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基于单片机的数字电压表设计与实现

内容摘要

在工程测量中对电压的测量十分重要。然而测量电压的仪表很多，当前一般场合用的传统电压表大多仍是采用电磁原理来进行设计的，其缺点是结构复杂、测量精度低、日后维修麻烦、维护成本高。随着单片机和DSP等智能芯片的快速发展，以其为核心设计的数字式电压表具有测量精度高、应用范围广故和故障率低等优点而得到广泛应用。

本文设计一款以单片机为核心的数字式电压表，用以对直流电压和交流电压进行采集和显示。本文对其相应的工作原理进行了详细分析，并以STC89C51单片机和ADC0809模数转换采样芯片为核心，设计了一款数字电压表，可以实现对常用等级的直流电压和交流电压的测量，并能够用LED数码管对采样的电压值进行直观的显示，电路结构清晰，设计简单，性能稳定，可以满足一般的电压测量场合应用。

关键词：数字式电压表；单片机；系统设计

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1本文的背景及研究意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外数字测量仪表发展现状 5

1.2.2我国数字测量仪表发展现状 6

1.3本文的主要内容 7

2系统整体方案设计 8

2.1设计要求 8

2.1.1数字电压表工作原理分析 8

2.1.2论文设计要求 9

2.2方案设计 9

3硬件系统设计 10

3.1系统芯片介绍 10

3.1.1STC89C51单片机介绍 10

3.1.2ADC0809芯片介绍 11

3.1.3LED数码管介绍 12

3.2硬件电路设计 12

3.2.1硬件电路设计原则 12

3.2.2单片机最小系统设计 13

3.2.3扩展电路和输入/输出通道设计 14

3.2.4LED数码管显示部分设计 17

3.2.5其它部分设计 18

4软件程序设计 18

4.1系统控制流程图 18

4.1.1数字式电压表主程序流程图 18

4.1.2测量电压采集子程序流程图 20

4.1.3LED驱动显示子程序流程图 21

4.2控制程序的设计 22

4.3系统调试测试 23

5结论 24

参考文献 25

附录 25

1绪论

1.1本文的背景及研究意义

单片机是为满足各类工业测量控制场合而设计的一种高性能数字式集成半导体产品，具有良好的实时控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在各类智能仪器仪表、机电一体化产品、实时工业控制、分布系统的前端模块和家用电器等领域场合得到了极为广泛的应用[1]。

常见的传统的电气量测量仪器主要包括模拟式电压（电流）表、绝缘电阻表、回路电阻测试仪、电能计量表等。其工作原理往往都是通过电磁之间产生力矩的定向和定量关系来进行测量的，如图1.1所示。即当可动线圈通以电流以后，在永久磁铁的磁场作用下，产生转动力矩使线圈转动。目前，我们常见的传统式测量仪器主要分为磁电系、电磁系和电动系仪表三大类。虽然其可以分为三大类，但是其本质都是通过磁场与电流之间的作用力来作为表计的工作原理来实现相关的指示工作的。以磁电系仪表为例，当线圈通入测量电流，电流在永磁铁产生的磁场下收到力矩的作用而发生转动，其转动力矩和游丝产生的反力矩具有一定的比例关系，可利用此关系来衡量，当平衡时指针停转。其它常采用的电磁系或电动系测量仪表工作原理类似，此处不再赘述。

对于传统的测量仪表而言，其过载承受能力较差，老化现象严重，容易出现烧毁和过早报废的现象。由于其内部原件大部分为金属部件，很容易受使用环境的影响而影响测量精度和使用寿命。因此，传统的测量仪表往往只用在对精度要求不高和对测量成本要求不高的场合。但是目前随着我国工业、电子业、电气业的大力发展，对传统的测量仪表提出了巨大的挑战，往往许多场合其都不适用。例如在开关电源、变频器、电机控制系统中，传统仪表往往无法达到显示简单清晰效果，且易受温度、湿度等环境影响严重，最重要的是精确度较低。这限制了其在高精尖科研场合的发展应用。而随着半导体行业的大力发展，单片机、DSP、PLC等数字控制设备越来越物美价廉，利用其实现的数字式测量或控制设备由于测量精度高、工作性能稳定、质量体积小、携带便捷等优势越来越受到市场的欢迎。因此，如何利用单片机等半导体设备来开发精度高、运行稳定的测量设备对我国工业的发展具有重要的现实意义。

图1.1磁电系仪表内部测量结构

1.2国内外发展现状

1.2.1国外数字测量仪表发展现状

图1.2半导体产