使用8051微控制器的數(shù)字電壓表

在這個項目中，我將展示如何使用8051單片機(jī)設(shè)計一個數(shù)字電壓表，并解釋其工作原理。電壓表是一種測量儀器，用于測量電網(wǎng)中兩點之間的電壓差。一般來說，有兩種類型的電壓表 - 一個是模擬電壓表，另一個是數(shù)字電壓表。

在模擬電壓表中，指針在刻度上移動以表示電壓。數(shù)字電壓表在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的幫助下，直接以數(shù)字顯示電壓。這篇文章解釋了如何用兩種方法設(shè)計數(shù)字電壓表：1）使用8051單片機(jī)；2）使用IC L7017。

使用8051單片機(jī)和電壓傳感器的數(shù)字電壓表 圖片1

使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表 

這個項目測量0V到25V的輸入電壓。在這里，輸入電壓應(yīng)該是直流電壓，以便在LCD上獲得準(zhǔn)確的輸出。如果你應(yīng)用交流電壓作為輸入，那么在LCD上會看到連續(xù)運行的數(shù)字，因為交流電壓不斷變化。

這個項目的主要部件是8051微控制器，一個電壓傳感器模塊和一個ADC IC ADC0804。在這個項目中，我們使用模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程來顯示電壓。

模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換

在現(xiàn)實世界中，我們大多發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)。為了使用數(shù)字系統(tǒng)處理這些數(shù)據(jù)，我們需要將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，這樣微處理器或微控制器就能理解和處理這些數(shù)據(jù)。

物理量與數(shù)字系統(tǒng)的銜接

換能器： 換能器或傳感器用于將物理量轉(zhuǎn)換為電能。光敏電阻、溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等都是傳感器的例子。

ADC（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器）： ADC將輸入的電氣電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

數(shù)字系統(tǒng)：該系統(tǒng)讀取輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并在LCD上顯示物理量，以便理解。

這里的ADC IC根據(jù)輸入的電電壓生成輸出的數(shù)字值。8051微控制器讀取這個數(shù)字值并顯示在LCD上。

使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表電路圖

AT89C51微控制器

ADC0804集成電路

25V電壓傳感器

AT89C51編程板

可變電阻(用于演示程序)

直流適配器或電池

使用8051單片機(jī)的數(shù)字電壓表電路設(shè)計

在上述電路中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC的數(shù)據(jù)位被連接到PORT2。LCD數(shù)據(jù)引腳連接到控制器的POTR3，控制引腳RS和EN分別連接到P1.6和P1.7。

ADC0804  

這是一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片使用逐次逼近法將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它只能接受一個模擬數(shù)據(jù)作為輸入。這個IC的步長是通過改變引腳9的參考電壓來改變的。如果這個引腳沒有連接，VCC將是參考電壓。

當(dāng)步長為5V時，輸入電壓每上升19.53mV，輸出就增加1個值。該芯片的轉(zhuǎn)換時間取決于時鐘源。

ADC特點

0到5V的模擬輸入電壓。

內(nèi)置的時鐘發(fā)生器。

差分式模擬輸入。

可調(diào)節(jié)的參考電壓。

下表顯示了不同參考電壓的不同步長。

在上面的電路圖中，第9針（Vref/2）是開放的，所以輸入電壓跨度可以是0到5V。

步長 = Vref/(2 pow(n))

其中n是分辨率。對于ADC0804，分辨率n=8。數(shù)字輸出可以用以下公式來計算

Dout = Vin/stepsize。

Vin - 模擬輸入電壓

 例如，假設(shè)模擬輸入電壓為4V，那么數(shù)字輸出為Dout=4/19.53mV=204。

將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入的步驟

從PORT2讀取ADC值。

#define dat P2

val=dat*0.02；

乘以100后，得到一個三位數(shù)的正整數(shù)值。

val1=val*100；

分開各個數(shù)字并在LCD上打印，包括小數(shù)點。

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

display(temp)；

display('.')；

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

display(temp)；

temp=((val1%10)+48)；

display(temp)；

電壓傳感器

電壓傳感器模塊是一個簡單的分壓器網(wǎng)絡(luò)，將ADC的模擬輸入范圍增加到25V左右。

將電壓傳感器與Arduino的電壓傳感器引腳連接起來

代碼

數(shù)字電壓表電路如何使用8051單片機(jī)工作？

首先將程序刻錄到at89c51單片機(jī)上。

現(xiàn)在按照電路圖給出連接。

在電壓傳感器的輸入端連接一個電池或任何電壓源。

確保最大的模擬輸入電壓應(yīng)小于25V DC。

在電壓傳感器的輸入端連接一個數(shù)字多用表。

現(xiàn)在打開電路板的電源。

現(xiàn)在觀察LCD和數(shù)字多用表，兩者都顯示相同的電壓（或非常相似的電壓）。

如果可能的話，試著慢慢改變模擬輸入電壓?，F(xiàn)在你可以觀察到萬用表和LCD顯示相同的電壓，這樣我們就可以說電壓表工作正常了。

關(guān)閉電路板上的電源。

數(shù)字電壓表電路應(yīng)用

該系統(tǒng)用于測量低電壓應(yīng)用中的電壓。

用于測量玩具電池。

我們可以用這個系統(tǒng)測量物理量，如溫度、濕度、氣體等，只需稍加修改。

數(shù)字電壓表電路的局限性

輸入的模擬電壓范圍應(yīng)該是0到5V。

使用這個系統(tǒng)，我們一次只能測量一個模擬輸入值。

使用ICL7107的數(shù)字電壓表電路

電壓表也可以在不使用任何微控制器的情況下設(shè)計。以下是使用L7017集成電路的電壓表電路

在這里，我們設(shè)計了一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，作為數(shù)字電壓表使用，該轉(zhuǎn)換器為低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，具有內(nèi)部7段解碼器，顯示驅(qū)動器，參考和時鐘。

一個優(yōu)點是這個IC可以直接驅(qū)動非復(fù)用的七段顯示器，而不需要任何外部解碼電路。該電路可以在200mV到2V的范圍內(nèi)測量電壓，間隔為0.001V。

電路背后的原理

這個電路是基于使用ICL7107作為模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的原理。整個操作分為兩個階段--模數(shù)轉(zhuǎn)換和解碼。

模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過積分和參考積分的過程完成的。換句話說，首先對輸入信號進(jìn)行積分，使積分器的輸出成為斜率信號，然后對一個相反極性的參考電壓進(jìn)行積分，使積分器的輸出回到零。

然后用顯示解碼器對得到的數(shù)字代碼進(jìn)行解碼，以驅(qū)動顯示單元。

使用ICL7107的數(shù)字電壓表電路圖

如何設(shè)計數(shù)字電壓表電路？

設(shè)計電路需要適當(dāng)?shù)剡x擇以下的元件：

振蕩電路元件的選擇：  對于48KHz的典型振蕩頻率，振蕩電阻被選擇為100K左右，電容為100pF左右。

參考電容： 參考電容器的值被選擇為0.1uF和1uF之間。這里我們選擇一個0.5uF的電解質(zhì)電容。

自動調(diào)零電容器： 自動調(diào)零電容器的選擇要使其值在0.01uF和1uF之間。這里我們選擇一個0.1uF的電容。

積分電容： 積分電容構(gòu)成了積分電路的一個重要部分。其值由積分周期t、最佳積分電流I和積分電壓Vint決定。對于83mSec的時間周期，4uA的電流和2V的電壓，電容的價值被認(rèn)為是大約0.16uF。這里選擇一個0.22uF的電容。

積分電阻： 這個電阻的值是由滿刻度模擬輸入電壓和最佳積分電流決定的。我們選擇一個500K的電阻，滿刻度的輸入電壓為2V。

如何操作數(shù)字電壓表電路？

該IC由一個+/-5V的雙電源供電。一旦電路通電，通過調(diào)整參考電阻來設(shè)置參考信號。參考電壓需要約為輸入電壓的一半。振蕩元件--電阻和電容決定了該設(shè)備的振蕩或時鐘頻率。

參考電容器被充電到參考電壓。然后，一個反饋回路被關(guān)閉，為自動調(diào)零電容器充電，以便補(bǔ)償電壓的任何波動。隨后，轉(zhuǎn)換器將輸入端的差分電壓在一個固定的時間內(nèi)進(jìn)行積分，這樣積分器的輸出就是一個斜率信號。

然后，一個已知的參考電壓被施加到積分器的輸入端，并允許其斜升，直到積分器的輸出變?yōu)榱恪］敵龌氐搅愕臅r間與輸入信號成正比，數(shù)字讀數(shù)為：：

顯示計數(shù)=（Vin/Vref）*1000。

下一個過程包括對數(shù)字計數(shù)進(jìn)行解碼，以產(chǎn)生一個七段兼容信號，從而驅(qū)動顯示器。然后，數(shù)字輸出被顯示在復(fù)用的7段顯示器上。

數(shù)字電壓表電路的應(yīng)用

該電路可用于數(shù)字萬用表，提供測量電壓的數(shù)字讀數(shù)。

它可以用來測量交流和直流電壓。

它可以用來測量物理量，如壓力、溫度、使用傳感器電路和信號調(diào)節(jié)電路的壓力。

它可以用于需要高精度和高分辨率的應(yīng)用中。

數(shù)字電壓表電路的局限性

它只能在低范圍內(nèi)測量電壓。

使用的集成電路是CMOS器件，具有高度的靜態(tài)性。

正負(fù)輸入電壓的參考電壓不同會導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)誤差，即共模誤差。

使用2V的滿刻度負(fù)輸入電壓有時會導(dǎo)致積分器的輸出飽和。

LED驅(qū)動器的內(nèi)部發(fā)熱會導(dǎo)致性能下降。

參考溫度系數(shù)、內(nèi)部芯片耗散和封裝熱阻往往會增加噪聲水平。