淺析數字電壓表仿真設計方法

　　摘要：設計采用AT89C51單片機、A/D轉換器ADC0808和共陽極數碼管為主要硬件，分析了數字電壓表Proteus軟件仿真電路設計及編程方法。將單片機應用于測量技術中，采用ADC0808將模擬信號轉化為數字信號，用AT89C51實現數據的處理，通過數碼管以掃描的方式完成顯示。設計的數字電壓表可以測量0～5V的電壓值，AT89C51為8位單片機，當ADC0808的輸入電壓為5V時，輸出數字量值為+4．99V。本設計電路簡單、成本低、性能穩定。
　　
　　引言
　　
　　隨著電子科學技術的發展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，而電壓的測量甚為突出，因為電壓的測量zui為普遍。數字電壓表是采用數字化測量技術設計的電壓表。數字電壓表與模擬電壓表相比，具有讀數直觀、準確、顯示范圍寬、分辨力高、輸入阻抗大、集成度高、功耗小、抗*力強，可擴展能力強等特點，因此在電壓測量、電壓校準中有著廣泛的應用。本文采用ADC0808對輸入模擬信號進行轉換，控制核心AT89C51單片機對轉換的結果進行運算和處理，zui后驅動輸出裝置顯示數字電壓信號，通過Proteus仿真軟件實現接口電路設計，并進行實時仿真。
　　
　　Proteus軟件是一種電路分析和實物模擬仿真軟件。它運行于Windows操作系統上，可以進行仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路，是集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能強大，具有系統資源豐富、硬件投入少、形象直觀等優點，近年來受到廣大用戶的青睞。
　　
　　1、系統概述
　　
　　1.1設計任務
　　
　　利用單片機AT89C51與ADC0808設計一個數字電壓表，將模擬信號0～5V之間的電壓值轉換成數字量信號，以兩位數碼管顯示，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號的電壓值，LED數碼管實時顯示相應的數值量。
　　
　　1.2總體方案
　　
　　數字電壓表電路組成框圖如圖1所示。
　　本設計中需要用到的電路有電源電路、模/數轉換電路、單片機控制電路、顯示電路等。設計中需要用到的芯片有AT89C51單片機、ADC-0808、74LS74、LED數碼管等。
　　
　　2、數字電壓表的Proteus軟件仿真電路設計
　　
　　待測電壓輸入信號在ADC0808芯片承受的zui大工作電壓范圍內，經過模/數轉換電路實現A/D轉換，通過單片機控制電路進行程序數據處理，然后通過七段譯碼/驅動顯示電路實現數碼管顯示輸入電壓。
　　
　　硬件電路原理圖如圖2所示。　　
　　2.1AT89C51單片機和數碼管顯示電路的接口設計
　　
　　利用單片機AT89C51與ADC0808設計一個數字電壓表，將模擬信號0～5V之間的直流電壓值轉換成數字量信號0～FF，以兩位數碼管顯示。Proteus軟件啟動仿真，當前輸入電壓為2．5V，轉換成數字值為7FH，用鼠標指針調節電位器RV1，可改變輸入模/數轉換器ADC0808的電壓，并通過虛擬電壓表觀察ADC0808模擬量輸入信號的電壓值，LED數碼管實時顯示相應的數值量。
　　
　　在Proteus軟件中設置AT89C51單片機的晶振頻率為12MHz。本電路EA接高電平，沒有擴展片外ROM。
　　
　　2.2A/D轉換電路的接口設計
　　
　　A/D轉換器采用集成電路ADC0808。ADC0808具有8路模擬量輸入信號IN0～IN7（1～5腳、26～28腳），地址線C、B、A（23～25腳）決定哪一路模擬輸入信號進行A/D轉換，本電路將地址線C、B、A均接地，即選擇0號通道輸入模擬量電壓信號。22腳ALE為地址鎖存允許控制信號，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳START為啟動控制信號，當輸入為高電平時，A/D轉換開始。本電路將ALE腳與START腳接到一起，共同由單片機的P2．0腳和WR腳通過或非門控制。7腳EOC為A/D轉換結束信號，當A/D轉換結束時，7腳輸出一個正脈沖，此信號可作為A/D轉換是否結束的檢測信號或向CPU申請中斷的信號，本電路通過一個非門連接到單片機的P3．2腳。9腳OE為A/D轉換數據輸出允許控制信號，當OE腳為高電平時，允許讀取A/D轉換的數字量。該OE腳由單片機的P2．0腳和RD腳通過或非門控制。10腳CLOCK為ADC0808的實時時鐘輸入端，利用單片機30引腳ALE的六分頻晶振頻率得到時鐘信號。數字量輸出端8個接到單片機的P0口。
　　
　　3、數字電壓表的軟件程序設計
　　
　　系統上電狀態，初始化ADC0808的啟動地址，數碼管顯示關閉，開始啟動A/D轉換。等待啟動結束后，將ADC0808的0號通道模擬量輸入信號轉換輸出的數字量結果通過數碼管動態顯示的方式顯示到三位數碼管上。
　　
　　根據設計要求結合硬件電路，在輸入模擬信號時采用電阻分壓，zui終的采樣輸入電壓只有實際輸入電壓的十分之一，所以在編寫程序中要編寫一段數據調整程序，其中還應注意硬件顯示電路采用了動態掃描顯示，在動態掃描顯示方式中，動態掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，數碼管LED將會出現閃爍現象，通常數碼管點亮時間間隔一般均取5ms左右為宜，這就要求在編寫程序時，使其點亮并保持一定的時間。總結以上分析，程序流程圖如圖3，圖4所示。　　
　　本電路的程序設計主要包括A/D轉換部分、LED顯示、初始化和定時器中斷部分。部分程序代碼如下所示。　　
　　4、結束語
　　
　　本文的數字電壓表可以測量0～5V的電壓值，AT89C51為8位單片機，當ADC0808的輸入電壓為5V時，輸出數字量值為+4．99V。如果要獲得更高的精度，需采用I2位、I3位等高于8位的A/D轉換器。數字電壓表的顯示部分可以增加BCD碼調整程序來通過三位數碼管顯示其數據。本設計的顯示偏差，可以通過校正0808的基準參考電壓來解決，或用軟件編程來校正其測量值。本系統在設計過程中通過Proteus仿真軟件的調試，具有電路簡單、成本低、精度高、速度快和性能穩定等特點。