可视化数字电压表的设计毕业论文

可视化数字电压表的设计毕业论文

1 绪论

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AVR单片机ATMEGA128为控制平台，重点设计了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。

1.1 研究的目的及意义

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。

这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解，自己动手设计数字电压表与仿真，它可以广泛的应用于电压测量外，通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量，测量是一种认识过程，就是用实验的方法将被测量和被选用的相同参量进行比较，从而确定它的大小。DVM广泛应用于测量领域，每次测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。所以我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。

1.2 国内外数字电压表的发展及现状

数字电压表出现在上世纪50年代初，60年代末发张起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转

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变为不连续的数字量，加以数字处理然后通过显示器件显示。这种电子仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用推广到系统的自动控制信号的实验领域，提出了各种被观测量或被控制量转换成数字量的要求，即为了实时控制和数据处理的要求；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的发展，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐与陈旧方式也促进了它的飞速发展。如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。

如今，数字电压表已经绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表，因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候非常不方便还经常出错，而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛应用与电子和电工测量，工业自动化仪表，自动测量系统等领域。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度较慢，体积重达几十公斤。继之出现了谐波式电压表，它的速度方面稍有提高但准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐进式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点就是抗干扰能力差，很容易受到外界因素的影响，随后，在谐波式的基础上双引申出阶梯波式，它的唯一进步就是成本降低了，可是准确度，速度及抗干扰能力都未提高。而数字电压表的发展已经非常成熟，就原理来讲，它从原来的一两种已经发展到多种，在功能上讲，它从测单一的参数发展到能测多种参数；从制作原件看，发展到集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度已经达到1NV，读数速度达到每秒几万次，而相对以前价格已经降低了很多。

在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最经常。而且随着电子技术的发展，更是需要经常测量高精度的电压，所以数字电压就成为必不可少的测量仪器。另外，数字测量仪器具有读数准确方便，精度度高，误差小，灵敏度高，分辨率高，测量速度快等特点倍受用户亲睐，数字电压表的设计就基于这种需求发展起来。

1.3 本文的研究内容

本次毕业设计的主要研究内容是： （1）设计单片机的最小系统； （2）设计A/D采集电路；

（3）设计液晶显示和键盘输入电路；

（4）设计系统的程序流程，通过软件实现具有图形界面的数字电压表功能，计算出有效值、峰-峰值等，并显示出电压的波形；

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（5）对设计的电路和程序进行调试与仿真。

本文分为以下几个章节来详细介绍：

（1）第1章：绪论，论述了本设计的目的意义、国内外研究现状、本文研究内容及论文结构的安排等；

（2）第2章：数字电压表系统的设计方案，分块介绍数字电压表的方案设计； （3）第3章：数字电压表系统硬件设计，分别介绍数字电压表各个模块的硬件设计，使用proteus软件绘制硬件电路图；

（4）第4章：系统软件的设计，运用C语言对单片机进行编程；（5）第5章：系统的仿真及调试。

最后：结束语，总结本设计的完成情况，不足及展望。

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2 系统总体方案设计及工作原理

2.1 总体方案设计

数字电压表整体结构设计如图1所示，系统主要由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。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。

图1 数字电压表整体方案结构图

系统设计需要基于自动控制原理，实现电压量程的自动切换、数据采样、电压显示等功能。主要来说，系统由模拟信号调理电路、A/D转换电路、按键输入电路、单片机控制系统、LCD显示系统等几个模块组成。对于求输入电压的有效值,目前常用的方法是采用RMSDC的方法，即用集成电路直接把交流信号变成直流输出，然后对直流输出信号进行处理，比如采用A/D公司的AD536A真有效值转换芯片。这种方法测量范围窄、精度低、转换芯片价格高、功能单一。还有采用直接对交流信号进行整流的方法来实现直流变换的，价格便宜，但是精度更低，很难满足实际应用中的要求。而且题目中要求要将输入电压的信号变化曲线描绘在点阵型液晶中，这很明显的告诉我们必须建立一个数据采集系统。因此，我们决定用数据采集的思想来完成。

2.2 系统工作原理

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首先，输入的电压信号经过衰减电路的衰减后送入到输入电压信号迁移电路，使电压信号转化成AVR单片机内部AD转换器能够处理的信号。

然后再将处理完成的信号送入到ATMEGA128单片机内部自带的AD转换器中去，启动AD转换器进行转换，将其转换得到的数字信号数据送入到单片机中。然后编程控制单片机，对转换得到信号进行计算处理，得到我们需要的各个测量的参数。

最后将计算所得到的数据通过外部显示模块LCD1602将其显示出来，并且利用点阵型LCD12864显示模块实时显示输入的电压信号的波形曲线。

2.3 方案选择

2.3.1单片机选择

方案一： 选用51系列单片机。51系列单片机目前得到广泛使用，如89S51它除了89C51所具有的优点外，还具有可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。当与其它型号单片机相比时，AT89S51八位单片机的价格便宜，再者编程方便。编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟，这对于在网上查找相关资料和在图书馆查找相关资料时非常方便的。但本系统是个多信息处理的复杂程序控制系统，需要占用大量的硬件资源，89S51单片机中的资源在此就显得相当紧张，将对整个系统的性能产生很大的影响。

方案二：选用AVR系列单片机。AVR单片机是高速单片机，硬件采用哈佛(Harward)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令；它支持程序的在系统编程ISP，开发门槛较低，性价比高；有丰富的外设，如RTC、 WATCHDOG、 AD 转换器、PWM、UART接口等，部分型号还可以使用片内振荡器提供系统1～8 MHz的系统时钟,使该类单片机无外加晶振器件即可工作；I/O口功能强、驱动能力大，I/O口有输入/输出、三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能, 工业级产品，具有大电流(灌电流)10～40 mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器, 节省了外围驱动器件；具有较大容量EEPROM，可擦写10万次的EEPROM,为掉电后数据的保存带来方便,来电后能记住掉电时的工作状态.加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。根据题目要求，综合考虑上述方案，我们选用ATMEGA128单片机作主控芯片。

2.3.2 AD转换模块

方案一：外接一AD转换芯片，利用单片机对其进行控制。采样得到数据，然

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