液晶显示数字电压表的设计

摘要：在现代检测技术中，常常需要用数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入到微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能。因此，设计了一种实用的液晶显示数字电压表，其不仅能够对直流电压进行测量，还可以方便地进行量程的自动转换、与计算机通信等功能，并在液晶显示器上显示。该液晶显示数字电压表采用AT89S52单片机为控制平台，重点设计了量程自动转换、A／D转换和液晶显示等硬件功能电路和系统软件。现场实验显示，该液晶显示数字电压表具有转换速度快、可靠性高、性能稳定等优点，具有很好的使用价值。
关键词：数字电压表；单片机；量程自动转换；A／D转换器；液晶显示

0 引言
随着电子科学技术的日益发展，电子测量也变得越来越普遍，并且对测量的功能要求也越来越高，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。与传统的模拟式电压表相比，具有显示清晰直观，读数准确，测量范围广，扩展能力强等优点。液晶显示数字电压表是将连续的模拟量，如直流电压，转换成不连续的离散的数字形式，并在液晶显示器上显示出来，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

1 数字电压表的整体设计及原理
1．1 数字电压表的设计要求
数字电压表的基本要求是在不降低测量精度的条件下实现量程的自动转换。因此在设计电路时需要考虑以下几个方面的要求：
(1)输入值量程判断器的要求
输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断能力。由于被测范围较大，因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击，又要求在超量程时对量程转换电路进行自动关闭。当输入量程低于表内的测量精度时，也要求将量程选择器关闭。所以，输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断，对是否小于最小量程的精度也应有判断能力。
(2)电路安全要求
在本设计中，利用传输的延时，对档位进行从关闭测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换，这样就使得电路在测量完高待测量值后就能顺利地进行对最低待测量值的测量。
(3)成本及功耗问题
由于输入值量程判断器所判断出的值不是用来测量，而是用于转换量程档位，所转换出的数值不需要十分精确，故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。
1．2 电压表的整体设计
数字电压表整体结构设计如图1所示，主要分为微控制器、A／D转换模块、量程自动转换模块、LCD液晶显示模块、串口通信模块、时钟电路和复位电路等部分来设计。主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程自动转换功能。

2 系统的硬件设计
2．1 控制中心电路设计
控制中心整合处理各功能模块，是整个设计的核心。如图2所示。控制中心微控制器采用的是AT89S52单片机，其对于多量程电路的测量有着不可比拟的性价比，而且操作简单，特别是与ADC0809构成的电压采集电路，反映时间短，能够有效地将模拟电压数据在LCD上显示出来。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

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2．2 A／D转换电路设计
A／D转换电路用来将量程转换电路输入的直流电压信号转成数字电压信号，以供主控制器进行数据处理。采用一片ADC0809，它是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模-数转换的器件。由于本设计采用的是3路可自动转换量程设计电路，所以使用的ADC0809数据采集的三个管脚口IN0、IN1、IN2，通过程序的设计形成三个开关电路，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。
A／D转换电路设计如图3所示。

2．3 量程自动转换电路设计
本系统的量程自动转换模块采用反相比例运算电路设计，单片机对数据进行处理。设计电路将输入电压衰减到5 V以下，3路输入信号对应的ADC0809的3个通路，电压转换比例分别是1：4，1：2，1：1。控制信号由单片机进行控制赋值，当计算电压小于5 V进入In0电路，大于5 V小于10 V进入In1电路，当电压大于10 V进入In2电路。
2．4 液晶显示电路设计
液晶显示电路用来显示数字电压表测量的直流电压值，采用1602字符型LCD实现。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值。
2．5 串口通信电路设计
串口通信电路用来将测量到的电压传送给后台的控制中心，实现电压的远程检测。本系统采用的是RS-232串行接口，RS-232是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通信。在RS-232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
2．6 时钟电路和复位电路
时钟电路由片外石英晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选用12 MHz晶体，微调电容C1、C2采用30pF的瓷片电容，单片机的复位电路有开关复位和上电复位两种，本设计采用开关复位电路，电解电容C3=10 μF，电阻R8=200 Ω，R9=1 kΩ，在单片机工作时复位电路中按键按下后单片机内各寄存器的值变为初始状态值。在单片机工作现场，存在各种各样的干扰。如不及时恢复，容易造成损失。复位电路就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新复位或置位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。

3 系统的软件设计
本系统的软件设计采用单片机常用的C语言，主要包括三个部分，即主程序、数据采集子程序和LCD液晶显示子程序。
3．1 主程序
主程序设计的软件流程图如图4所示。利用单片机编程控制数字电压表的量程自动转换和显示功能，不仅使整个硬件电路的设计使用的元器件数量减少，而且调节起来也较为方便，整个系统性能也更加稳定。

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3．2 数据采集处理子程序
数据采集处理子程序主要完成直流电压值的采集、A／D转换、量程判断转换和串口发送等功能。在主程序中，LCD显示初始化后，数字电压表就进入数据采集处理子程序。如图5所示。

3．3 LCD液晶显示初始化子程序
LCD液晶显示初始化子程序的软件流程图如图6所示。在LCD初始化程序当中系统显示“Zhai Beibei A good girl!”通过延时子程序停留1秒进入数据显示程序。

4 实验结果及分析
本设计利用Proteus仿真对其进行仿真，其仿真结果可以有效直观地进行观察，并对数据进行更改，避免硬件仿真电路中可能出现的问题不便更改的缺点。因为Proteus里LCD1602内部可能没有内部电阻，在此加上拉电阻。

5 结束语
本文提出并设计了一种适合于数字电压表的量程自动转换电路，并对所设计的电路图用PROTEUS软件进行了仿真。其电路是按直流的电压量来设计的，对交流量的测量则需要在输入端加设一个绝对值转换器，把交流电压幅值转换为对应的直流量值。采用反向输入放大器实现量程的自动转换，用AT89S52进行数据控制、处理和存储，并送到液晶显示器上显示。该设计的硬件结构简单，软件采用C语言实现，程序简单、可读写性强，效率高。与传统的电压表相比，具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高等优点，具有一定的使用价值。但是要达到更高的要求，实现更完善的性能指标，还需要做很多工作。