一种简易数字电压表的设计与制作

1.引言

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，而电压的测量最为常见，现在学生使用的数字万用表能够测量多种电量，并且具有一定的精度，使用方便。为了让学生更好地了解数字电压表的工作原理，从而激发他们对单片机课程的学习兴趣。本文从软硬件设计、proteus仿真、制作实物、误差分析几个方面着手，阐述数字电压表的工作原理、数据的程序处理方法、数字信号软件滤波原理。

2.硬件设计

硬件电路设计由4个部分组成：a/d转换电路，at89c51单片机系统，led显示系统、测量电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。其总设计框图如下：

此电路的工作原理是：+5v模拟电压信号通过变阻器vr1分压后由adc08008的in0通道进入(由于使用的in0通道，所以adda,addb,addc均接低电平)，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道d0-d7传送给at89c51芯片的p0口，at89c51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位led,同时它还通过其四位i/o口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。

简易数字直流电压表的硬件电路已经设计完成，就可以选取相应的芯片和元器件，利用pROTEUS软件绘制出硬件的原理，并仔细地检查修改，直至形成完善的硬件原理图。但要真正实现电路对电压的测量和显示的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。

3.软件设计

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，a/d转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图2所示。

整个程序设计的核心在于对a/d转换的数据进行处理，包括数字滤波处理，数据小数位数的处理等。a/d转换子程序用来控制对输入的模块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。

显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得led显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70hz左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10MS对led进行动态扫描一次，每一位led的显示时间为1MS.

4.结果及误差分析

由于单片机at89c51为8位处理器，当输入电压为5.00v时，adc0808输出数据值为255(ffh)，因此单片机最高的数值分辨率为0.0196v(5/255)。这就决定了电压表的最高分辨率只能到0.0196v,从表1可看到，测试电压一般以0.01v的幅度变化。

当in0口输入电压值为13.5v时，显示结果如图3所示。测量误差为0.1v.

从表1可以看出，简易数字电压表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01v,这可以通过校正adc0808的基准电压来解决或者通过软件校准的方式来降低误差。因为该电压表设计时直接用5v的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5v的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。

从测试的数据看，其绝对误差均控制在1v以下，而相对误差均在1%以下，能够满足大部分场合应用的需要，如采用实验数据归纳的方法，将得出的数据绘制成曲线，再使用更为合理的算法，将得到更加准确的结果。