简易数字电压表的两种实现方式（单片机与模数转换器）

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本项目我们将展示如何用用8051单片机来设计一个数字电压表，并解释它的工作原理。电压表是一个测试仪器，工程师用它来检测电路网络中两间之间的电平差。电压表一般有两种，一种是模拟电压表，一种是数字电压表。

模拟电压表中指针的移动来代表电压的变化。数字电压表可以直接以数字的方式来显示，这都要归功于模数转换器。本文将为你解释两种设计数字电压表的方法1）8051单片机 2）ICL7017（Intersil的模数转换器）。

8051单片机制作的数字电压表

该项目可以测量0到25V的输入电压。这其中的输入电压应为直流电压，这样才能在LCD上显示准确的输出。如果输入交流电压的话，那么LCD上的电压值会不断变化。

该项目的主心骨是8051单片机，加上一个电压传感器模块和ADC ADC0804。这个项目中，我们用的是模数转换来显示电压。

模数转换

真实世界中我们获得的是模拟数据。为了让这些数据用数字系统显示，我们需要将模拟数据转换为数字数据，这样单片机才能识别并处理数据。

1.传感器：传感器又叫换能器，可以将某个物理量转换为电能。光敏电阻，温度传感器，湿度传感器，气体传感器等，都是典型的换能器。

2.ADC（模数转换器）：ADC将输入电压转换为数字值。

3.数字系统：该系统读取输入数据然后将物理量显示在LCD上。

ADC会负责将输入电压值转换为数字值。8051单片机读取该数字值并将其显示在LCD上。

8051单片机的数字电压表电路图

电路元件

AT89C51单片机

ADC0804

25V电压传感器

AT89C51的烧录工具

可调电阻（展示用）

DC适配器或电池

8051单片机制作的数字电压表设计原理

以上电路中，模数转换器的数据引脚连接P2。LCD的数据引脚则连接P3，控制引脚RS和EN分别连接到P1.6和P1.7。

ADC0804

这是一个8位模数转换器。该IC使用了逐次逼近法（SAR）来将模拟量转换为数字量。但它一次只能输入一个模拟量。该IC的步长则会根据引脚9的参考电压值而改变。如果该引脚留空的话，则VCC为参考电压。

当步长为5V时，输入电压每增加19.53mV，输出则增加1。转换时间则取决于IC的时钟源。

ADC的特点

0到5V的模拟电压输出

内置时钟生成器

异步模拟输入

可调参考电压

以上电路图中，引脚9（Vref/2）留空，所以输入电压的范围在0到5V间。

步长=Vref/(2的n次幂)

其中的n为分辨率，ADC0804的分辨率n=8。所以其数字输出值可以用以下公式计算。

Dout=Vin/步长

Vin为模拟输入电压

假设模拟输入电压为4V的话，那么数字输出为Dout=4/19.53mV=204

将模拟输入转换为数字量的步骤

1.从P2读取ADC值

#define dat P2

val=dat*0.02;

2.将该值乘以100后，可以获得一个3位正整数。

val1=val*100;

3.将数字包含小数点显示到LCD上。

temp=(((val1/100)%10)+48);

display(temp);

display(‘.’);

temp=(((val1/10)%10)+48);

display(temp);

temp=((val1%10)+48);

display(temp);

电压传感器

电压传感器模块是一个分压器网络，可以将ADC模拟输入的范围提高到25V左右。

代码

代码见底部附件

如何操作8051单片机的数字电压表

1.将程序烧写进AT89C51单片机里。

2.按电路图来对硬件进行连接。

3.将电池或任意电压源作为电压传感器的输入。

4.确保最大的模拟输入电压小于25V。

5.将一个万用表连到电压传感器的输入引脚。

6.为板子上电。

7.同时观察LCD和万用表，现在应该是显示同样的电压（或者是接近的电压），

8.如果可以的话，极可能缓慢改变模拟电压的输入。这样如果看到万用表和LCD都显示同样电压时，我们就可以认为该电压表已经正常工作了。

9.关闭电源。

8051数字电压表电路的应用

用于测量低压应用的电压

用于测量玩具电池

加以一些改进后可以测量某些物理量，比如温度、湿度和气体浓度等。

8051数字电压表电路的局限

模拟输入电压应处于0到5V之间

该系统一次只能测量一个模拟量

ICL7107制作的数字电压表

在无单片机的情况下也可以制作出电压表。以下是用ICL7017制作的电压表电路。

这里我们用模数转换器来设计一个低功率的3.5位A/D转换器，ICL7107内部有7段数码管解码器，显示驱动，一个参考电平和一个时钟。

使用该IC的优点在于可以直接驱动7段数码管而不需要其他外部解码电路。该电路可以测量200mV到2V之间的电压，且刻度为0.001V。

电路背后的原理

该电路的主要原理就是利用ICL7107的模数转换器特性。整个过程分为两个部分，模数转换和解码。

模数转换的过程是靠积分和参考积分完成的。换句话说，首先对输入信号进行积分以使积分器的输出达到斜坡信号，然后积分相反极性的参考电压以使积分器的输出归零。

由此获得的数字代码再由显示解码器解码，从而驱动并显示在数码管上。

ICL7107制作的数字电压表电路图

数字电压表电路是如何设计出来的

设计数字电压表需要合理地运用一下几个部分

1.振荡电路元件的选择：对典型的48kHz振荡频率来说，电阻应该选取100kΩ左右，电容在100pF左右。

2.参考电容：参考电容的值应该位于0.1uF到1uF之间。这里我们选取了0.5uF的电解电容。

3.自动调零电容：自动调零用的电容应处于0.01uF到1uF间，这里我们选取0.1uF的电容。

4.积分电容：积分电容是积分电路中至关重要的一部分。它的参数由积分周期t，合适的积分电流I和积分电压Vint决定。比如若周期为83ms，电流为4uA，电压为2V时，该电容的值应取0.16uF。此处我们选用一个0.22uF的电容。

5.积分电阻：电阻的值应由满量程的模拟电压以及合适的积分电流决定。在最大的输入电压2V下，我们选取一个500kΩ的电阻。

该数字电压表电路是如何运作的？

IC是由+/- 5V的双电源供电的。一旦电路上电后，参考信号则由参考电阻来调整。参考电压需要是输入电压的一般。振荡元件-电阻和电阻决定了设备的振荡或时钟频率。

参考电阻两端电压会变为参考电压。然后闭合反馈回路以对自动零电容器充电，从而补偿电压的任何波动。转换器将输入端的差分电压积分固定时间，使得积分器的输出为斜坡信号。

然后将已知的参考电压施加到积分器的输入端，并爬升至积分器的输出变为零。输出返回零所需的时间与输入信号成正比，数字读数如下：

数字读数 = （Vin/Vref）*1000

下一步包括解码数字度数并产生一个7段数码管可以识别的信号，这样才能驱动其显示。数字输出会出现在多路复用的数码管上。

IC数字电压表电路的应用

1.数字万用表中电压的测量。

2.测量交流和直流电压。

3.运用传感器电路与信号调理电路来测量物理量比如气压，温度，应力等。

4.可以用于需要高精确度和高分辨率的应用中。

IC数字电压表电路的局限

1.测量电压的量程有限。

2.所用IC是一个CMOS设备，所以静电干扰极大。

3.正负输入电压与参考电压的电压差会导致超量程翻转误差，比如共型误差。

4.输入使用满量程的负电压（-2V）有时会导致积分器输出饱和。

5.LED驱动的内部热量会导致性能衰减。

6.参考温度系数，芯片内部热量逸散以及包装热阻都会提高骚扰电平。