基于PC的數字電壓表設計

新型數字電壓表的整機設計

該新型數字電壓表測量電壓類(lèi)型是直流，測量范圍是-5～+5V。整機電路包括：數據采集電路的單片機最小化設計、單片機與PC接口電路、單片機時(shí)鐘電路、復位電路等。下位機采用AT89S51芯片，A/D轉換采用AD678芯片。通過(guò)RS232串行口與PC進(jìn)行通信，傳送所測量的直流電壓數據。整機系統電路如圖1所示。

數據采集電路的原理

在單片機數據采集電路的設計中，做到了電路設計的最小化，即沒(méi)用任何附加邏輯器件做接口電路，實(shí)現了單片機對AD678轉換芯片的操作。

AD678是一種高檔的、多功能的12位ADC，由于其內部自帶有采樣保持器、高精度參考電源、內部時(shí)鐘和三態(tài)緩沖數據輸出等部件，所以只需要很少的外部元件就可以構成完整的數據采集系統，而且一次A/D轉換僅需要5ms。

在電路應用中，AD678采用同步工作方式，12位數字量輸出采用8位操作模式，即12位轉換數字量采用兩次讀取的方式，先讀取其高8位，再讀取其低4位。根據時(shí)序關(guān)系，在芯片選擇/CS=0時(shí)，轉換端/SC由高到低變化一次，即可啟動(dòng)A/D轉換一次。再查詢(xún)轉換結束端/EOC，看轉換是否已經(jīng)結束，若結束則使輸出使能/OE變低，輸出有效。12位數字量的讀取則要控制高字節有效端/HBE，先讀取高字節，再讀取低字節。整個(gè)A/D操作大致如此，在實(shí)際開(kāi)發(fā)應用中調整。

    
                                          圖1 數字電壓表的電路圖

由于電路中采用AD678的雙極性輸入方式，輸入電壓范圍是-5～+5V，根據公式Vx=10(V)/4096*Dx，即可計算出所測電壓Vx值的大小。式中Dx為被測直流電壓轉換后的12位數字量值。

RS232接口電路的設計

AT89S51與PC的接口電路采用芯片Max232。Max232是德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2個(gè)驅動(dòng)器、2個(gè)接收器和1個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。Max232芯片起電平轉換的功能，使單片機的TTL電平與PC的RS232 電平達到匹配。

串口通信的RS232接口采用9針串口DB9，串口傳輸數據只要有接收數據針腳和發(fā)送針腳就能實(shí)現：同一個(gè)串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線(xiàn)相連，兩個(gè)串口相連或一個(gè)串口和多個(gè)串口相連。在實(shí)驗中，用定時(shí)器T1作波特率發(fā)生器，其計數初值X按以下公式計算：

    波特率= *(T1的溢出率)

              =*

串行通信波特率設置為1200b/s，而SMOD=1，fosc=6MHz，計算得到計數初值X=0f3H。在編程中將其裝入TL1和TH1中即可。

為了便于觀(guān)察，當每次測量電壓采集數據時(shí)，單片機有端口輸出時(shí)，用發(fā)光二極管LED指示。

軟件編程

軟件程序主要包括：下位機數據采集程序、上位機可視化界面程序、單片機與PC串口通信程序。單片機采用C51語(yǔ)言編程，上位機的操作顯示界面采用VC++6.0進(jìn)行可視化編程。在串口通信調試過(guò)程中，借助“串口調試助手”工具，有效利用這個(gè)工具為整個(gè)系統提高效率。

單片機編程

下位機單片機的數據采集通信主程序流程如圖2所示、中斷子程序如圖3所示、采集子程序如圖4所示。單片機的編程仿真調試借助WAVE2000仿真器，本系統有集成的ISP仿真調試環(huán)境。

     
                                     圖2 單片機采集通信主程序

在采集程序中，單片機的編程操作要完全符合AD678的時(shí)序規范要求，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，要不斷加以調試。最后將下位機調試成功而生成的.bin文件固化到AT89S51的Flash單元中。

                        
                             圖3 中斷服務(wù)子程序             圖4 采集子程序

人機界面編程

打開(kāi)VC＋＋6.0，建立一個(gè)基于對話(huà)框的MFC應用程序，串口通信采用MSComm控件來(lái)實(shí)現。其他操作此處不贅述，編程實(shí)現一個(gè)良好的人機界面。運行VC++6.0編程實(shí)現的Windows程序，整個(gè)樣機功能得以實(shí)現。

功能結果

根據上面所述工作原理及實(shí)施方案，在實(shí)踐中很好地實(shí)現了整個(gè)樣機的功能，各項指標達到了預先的設計要求。電路工作穩定，每次測量均伴有LED發(fā)光指示，可視化界面顯示也正常。

AD678轉換精度是12位，它的分辨率為1/4096。這為整機系統的高精度提供了保障。為了提高測量精度，運用了AD678自帶的校準電路，這樣使其A/D轉換精度更高。在實(shí)際測量中，整機測量精度達到了0.8%。