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基于单片机的液晶数字电压表设计
摘要：本文设计的是一个基于51系列单片机开发平台和数字电压表系统原理的自动控制系统。这个系统采用AT89C52单片机作为控制核心，ADC0832转换器作为采样数据系统，然后使用一个齐纳二极管进行过压保护，并通过模拟开关来实现输入量程的自动转换，以及实现测量电压在液晶显示器上显示。
关键词：数字电压表；AT89C52；A/D转换器
1总体的系统设计方案
本系统主要是通过硬件设计和软件编程来实现系统所需的功能。首先，根据设计所需的要求绘制出完整的电路设计图。其中硬件电路采用AT89C52单片机作为主处理器，AT89C52是ATMEL公司开发的MCS-51系列单片机中基本的产品。整个系统主要由信号采集模块、A/D转换模块、数据的处理与输出模块以及驱动显示模块这四个部分组成。其次，根据程序绘制控制芯片的电路图，程序设计采用的是汇编语言编程，运用Keil软件进行编译和仿真。单片机控制A/D转换器进行模数转换，并在LED显示屏上显示相应的电压值。
图1 系统框图
A/D转换单元对测量到的直流电压进行采集和量化，然后模数转换的结果发送到微处理器，由微处理器规划处理得到的测量电压值。单片机分析计算出所有变化结果的平均对数，然后通过SPI串行数据接口输出平均值到显示驱动单元，驱动显示单元完成解码，最终在显示单元实现数字显示。
2硬件设计和电路图
2.1电源电路
三端稳压器由三极管和电阻组成，是一种集成电路元件，它是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。在分析电路的时候，我们可以认为它是一个自动调节电阻的元件。当负载电流较大时，三端稳压器的电阻会自动变小；当负载电流较小时，三端稳压器的电阻会相应地变大，因此我们可以保持输出电压恒定不变。
想要保证输出的电压恒为5V，我们可以选择型号为7805的稳压器，7805前面的字母型号可能因为不同的制造商而不尽相同。LM7805稳压器的最大输出电流为1A，因为有限流短路的保护，所以在短时间内，一般在短短的几秒钟之内，输出对地短路（2英尺）而不会使LM7805稳压器烧坏。三端稳压器接着一个104电容，电容具有滤波和阻尼的作用。
图2 电源电路
2.2 A/D转换模块
考虑到模拟转换电路的类型，并且基于精度、转换速度以及稳定性的考虑，本次设计采用ADC0832转换芯片。ADC0832是一种由美国国家半导体公司生产的8位串行接口的A/D转换器，它通过三线接口与单片机相连。由于具有体积小、功耗低、兼容性、高性价比的优点，ADC0832转换芯片适用于袖珍智能仪表的应用。ADC0832是8位分辨率的A/D转换芯片，它的最高分辨率可以达到256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0V~5V之间。芯片的转换时间仅为32us，具有双数据输出可以作为数据校验，以此来减少误差，此外，开关速度快，且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使得多个设备连接和处理器控制变得更加的方便。通道功能的选择可以通过DI数据的简单输入，而轻松地实现。ADC0832转换芯片的主要特点如下：
1、8位分辨率，逐次逼近，参考电压为5V；
- 单一的5V电源；
- 5V电源供电时输入电压范围为0V~5V；
- 输入和输出电平与TTL和CMOS相兼容；
- 在时钟频率为250KHz时，其转换时间为32us；
- 具有2个可选择的模拟输入通道；
- 功耗低（一般功耗仅为15mW）；
- 支持SPI串行外设接口。
2.3 接口模块
AT89C52单片机作为控制单元的核心，通过A/D转换器将模拟量转换为单片机的数据量，然后发送到显示器。在这个方案中，所有功能都非常易于实现，并且成本低、功耗低、显示稳定，还可以通过软件设置省电模式。在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时器/计数器，串行端口和中断系统可以继续工作。在掉电模式下会冻结振荡器并且保存RAM数据，导致所有其他芯片的功能都无法实现，直到外部中断或硬件复位被激活才会继续正常工作。AT89C52芯片的主要特性如下：
- 兼容MCS-51指令系统；
- 具有8K字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器；
- 反复擦写次数达到1000次以上；
- 时钟频率：0Hz~33MHz；
- 具有32个可编程的双向I/O口；
- 具有3个16位可编程定时器/计数器；
- 具有5个中断源；
- 全双工UART串行通道；
- 具有低功耗空闲和掉电模式；
- 中断唤醒后断电；
- 灵活的ISP编程；
- 电压范围为4.5--5.0V。
2.4 时钟电路
时钟电路由外部时钟和内部时钟组成。时钟电路的内部是由单片机、外部12MHz晶振和时钟电路的两个电容频率组成，所以当外部电源断开时，时钟电路会继续工作。时钟电路如图3所示：
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X2 |
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30PF |
Y1 |
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GND |
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CRYSTAL |
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C3 |
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图3 时钟电路
AT89C52微处理器的EA/VPP引脚（31号脚）是内部和外部程序内存选择引脚。当EA引脚接高电平时，访问的是内部程序存储器；当EA引脚接低电平时，无论是否存在内部程序存储器，都只允许访问外部存储器。对于当今开发出的大多数单片机而言，其内部程序存储器（Flash）的容量非常大，所以基本不需要外部程序存储器，可以直接使用内部存储器。
2.5 LED驱动电路
在LED驱动电路中，发光二极管（LED）的连接方法是将电源连接到二极管的阳极，二极管之后连接一个1KOmega;的电阻，最后再接到单片机的I/O端口。图4中的1KOmega;电阻起到限制电流的作用，保证发光二极管的工作电流在2mA~10mA范围内。LED驱动电路如图4所示：
图4 LED的连接图
显示部分运用LED数码管的“LG5641BH 0.56”模型，这个数码管的模型只是4个中的一个，一共有12个引脚，是4位8段数码管。
2.5复位电路
在单片机系统中，复位电路非常的重要，当程序跑飞（异常操作）或者死机（停止）时，必须通过复位电路进行复位进而正常工作。
在MCS-51系列单片机的复位引脚RST（第9引脚）中，当有两个高电平的机器周期高于正常值，单片机可执行复位操作。如果RST持续处于高电平状态，单片机会在复位状态下循环ID。
复位操作通常有两种基本形式：自动上电复位和复位开关复位。在本次的设计中采用的是自动上电复位。在上电时刻，电容器两端的电压不变化，电容的电极连接复位端口，所有的电压加在电阻两端，复位端口输入高电平，芯片复位。 5V的电源为电容器充电，电阻两端的电压减小，最后趋近于0，芯片工作。一般而言，只要RST管脚持续高电平超过10ms，单片机能够有效的复位。复位电路如图5所示：
VCC
C4 10UF
RESET
R2
10K
GND
图5 复位电路
3流程设计与仿真
3.1 软件框架设计
对于系统软件的整体框架，主要程序有死循环结构，其中调用三个子程序，AD转换子程序、数据处理、动态显示子程序，电源在系统启动前测量，用电压表对被测电压进行测量，然后选择合适的量程，以防止电压过大而烧坏A/D转换器。在选择合适的量程之后可以进行测量。电源系统初始化，首先，单片机芯片选择A/D转换器，然后发出一个信号来启动A/D转换。单片机内部的定时器/计数器都开始工作，不断扫描A/D转换端端口是否有信号。如果A/D转换端端口有信号，那么立刻进行信号采集，A/D转换器输出的数值发送到数据存储器，数据处理后，用查表法对电压值进行显示。这个过程如图6所示，数据处理子程序流程图如图7所示。
图6 软件设计流程图
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