基于Proteus的数字电压表仿真设计

摘要：为了提高电压表的测量精度和性价比，提出了一种以AT89C51单片机为控制核心的，基于Proteus仿真技术的数字电压表设计方案。详细介绍了数字电压表的硬件电路设计和软件编程方法，并利用Proteus软件进行了仿真调试。结果表明，所设计的数字电压表结构简单，性价比高，并具有较高的测量精度；同时，也证明了Proteus仿真软件的运用，可以有效地缩短单片机系统的开发周期，降低开发成本。
关键词：数字电压表；Proteus；仿真设计；单片机

    随着现代电子设计手段的迅速发展，EDA仿真技术也越来越多地应用于实际电路设计中。EDA技术通过先建立电路模型，然后将计算机仿真结果应用于实际电路设计中，这样既降低了成本，又缩短了研制周期。
    Proteus是由英国Labcenter公司开发的一个嵌入式系统仿真与开发平台，是目前世界上最流行的EDA仿真软件之一。它具有模拟电路和数字电路仿真功能，支持主流单片机及其外围电路所组成系统的仿真；可以提供软件调试功能，支持与Keil、MPLAB等单片机开发环境的连接调试，并具有强大的原理图绘图等功能。
    为了提高电压表的性价比和测量精度，本文以AT89C51单片机为控制核心，利用Proteus仿真技术实现了一种数字电压表的设计。通过该数字电压表的设计过程，也充分体现出Proteus软件在单片机控制系统的设计、调试过程中的实用性。

1 系统结构及工作原理
    基于AT89C51单片机的数字电压表系统结构框图如图1所示。该数字电压表主要由AT89C51单片机、信号调理电路、A／D转换器、LED显示电路、电源电路、复位电路以及时钟电路等几部分组成。

    数字电压表工作原理如下：首先，系统将被测模拟电压交给信号调理电路进行一定的处理(包括放大、滤波等操作)，使其电压符合A／D转换器的输入要求；接着，经A／D转换将该模拟电压转换成相应的数字量，并送入AT89C51单片机的P1口；然后，由系统软件对该转换结果进行数字滤波及运算和处理；最后，通过单片机的P0、P2口控制LED显示电路进行输出电压显示。

2 系统硬件设计
    基于Proteus的数字电压表硬件电路设计主要包括LED显示电路、A／D转换电路、时钟和复位电路等几部分，其硬件电路如图2所示。电路设计时，使AT89C51单片机的端接高电平，系统无需扩展片外ROM。

2．1 LED显示电路
    LED显示电路的主要功能是对系统处理后的电压值，及时进行显示。本设计选用4位一体的数码型LED显示器，并采用动态显示方式进行控制。该显示器的第2位(自左向右)用来显示电压的整数位，后两位用来显示电压的小数位。电路中，用AT89C51单片机的P0口来控制LED显示器的段码；用P2．0-P2．3引脚来控制LED显示器的位码。
2．2 A／D转换电路
    A／D转换电路主要用来完成被测模拟量向数字量的转换。本系统选用ADC0808作为A／D转换器，它是一个CMOS单片型、逐次逼近式8位A／D转换芯片，可与微机直接接口，适用于过程控制和智能仪器等领域。该芯片可根据地址输入线ADDA、ADDB、ADDC的电平值，决定选通8路模拟输入信号IN0-IN7中哪一路进行转换；本电路将ADDA、ADDB、ADDC全部接地，选择IN0通道输入被测模拟电压。ADC0808的OUT1-OUT8端直接和单片机的P1口相连，作为A／D转换数据输出端。同时，ADC0808的控制端CLOCK、START和ALE、EOC及OE分别与AT89C51的P2．4-P2．7脚相连。
    该硬件电路工作过程：+5 V电压经变阻器RV1分压后所获得的被测模拟电压由IN0通道输入ADC0808；AT89C51单片机通过定时器中断从P2．4引脚输出方波，给ADC0808的CLOCK端提供时钟信号。当给单片机的P2．5脚输出一个正脉冲，利用其下降沿可启动A／D转换，并由单片机P2．6脚检测A／D转换是否完成。当从P2．6脚检测到ADC0808的EOC端为高电平时，表明A／D转换结束，系统控制P2．7脚使ADC0808的输出允许控制端OE为高电平，允许单片机读取A／D转换数据；否则，继续等待。最后，系统把转换后的数据进行运算和处理，将段码从P0口送给四位LED，并控制P2．0-P2．3的取值，实现数码管的位选控制。

3 系统软件设计
    整个系统软件设计主要包括主程序、数据采样子程序、数字滤波子程序、T0中断服务程序及显示子程序等几部分。
3．1 主程序
    系统主程序流程图如图3所示。

    主程序的功能如下：首先，完成系统初始化，包括设置堆栈及定时器T0的工作方式和定时初值，清理显示缓冲区；其次，启动定时器T0，允许系统总中断和T0中断；接着，调用数据采样子程序，对输入模拟电压进行多次采样和A／D转换，并调用数字滤波子程序，将滤波处理后的数据放入2AH单元中；然后，调用数据处理子程序，将2AH单元的内容进行一定处理，使得22H-20H单元中分别存放待显示数据的个位、十分位和百分位；最后，调用LED显示子程序，实现被测电压的实时显示。
3．2 数据采样子程序
    为了提高采样精度，降低采样误差，系统设计了数据采样子程序。该程序的功能是对从IN0通道输入的模拟电压进行三次采样和A／D转换处理，并把采样数据分别存入2CH、2DH、2EH单元中；随后，调用数字滤波子程序，采用中值滤波法求取3次采样数据的中间值作为本次有效采样值，并放在2AH单元中，以便后续程序进行运算和处理。结合硬件电路设计，本系统数据采样子程序流程图如图4所示。

3．3 T0中断服务程序
    由于系统采用ADC0808作为A／D转换器，该芯片正常工作时必须给CLOCK端输入时钟信号；为了简化硬件电路，将CLOCK端直接与AT89C51单片机的P2．4脚相连，这样系统只需通过软件控制P2．4脚输出满足ADC0808工作要求的时钟信号即可。
    具体实现方法：在软件设计中，使用定时器T0中断，设置定时器T0工作在方式2，即自动重装初值的8位计数方式。这样每隔一定时间系统就会产生T0中断，并响应其中断服务程序；所以，只需每次在中断服务程序中给P2．4脚的输出电平取反，即可获得满足输出要求的方波信号。
    在本设计中，设置系统时钟频率为12 MHz，使P2．4引脚输出时钟频率为50 kHz的方波时，计算定时器T0的计数初值X：
    定时时间=1／(2x50 kHz)=10μs
    计数个数=定时时间／机器周期=10
    计数初值X=256-10=246
    则将246分别赋给初值寄存器TH0、TL0。

4 系统仿真
    对本系统方案的仿真研究，必须通过Proteus仿真软件与Keil编程软件的联调才能得以实现。首先，在KeilμVision3软件中，采用汇编语言编写源程序，在新建项目中选择AT89C51单片机作为CPU，再将编好的源程序加载到新建项目中，并进行编译、链接，最终生成．HEX文件。接着，在Proteus ISIS界面中编辑电路原理图，如图2所示；双击AT89C51，打开属性编辑框，在“Program File”栏中导入．HEX文件，并设置时钟频率为12 MHz。最后，点击运行按钮，进行软硬件交互仿真。

    仿真时，在Proteus中用鼠标指针调节电位器RV1的大小，用虚拟电压表观察输入ADC0808的模拟电压值，及LED实时显示的相应数量值。在此，给出输入模拟电压为3．5 V时的测试图，如图5所示；以及虚拟电压表读数和对应LED显示数据，如表1所示。

    从表1中虚拟电压表的读数和对应LED显示数据对比情况可知，所设计的数字电压表能准确的测量和显示电压值，测量精度可达到0．01 V，系统仿真效果也达到了预期的设计要求；同时，该数字电压表还具有结构简单，性价比高等特点。

5 结束语
    文中以AT89C51单片机为核心，采用Proteus仿真技术实现了数字电压表的设计。通过Proteus仿真软件与Keil编程软件的联调，完成了系统方案的仿真研究；结果表明，所设计的数字电压表具有结构简单、成本低、测量精度高等特点。在该数字电压表设计中，前期使用Prot eus软件进行了仿真研究，提高了系统的开发效率，降低了设计成本；基于Proteus仿真的系统设计方法具有一定通用性，也可用于其他单片机系统的开发中。