第一章  绪 论1.1 课题研究的背景及意义

数字电压表的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一，而高准度的DC-DVC的出现，又使数字电压表进入了精密标准测量领域。随着现代化技术的不断发展，数字电压表的功能和种类将越来越强，越来越多，其使用范围也会越来越广泛。采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势，它们将不仅能提高测量准确度，而且能提高电测量技术的自动化程序，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。从而提高计量检定人员的工作效率。

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。目前实现电压数字化测量的方法仍然是模—数（A/D）转换的方法。数字电压表分类繁多，日常生活中一般根据原理的不同进行分类，大致分为：比较式，电压—时间变换式，积分式等。

1.2 国内外研究现状和发展            

数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM,它出现在上世纪50年代初，60年代末发张起来的电压测量仪表，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。显示出强大的生命力。

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，它不仅保持了比较是准确度高的优点，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。数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。

数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点,它们适合在现场做手工测量,要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理,传统数字电压表是无法完成的。然而基于PC通信的数字电压表,既可以完成测量数据的传递,又可借助PC,做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上,都具有传统数字电压表无法比拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的前景。

1.3 本文的研究内容

本设计是基于单片机AT89S52的数字电压表系统,系统具有精度高、速度快、性能稳定、电路简单且工作可靠等特点, 具有很好的使用价值。这个设计的目的和意义在于使自己掌握数字电压表的工作原理，自己动手设计数字电压表与仿真。设计的数字电压表可广泛应用于电压测量以及通过其它变换器还可以测量其他电量和非电量。数字电压表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。所示我们要学习和掌握如何设计数字电压表就显得十分重要。

在本次毕业设计时，我大量用到了所学的内容。涉及知识面广，应用性强是本次设计的核心特点。通过自己的动手能力和钻研精神将课本知识运用到实践中来，虽然在设计上或者功能实现上存在不足，但最重要的是一种锻炼，培养一种理论与实践相结合的能力，希望能对将来步入社会奠定基础，实现自己人生价值！

第二章  系统分析与设计方案2.1 系统分析

利用MCS-51系列单片机对整个系统进行总体控制，采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一，精度低，不能满足数字化时代的需求采用单片机的数字电压表，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已经被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测量系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。

2.1.1 功能及指标

本次设计要具体目标如下：

1）分为三档量程：0～5V，0～10V，0～20V；

2）测量最小分辨率：0.02V；

3）自动选择量程；

4）采用字符液晶LCD1602显示。

2.2 系统总体方案设计
2.2.1 方案设计的基本思路

设计主要采用AT89S52单片机芯片和ADC0804模/数转换芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0V～20V的模拟直流电压进行测量，并通过LCD1602进行显示，测量误差约为0.02 V。设计电路主要通过ADC0804芯片的模拟电压输入端输入的0V～20V的模拟量电压，产生相应的数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89S52芯片的P0口。该电压表的测量电路主要由四个模块组成：A/D转换模块、数据处理及控制模块、量程转换模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片ADC0804来完成，主要负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块，数据处理则由单片机AT89S52来完成，其负责把ADC0804传送来的数字量经数据处理后，产生相应的显示码送到显示模块进行显示，量程转换模块主要由继电器和分压电阻组成，由单片机控制继电器切换衰减倍数来实现量程转换，显示模块主要由LCD1602组成，实时显示测量到的电压值。

2.2.2 数字电压表的两种设计方案

设计数字电压表有多种的设计方法，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分不一致，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，需要测量的模拟电压范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。

方案一：由数字电路及芯片构建。

这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案设计的优点是设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展。

方案二：由单片机系统及A/D转换芯片构建。

这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模/数（A/D）转换芯片的基准电压源，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模/数（A/D）转换芯片将被被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件