产生。2.3 设计方案硬件电路设计由6个部分组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图2.1所示。 图2.1 数字电压表系统硬件设计框图2.4 系统工作原理（1）本设计采用的是仿真设计的交流电压检测系统电路，3个
12、滑动变阻器跟变压器装置来调节输入电压值。（2）模拟调节RV3可取不同“被测”交流电压，经变压器变压，RV2降压后，再通过LM358构成的电压提升电路，將最大幅值为2V的交流电压提升为0-4V的直流电压，经LTC1864进行A/D转换及公式转换。（3）LTC1864将信号传给AT89C51，后者通过连接将信号传给74HC595数据寄存器。（4）数据寄存器通过传输，将当前交流电压將以数字形式显示在4位数码管上。3 硬件电路设计3.1 A/D转换模块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
13、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LTC 1864等，它们通常具有16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。3.1.1 逐次逼近型A/D转换器原理逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位一次
14、开始逐位试探比较。转换过程如下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量5。其原理框图如图3.1所示：图3.1 逐次逼近式A/D转换器原理图3.1.2 LTC 1864 主要特性LTC1864 - 采用 MSOP 封装的微功率、16 位、250ksps 单通道ADC逐次逼近式A/D转换器.特点 采用 MSOP 封装的 16 位、250ksps ADC 单
15、 5V 电源 低电源电流：850a (典型值) 自动停机功能可把电源电流减小至 2A (在 1ksps) 真正的差分输入 单通道 (LTC1864) 或双通道 (LTC1865) 版本 SPI/MICROWIRETM 兼容型串行 I/O 16 位升级至 12 位 LTC1286/LTC1298 与 12 位 LTC1860/LTC1861 引脚兼容 保证运作至 +125 (MSOP 封装)描述LTC1864/LTC1865 是采用 MSOP 和 SO-8 封装的 16 位 A/D 转换器，采用单 5V工作电源。在 250ksps 采样速率条件下，电源电流仅为 850A。在较低的速度下，电源电流
16、将减小，原因是 LTC1864/LTC1865 在转换操作之间自动断电。这些 16 位开关电容器逐次逼近型 ADC 包括采样及保持电路。LTC1864 具有一个差分模拟输入和一个可调基准引脚。LTC1865 提供了一个可利用软件来选择的双通道 MUX 和一个可调基准引脚 (在 MSOP 封装版本上)。 三线式串行 I/O、小外形 MSOP 或 SO-8 封装、以及极高的采样速率与功率之比使得这些 ADC 非常适合于紧凑、低功率、高速系统。 这些 ADC 可在比例式应用中使用，或与外部基准一起使用。高阻抗模拟输入以及可在缩减的电压范围内 (低至 1V 全标度) 运作的能力使得它们在许多应用中可与
17、信号源直接相连，从而免除了增设外部增益级的需要。 3.1.3 LTC1864的外部引脚特征 LTC1864芯片有8条引脚，其引脚图如图3.2所示。图3.2 LTC1864引脚图下面说明各个引脚功能: IN+、IN-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。Vcc、GND: Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起. VREF：参考电压的输入端，A/D的基准电压，是A/D测量电压的标准，VREF精度高，A/D转换进度才有保障。SCK:串行端口的IIC时钟，双向。SDO：数据输出端，同时也是转换数据有效的指示端。CONV:发低脉冲启动A/
18、D转换。3.1.4 LTC1864的内部结构及工作流程LTC1864由16路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，16位开关树型A/D转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路和三态输出锁存器等组成，其内部结构如图3.4所示。图3.4 TLC1864的内部结构LTC1864的工作流程为：（1）该LTC1864转换周期开始的上升沿 的CONV。 经过一段时间等于t CONV 时，转换为 完成。 （2）如果CONV是左高后这段时间内，LTC1864 进入睡眠模式绘图仅泄漏电流。 在 CONV下降的边缘时，LTC1864将进入采样模式和SDO已启用。 （3）SCK同步数据传输与每一位从SDO传输
19、在下降SCK边沿。 接收系统应该捕获数据从SDO在SCK的上升沿。 （4）完成后,数据传输，如果进一步SCK时钟脉冲CONV低SDO将输出零。3.2 单片机系统3.2.1 AT89C51性能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。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能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
20、能性能:与MCS-51成品指令系统完全兼容；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。 3.2.2 AT89C51各引脚功能AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工
21、作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用PDIP封装形式，引脚配置如图3.5所示7。图3.5 AT89C51的引脚图AT89C51芯片的各引脚功能为：P0口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能，分别适用于不同的情况，第一种情况是89C51不带外存储器，P0口可以为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据，这时输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可
22、靠性；第二种情况是89C51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。P0口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1口：这8个引脚和P0口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位，当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。P2口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不是像
23、P0口那样传送存储器的读/写数据。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3.6所示：表3.6 P3口各位的第二功能P3口各位第二功能P3.0 RXT（串行口输入）P3.1 TXD（串行口输出）P3.2/INT0（外部中断0输入）P3.3/INT1(外部中断1输入)P3.4T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6/WR（片外数据存储器写允许） P3.7/RD（片外数据存储器读允许）Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE：地址锁存允许线，配合P0口的第二功能使用，在访问外部存储器时，89
24、C51的CPU在P0.0-P0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，89C51自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA:片外存储器访问选择线，可以控制89C51使用片内ROM或使用片外ROM,若/EA=1，则允许使用片内ROM, 若/EA=0，则只使用片外ROM。/PSEN：片外ROM的选通线，在访问片外ROM时，89C51自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST：复位线，可以使89C51处于复位(即初始化)工作状态。通常89C51复位有自动上电复位和人工按键复位两
25、种。XTAL1和XTAL2：片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C51片内OSC(震荡器)的定时反馈回路。3.3 复位电路和时钟电路3.3.1 复位电路设计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。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两
26、种，图3.7是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作1。 图3.7 复位电路3.3.2 时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，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
27、2个电容即可，如图3.8所示。图3.8 时钟电路电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了22pF；石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。34 数据寄存器3.4.1 74HC595基本描述74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数
28、据在SHcp（移位寄存器时钟输入）的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp（存储器时钟输入）的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，例如控制一个8位数码管，将不会有闪烁。3.4.2 174HC595特点8位串行输入 /8位串行或并行输出 存储状态
29、寄存器，三种状态输出寄存器（三态输出：就是具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态的门电路。）可以直接清除 100MHz的移位频率输出能力并行输出，总线驱动； 串行输出；标准中等规模集成电路595移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。3.4.3 74HC595管脚功能描述如图3.9所示。符号 引脚 描述Q0Q7 8位并行数据输出，其中Q0为第15脚GND 第8脚 地Q7 第9脚 串行数据输出MR 第10脚 主复位（低电平）SHCP 第11脚 移位寄
30、存器时钟输入STCP 第12脚 存储寄存器时钟输入OE 第13脚 输出有效（低电平）DS 第14脚 串行数据输入VCC 第16脚 电源参考数据Cpd决定动态的能耗，Pd=CpdVCCf1+(CLVCC2f0)F1=输入频率，CL=输出电容 f0=输出频率（MHz） Vcc=电源电压以下是真值表输入输出功能SHCPSTCPOEMRDSQ7QnLLNCMR为低电平时仅仅影响移位寄存器LLLL空移位寄存器到输出寄存器HLLZ清空移位寄存器，并行输出为高阻状态LHHQ6NC逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态 移入LHNCQn移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出LHNCQn移
31、位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达保持寄存器并出3.5 LED显示系统设计3.5.1 LED基本结构LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件6。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。LED引脚排列如下图3.10所示:图3.10 LED引脚排列3.5.2 LED显示器的选择 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，
