具有网络通信功能的电压表设计

西安建筑科技大学信控学院　梁思雨　李昌华

具有网络通信功能的电压表设计

西安建筑科技大学信控学院梁思雨李昌华

本文介绍了具有网络通信功能的电压表的设计。该系统主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示模块。A/D转换由芯片ADC0808来完成，它负责把采集到的模拟信号转换为相应的数字信号再传送到数据处理模块。数据处理由芯片STC89C2来完成，其负责把数字信号经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着ADC0808芯片工作。数字电压表电路简单，所用元件较少，成本低，操作方便。此数字电压表可以测量0～20V（0～5V和5～20V两个量程）的直流输入电压值，并且能够实现RS232通信功能。

数字电压表；A/D转换；STC89C52；ADC0808

1.引言

科学技术的发展为传统测量仪器提供了新原理和新技术，同时也对测量仪表提出了更新、更高的要求。测量的仪器仪表不仅要求其测量范围广、精度高、价格低、抗干扰性强，还要有通信功能。

传统的指针式电压表利用磁电原理驱动指针运动，依靠指针偏向的位置来显示电压大小的表。数字电压表可以显示清晰、直观、读数准确、分辨率高、测量速度快、输入阻抗高、集成度高、微功率和抗干扰能力强等特点。

2.数字电压表的硬件电路设计

本设计基于STC89C52微处理器，数字电压表系统的组成主要包括单片机最小系统、电压信号采集电路、A/D转换电路、LCD1602显示电路以及通信接口电路。

2.1单片机最小系统

单片机的最小系统，是指用最少的元件组成可以工作的单片机系统。对于片内有程序存储器的51单片机来说，它的最小系统由电源、时钟电路、复位电路组成。

2.1.1时钟电路

本设计系统采用外部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器。简化外部电路，只需要一个晶振和 2个电容即可。如图2-1所示。

图2-1　时钟电路

电路中电容器C5和C6对震荡频率有微调作用，在这个系统中选择了30pF；石英晶振选择的是11.0592MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，因而时钟信号的震荡频率为11.0592MHz。

2.1.2复位电路

单片机在启动运行时都要先复位，使系统中部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。当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按钮复位两种［7］，本系统采用的是单片机按钮复位电路，当按下“复位”按钮，单片机进入复位状态。

2.1.3电源模块

供电电压是直流5V，为此采用专用直流稳压电源给系统供电。其主要参数如下：

类型：AC/DC电源输入

输入：AC100-240V～/50-60HZ/75mA（V）

输出功率：DC 5V 600mA

型号：NOKIA AC-8C

2.2电压信号采集电路

电压信号采集电路由LM317T基准电压模块和LM393电压比较模块组成。电压信号采集电路如图2-2所示。电压信号经输入端对地输入。R4、R5对输入的信号进行分压：LM317产生1.25V的基准源；LM393为双电压比较器，当正端输入电压大于负端输入电压时将输出高电平（+5V），反之，将输出低电平（0V）；PL1为常开继电器；8050组成开关电路，当LM393输出高电平时，8050导通，电流经R7和8050集电极流向继电器绕组从而闭合继电器。当LM393输出低电平时，8050截止，继电器关断。电流经IN1通道输入。

当输入电压小于5V时，电阻R4端电压小于1.25V，LM393输出高电平，8050导通，继电器导通，信号通过继电器传递至AD转换通道IN0；当输入电压大于5V而小于20V时，电阻R4端电压大于1.25V，LM393输出低电平，8050截止，继电器截止，信号经R4、R5分压后，转变为0～5V信号传递至AD转换通道IN1。

图2-2　电压信号采集电路

2.3A/D转换模块

A/D转换电路将量程转换电路输入的模拟电压信号转成数字电压信号，供给主控制器进行数据转换。如图2-3为A/D转换系统。采用一片ADC0808，以逐次逼近原理进行模-数转换的器件。本系统设计的是2路可自动转换量程电路，此处只需ADC0808数据采集的两个管脚口IN0、IN1，通过程序的设计形成两个开关电路，通过单片机的控制可对不同的电压信号进行数据采集和测量。

2.4LCD1602显示电路

LCD要先进行初始化，之后才能进行显示。显示时应根据显示的位置先定位，再根据当前显示的缓冲区写入要显示的内容，如果连续显示，则可连续写入显示内容。由于LCD是外部设备，处理速度比CPU的速度慢，向LCD写入的命令到完成功能需要一定的时间，在这个过程中，LCD处于忙的状态，不能向LCD写入新的内容。LCD是否处于忙的状态可通过忙读标志命令来了解。另外，为了使LCD能够正常显示单片机要显示的信息，必须使其接口正确的与单片机相连接。连线如图2-4所示。

图2-3　ADC0808与单片机的连接电路

图2-4　LCD与单片机的连接电路

2.5通信接口电路

RS-232C和计算机的TTL电平相连使用时必须加上适当的电平转换芯片。本系统中采用SIPEX公司生产的SP3223ECY芯片完成串行通信电平转换，实现远程计算机命令控制和存储数据上传。该芯片低能耗和具有待电工作模式。

3.系统软件设计

3.1主程序流程图

根据系统运行原则，本系统程序划分为初始化子程序、A/D转换子程序及显示子程序，这三个子程序构成了整个系统软件的主程序，如图3-1所示。

图3-1　主程序流程图

图3-2　A/D转换流程图

3.2A/D转换子程序流程图

A/D转换子程序控制对输入的模拟电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图3-2所示。

3.3显示子程序流程图

LCD1602液晶显示其初始化结束后，进行清屏。当收集到外部数据时，设置并显示数据直到整个采集数据的转换显示完毕。

LCD1602显示子程序流程图如图3-3所示。

图3-3　显示程序流程图

4.测量结果

当调试完成后，让系统对电压进行测量。在测量过程中，利用系统对不同给定电压的测量结果进行分析来检验系统的准确度。表4-1所示系统和万用表对不同电压进行测试比较的结果。

表4-1　系统和万用表测量电压对比结果

5.结论

实验研究表明本设计提供的数字电压表精度高、价格低、抗干扰性强，并且有通信功能。这种数字电压表的控制方便，电路简单，精度较高，成本低。利用AD转换芯片设计的数字电压表将模拟信号转换为数字信号并显示，这在生产生活中有很重要的实际应用方面的意义，今后这方面的技术将得到提高，运用更加广泛。

［1］杨建成.基于单片机的数字电压表设计与仿真［J］.现代电子技术.

［2］沙占友，王晓君.数字化测量技术［M］.机械工业出版社，2009，03：187-189.

［3］陈权昌.单片机原理及应用［M］.华南理工大学出版社，2007：19-22.

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［5］王伟.感悟设计 电子设计的经验与哲理［M］.北京航空航天大学出版社，2009，05：15-18.

［6］周磊.基于单片机的数字电压表［J］.现代妇女（下旬），2013（11）.

［7］王清清.单片机数字电压表的设计［J］.科技传播，2013（21）.

梁思雨（1990—），陕西咸阳人，硕士研究生，现就读于西安建筑科技大学信控学院。

李昌华（1963—）， 宁夏银川人，教授，硕博士生导师，主要研究方向：数字建筑，模式识别。