基于C语言的直流数字电压表设计

李思嘉刘秋朋张继学张爱丽

（1 河南师范大学物理与电子工程学院 河南 新乡 453007）

(2 河南师范大学计算机与信息工程学院 河南 新乡 453007)

(3 新乡市国营第七六零厂 河南 新乡 453000)

基于C语言的直流数字电压表设计

李思嘉1刘秋朋2张继学3张爱丽2

（1 河南师范大学物理与电子工程学院 河南 新乡 453007）

(2 河南师范大学计算机与信息工程学院 河南 新乡 453007)

(3 新乡市国营第七六零厂 河南 新乡 453000)

针对传统数字电压表结构复杂、成本高、寿命短和不便升级等问题，提出来一种基于C语言以P89V51单片机为控制核心的数字电压表，硬件电路采用正负双积分型A/D转换器；电源电路用稳压芯片LM7805和LM7905来处理，电压负荷在+5 V和-5 V电压之间；数字信号处理采用CD4052B，由LM324构成量程自动转换电路。控制功能用C语言编程实现。测量范围：10 mV-2 V,分辨率1 mV(2 V档)；测量误差小于±0.5 V；输入电阻大于1 MΩ。实验结果表明，该电压表能够抑制工频干扰且测量精度高，具有自动校零、量程自动切换功能和便于自动升级等优点。

数字电压表自动转换控制单片机

1 引言

随着大规模集成电路的发展，电子测量仪器数字化程度越来越高，数字式电压表因显示清晰直观、读数准确、集成化程度高和功耗低等优点，取代功能单一、精度低和读数不方便的模拟电压表成为必然趋势。数字电压表采用数字化测量技术，把连续的模拟量转变为不连续的数字量，经数字处理后通过显示器显示。采用单片机的数字电压表由于测量精度高、速度快、抗干扰能力和可扩展性强等优点，已被广泛地应用于电子测量、工业自动化仪表和自动测试等智能化测量领域。本设计是在以单片机P89V5为控制核心，采用双积分技术，硬件电路设计简单、读数方便、使用误差小、稳定性好并具有智能化、自动化、小型化和模块化等优点。

2 设计目标和论证

2.1 设计目标

在不采用专业A/D转换器芯片的条件下，设计并制作积分式直流数字电压表。①系统基本要求：测量范围：10 mv-2 V；量程：200 mv,2 V；显示范围：十进制数0-1999；测量分辨率：1 mv（2 V档）；测量误差：小于等于正负0.5 V；采样速率：大于等于2次/s；输入电阻：大于等于1 M；具有抑制工频干扰功能；②本系统实现指标：测量范围：1 mv-2 V；量程：200 mv，2 V；测量范围：十进制数0-19999；测量分辨率:0.1 m（2档）；测量误差：小于等于正负0.05%；具有自动校零、量程自动转换功能。

系统设计分硬件和软件两部分，硬件部分采用单片机P89V51[1]，包括电源电路、信号处理电路和显示电路；软件部分采用C语言编程实现。

2.2 信号采样的方案论证

模/数转换功能采用双积分型A/D转换器完成。将输入的模拟电压ui先转换成与ui成正比的时间间隔，用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数[2]。计数结束，计数器记录的数字量正比于输入的模拟电压，从而实现模拟量到数字量的转换。

双积分型A/D转换器是对输入的模拟电压和参考电压分别进行2次积分，将输入电压的平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以具有很强的抗工频干扰能力，且电路结构简单，转换精度高，最适合于系统信号处理。

2.3 处理器的方案论证

积分式直流数字电压表功能简单，主控芯片要求比较低，价格也相对便宜。基于这种情况，选用P89V51或AT89C51作为主控芯片[3]比较合适。AT89C51和P89C51单片机的处理器是一个8位的CPU，时钟周期为1 us，时钟频率为12 MHz，内部程序存储为4 KB，数据存储RAM为256 KB，还有128 B的特殊功能寄存器，5个中断源。这些参数能够满足系统设计的要求。因为对P89C51芯片比较熟悉，所以选择该芯片来实现系统的功能。

3 系统设计

3.1 系统设计原理

该电压表是由直流稳压电源供电，P89V51单片机作为主控器件。被测信号由探头输入，经过信号滤波，经量程自动转换电路和双积分电路把模拟信号转换为数字信号，再经检零比较器送到单片机端口[4]。信号由单片机处理后，由数码管显示测量结果，具体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

3.2 单元电路设计

单元电路设计如下：①电源电路设计：根据系统设计要求，需要一个+5 V和-5 V的直流稳压电源供电，该电源电路由电源变压器、整流器、滤波器和稳压器4部分组成[5]；

②主控电路：由P89V51单片机控制的主控电路包括晶振电路和复位电路[6]；

③量程自动转换电路：量程自动转换电路由LM324和3个电阻构成。当控制开关U31和U33闭合时，正好满足系统设计要求的2V量程档；当开关U33和U35闭合时，正好满足系统设计要求的200 mv档；

④驱动及显示电路[7]：采用4个三极管来驱动4位数码管。

4 软件设计

系统的软件设计包括定时器中断子程序设计、中断子程序设计和主程序设计。各个模块均用C语言编程实现。3个模块的程序流程图如图2、图3和图4所示。

图2 中断子程序流程图

图3 定时器中断子程序流程图

图4 主程序流程图

5 系统测试

系统设计完成后，要进行硬件和软件两方面的测试，其中软件测试是以硬件测试的结果数据为基础进行的。硬件测试的流程为：画电路图、排版、安装调试、数据分析、计算、误差分析和数据整理。

硬件调试的内容分下面几个方面：①根据原理图分析电路的运放、比较器和电子开关的供电电压是否与分析结果一致；②进一步测试各点的电位电压和芯片的各引脚电压是否与理论分析结果一致；③用仿真器进行硬件电路仿真和软件仿真，分析误差是否与理论计算相差太远，是否在规定的误差范围内。如果误差太大，则需要对电路进行调整。

以正负5V 3A稳压电源供电进行试验，得出单元电路供电电压的测试数据列如表1所示。

表1 单元电路测试数据

列表中的数据表明，硬件测试结果和理论计算结果基本是吻合的，电路设计符合系统的设计要求。

6 结束语

研究了双积分式直流电压表的设计过程。设计的新颖之处在于采用了积分二次电路设计，使电压表测量的数据更加准确。该设计架构合理，功能电路完善，系统性能优良及稳定，具有较好的实用和推广价值。

[1]楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天出版社,2007..

[2]朱晓玲.直流数字电压表设计与proteus应用[J].通信电源技术,2012,29(2):59-61.

[3]濮霞,胡亚刚,等.数字直流电压表的设计制作[J].电子设计工程,2013,21(4):113-115.

[4]刘瑞.基于单片机的数字直流电压表的设计与实现[J].电力电子,2013(2):52-53.

[5]莫勇涛,杨景常.基于LABVIEW的多功能虚拟直流电压表设计[J].计算机测量与控制,2011,19(6):1507-1510.

[6]米文鹏,洪成华,曹娟,等.数字多用表的自动化测试系统设计[J].计算机与网络,2011,37(5):67-69.

[7]江桦.吴昌东,吴学杰.基于单片机的新型数字式电压表设计[J].微计算机信息,2008,24(3):133-135.

QLogic FC适配器以更低耗能实现“绿色”数据中心

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（王珩）

Design on DC Digital Voltage Meter Based on C Language

LI Si-jia1LIU Qiu-peng2ZHANG Ji-xue3ZHANG Ai-li2
(1 College of Physics and Electronic Engineering,Henan Normal University,Xinxiang He’nan 453007,China)
(2 College of Computer&Information Engineering,Henan Normal University,Xinxiang He’nan 453007,China)
(3 Nationalized Seventh Six Zero Factory,Xinxiang He’nan 453000,China)

Aiming at the shortcomings of traditional digital voltage meter such as complex structure,high cost,short service life and difficult upgrade,a digital voltage meter is proposed,which is based on C language and uses P89V51 single chip microcomputer as control core.The hardware circuit uses dual integrating A/D converter;the power supply circuit is handled by steady voltage chip LM7805 and LM7905;the voltage load ranges from+5 V to-5 V;the digital signal processing adopts CD4052B,and the automatic range conversion circuit is constituted by LM324.The control function is implemented by C language programming.The measurement range is from 10 mV to 2 V,the resolution ratio is 1 mV(2V gear);the measurement error is less than±0.5 V;the input resistance is greater than 1 MΩ. The experimental results show that the voltage meter can restrain the power interference,has high measurement accuracy and such advantages as automatic zero,automatic range switching and automatic upgrade.

digital voltage meter;automatic switching;control;single chip microcomputer

TP386.1

A

1008-1739（2014）16-54-3

定稿日期：2014-07-12

河南师范大学大学生创新创业训练计划项目（20130012）；

教育厅科学技术研究重点项目（13A510533）