1、*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 作 者： 刘 竣 文 分 院： 电气与信息工程学院 专业班级： 11 电自（1）班 指导教师： 朱 秋 琴 职 称： 讲 师 2014 年 5 月 30 日 电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）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
2、位数码管上。通过这次设计学会了 Proteus 和 Keil 软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。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电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）I目 录摘 要 .I目 录 .II第 1 章 绪论 .11.1 所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述 .11.2 所涉及的基本量以及所用电气原件的概论 .1第 2 章 设计总体方
3、案 .32.1 设计要求 .32.2 设计思路 .32.3 设计方案 .32.4 系统工作原理 .3第 3 章 硬件电路设计 .53.1 A/D 转换模块 .53.1.1 逐次逼近型 A/D 转换器原理 .53.1.2 LTC 1864 主要特性 .53.1.3 LTC1864 的外部引脚特征 .73.1.4 LTC1864 的内部结构及工作流程 .73.2 单片机系统 .83.2.1 AT89C51 性能 .83.2.2 AT89C51 各引脚功能 .83.3 复位电路和时钟电路 .103.3.1 复位电路设计 .103.3.2 时钟电路设计 .1134 数据寄存器 .113.4.1 74H
4、C595 基本描述 .113.4.2 174HC595 特点 .123.4.3 74HC595 管脚功能描述 .123.5 LED 显示系统设计 .133.5.1 LED 基本结构 .133.5.2 LED 显示器的选择 .14电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）II3.5.3 LED 译码方式 .143.5.4 LED 显示器与单片机连接设计 .153.6 总体电路设计 .16第 4 章 程序设计 .184.1 程序设计总方案 .184.2 系统子程序设计 .194.2.1 初始化程序 .194.2.2 A/D 转换子程序 .194.2.3 显示子程序 .19第 5 章 仿真 .205.
5、1 软件调试 .205.2 显示结果及误差分析 .205.2.1 显示结果 .205.2.2 误差分析 .22总 结 .24参考文献 .25致 谢 .26附 录 .27电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）0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
6、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
7、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
8、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，其中电压量的测电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）1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
9、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
10、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
11、，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
12、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。电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）2第 2 章 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.
13、2 设计思路根据设计要求，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。 时钟电路 复位电路A/D 转换电路 测量电
14、压输入数据寄存器AT89C51 P2 P2 P1 P1 图2.1 数字电压表系统硬件设计框图数据显示电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）32.4 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
15、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。电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）4第 3 章 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 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
16、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13.1.1 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
17、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：顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器ADC电压比较器输入电压输入数字量图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.电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）5特点 采用 MSOP 封装的 16 位、250ksps ADC 单 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)图3.2 16 位、250ksps 单通道ADC逐次逼近式A/D转换器图3.3 频率与电流描述LTC1864/LTC1865 是采用 MSOP 和 SO-8 封装的 16 位 A/D 转换器，采用单
