多路數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)與仿真

陳 峰

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011)

0 引言

數(shù)字電壓表最基本的功能是用來測量電壓，并將結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來，與傳統(tǒng)模擬電壓表相比，數(shù)字電壓表具有測量精度高、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。本文采用51單片機(jī)和ADC0831模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)8路模擬電壓測量系統(tǒng)，系統(tǒng)可分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。手動(dòng)模式下，系統(tǒng)通過按鍵切換通道進(jìn)行測量；自動(dòng)模式下，系統(tǒng)每隔1秒自動(dòng)切換通道進(jìn)行測量，液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作模式、當(dāng)前測量的通道和電壓值。

1 總體設(shè)計(jì)

多路數(shù)字電壓表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD1602液晶顯示電路、通道選擇電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和按鍵控制電路共同組成。

圖1 多路數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

多路數(shù)字電壓表電路原理圖如圖2所示。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用8通道模擬多路選擇器74HC4051進(jìn)行通道選擇，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0831將模擬電壓轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后，送單片機(jī)處理并通過LCD1602液晶顯示系統(tǒng)的工作模式、測量通道和電壓值。其中模擬電壓輸入信號(hào)通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器來獲得。

圖2 多路數(shù)字電壓表電路原理圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成[3]。

2.2 通道選擇電路

采用8通道模擬多路選擇器74HC4051[4]。74HC4051帶有3個(gè)選擇輸入端，1個(gè)低電平有效使能端，8個(gè)獨(dú)立輸入/輸出端和1個(gè)公共輸入/輸出端。

使能端為低電平時(shí)，8個(gè)開關(guān)的其中之一將被選中(低阻態(tài))；使能端為高電平時(shí)，所有開關(guān)都進(jìn)入高阻態(tài)。因此將三個(gè)選擇輸入端分別與單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7引腳相連，使能端接地；通過程序控制選擇輸入端就可以對模擬電壓輸入通道進(jìn)行選擇。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADC0831，它是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一款8位分辨率、逐次逼近型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過三線串行總線與單片機(jī)連接，可節(jié)省51系列單片機(jī)I/0資源，模擬信號(hào)可采用單端輸入或差分輸入。ADC0831與單片機(jī)的接口為3條數(shù)據(jù)線，分別是片選端CS、時(shí)鐘輸入端CLK、串行數(shù)據(jù)輸出端DO。

2.4 液晶顯示電路

采用1602液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示多路數(shù)字電壓表的工作狀態(tài)和電壓值，液晶的第一行顯示工作模式，第二行顯示當(dāng)前測量的通道及其電壓值。

2.5 按鍵控制電路

采用3個(gè)獨(dú)立按鍵來設(shè)置系統(tǒng)的工作模式和通道選擇。其中按鍵K1用于手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式的切換，按鍵K2和K3只有在手動(dòng)工作模式下使用，用于選擇上一個(gè)或下一個(gè)測量通道。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)多路數(shù)字電壓表的功能，軟件設(shè)計(jì)主要的工作是根據(jù)設(shè)置選擇測量通道，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并通過數(shù)據(jù)處理將數(shù)字信號(hào)換算為電壓值，最后進(jìn)行顯示。

3.1 主流程圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，主要包括通道選擇程序、按鍵檢測程序、ADC0831模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、LCD1602顯示程序。定時(shí)器0中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4所示，主要用于自動(dòng)模式下每隔1秒進(jìn)行測量通道的切換，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為50ms，變量count用于判斷是否1秒時(shí)間，變量index用于表示當(dāng)前測量的通道。

圖3 主流程圖

圖4 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程圖

3.2 通道選擇子程序

根據(jù)74HC4051的功能說明，編寫通道選擇函數(shù)的源程序如下：

sbit A0=P1^5;sbit A1=P1^6;sbit A2=P1^7;

void CH_Select(unsigned char ch)

{ switch(ch)

{ case 0: A0=0;A1=0;A2=0; break;

case 1: A0=1;A1=0;A2=0; break;

case 2: A0=0;A1=1;A2=0; break;

case 3: A0=1;A1=1;A2=0; break;

case 4: A0=0;A1=0;A2=1; break;

case 5: A0=1;A1=0;A2=1; break;

case 6: A0=0;A1=1;A2=1; break;

case 7: A0=1;A1=1;A2=1; break; }}

3.3 按鍵檢測子程序

按鍵檢測控制程序主要進(jìn)行系統(tǒng)工作模式設(shè)置和手動(dòng)模式下測量通道的選擇，其流程圖如圖5所示，變量flag用于表示系統(tǒng)的工作模式，flag=0為手動(dòng)工作模式，flag=1為自動(dòng)工作模式；變量index用于表示當(dāng)前測量的通道。

圖5 按鍵檢測流程圖

3.4 A/D轉(zhuǎn)換子程序

根據(jù)ADC0831時(shí)序圖編寫A/D轉(zhuǎn)換子程序[5-6]，其工作過程如下：當(dāng)要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)將片選端CS置低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換結(jié)束；芯片開始工作后，還須讓單片機(jī)向芯片的時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖；從第2個(gè)脈沖下降沿開始由串行數(shù)據(jù)輸出端DO輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位；隨后每一個(gè)脈沖下降沿DO端輸出下一位數(shù)據(jù)，直到第9個(gè)脈沖時(shí)輸出數(shù)據(jù)的最低位。至此，一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)輸出完成，最后將片選端CS拉高停止模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.5 數(shù)據(jù)處理子程序

數(shù)據(jù)處理子程序主要將模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，控制程序如下：

Vol=adc()*5*100/255;//將電壓值擴(kuò)大100倍

變量Vol為擴(kuò)大100倍后的電壓值，adc()為模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)。

3.6 液晶顯示子程序

顯示子程序主要根據(jù)變量flag、index、Vol值實(shí)時(shí)顯示數(shù)字電壓表的工作模式、通道和電壓值。

4 仿真調(diào)試

利用Keil軟件與Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試。系統(tǒng)仿真效果如圖6所示，采用虛擬儀表中的直流電壓表對輸入模擬電壓進(jìn)行測量，觀察顯示電壓值與直流電壓表顯示值是否一致，如圖顯示信息說明當(dāng)前工作模式為手動(dòng)模式，通道CH3的測量電壓值為2.60V，結(jié)果表明系統(tǒng)能對多路模擬電壓進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

圖6 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

5 結(jié)語

本文利用單片機(jī)和ADC0831模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)8路數(shù)字電壓表，循環(huán)采集8個(gè)通道電壓值，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。該系統(tǒng)具有測量精度高、顯示直觀、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。