基于PC的数字电压表设计

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分析处理，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应用上，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。

新型数字电压表的整机设计

该新型数字电压表测量电压类型是直流，测量范围是-5～+5V。整机电路包括：数据采集电路的单片机最小化设计、单片机与PC接口电路、单片机时钟电路、复位电路等。下位机采用AT89S51芯片，A/D转换采用AD678芯片。通过RS232串行口与PC进行通信，传送所测量的直流电压数据。整机系统电路



如图1所示。

数据采集电路的原理

在单片机数据采集电路的设计中，做到了电路设计的最小化，即没用任何附加逻辑器件做接口电路，实现了单片机对AD678转换芯片的操作。

AD678是一种高档的、多功能的12位ADC，由于其内部自带有采样保持器、高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数据输出等部件，所以只需要很少的外部元件就可以构成完整的数据采集系统，而且一次A/D转换仅需要5ms。

在电路应用中，AD678采用同步工作方式，12位数字量输出采用8位操作模式，即12位转换数字量采用两次读取的方式，先读取其高8位，再读取其低4位。根据时序关系，在芯片选择/CS=0时，转换端/SC由高到低变化一次，即可启动A/D转换一次。再查询转换结束端/EOC，看转换是否已经结束，若结束则使输出使能/OE变低，输出有效。12位数字量的读取则要控制高字节有效端/HBE，先读取高字节，再读取低字节。整个A/D操作大致如此，在实际开发应用中调整。

图1 数字电压表的电路图
由于电路中采用AD678的双极性输入方式，输入电压范围是-5～+5V，根据公式Vx=10(V)/4096*Dx，即可计算出所测电压Vx值的大小。式中Dx为被测直流电压转换后的12位数字量值。

RS232接口电路的设计

AT89S51与PC的接口电路采用芯片Max232。Max232是德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。Max232芯片起电平转换的功能，使单片机的TTL电平与PC的RS232电平达到匹配。

串口通信的RS232接口采用9针串口DB9，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。在实验中，用定时器T1作波特率发生器，其计数初值X按以下公式计算：

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分析处理，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应用上，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。

新型数字电压表的整机设计

该新型数字电压表测量电压类型是直流，测量范围是-5～+5V。整机电路包括：数据采集电路的单片机最小化设计、单片机与PC接口电路、单片机时钟电路、复位电路等。下位机采用AT89S51芯片，A/D转换采用AD678芯片。通过RS232串行口与PC进行通信，传送所测量的直流电压数据。整机系统电路如图1所示。

数据采集电路的原理

在单片机数据采集电路的设计中，做到了电路设计的最小化，即没用任何附加逻辑器件做接口电路，实现了单片机对AD678转换芯片的操作。

AD678是一种高档的、多功能的12位ADC，由于其内部自带有采样保持器、高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数据输出等部件，所以只需要很少的外部元件就可以构成完整的数据采集系统，而且一次A/D转换仅需要5ms。

在电路应用中，AD678采用同步工作方式，12位数字量输出采用8位操作模式，即12位转换数字量采用两次读取的方式，先读取其高8位，再读取其低4位。根据时序关系，在芯片选择/CS=0时，转换端/SC由高到低变化一次，即可启动A/D转换一次。再查询转换结束端/EOC，看转换是否已经结束，若结束则使输出使能/OE变低，输出有效。12位数字量的读取则要控制高字节有效端/HBE，先读取高字节，再读取低字节。整个A/D操作大致如此，在实际开发应用中调整。


图1 数字电压表的电路图

由于电路中采用AD678的双极性输入方式，输入电压范围是-5～+5V，根据公式Vx=10(V)/4096*Dx，即可计算出所测电压Vx值的大小。式中Dx为被测直流电压转换后的12位数字量值。

RS232接口电路的设计

AT89S51与PC的接口电路采用芯片Max232。Max232是德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。Max232芯片起电平转换的功能，使单片机的TTL电平与PC的RS232电平达到匹配。

串口通信的RS232接口采用9针串口DB9，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。在实验中，用定时器T1作波特率发生器，其计数初值X按以下公式计算：

波特率=

*(T1的溢出率)
=

*

串行通信波特率设置为1200b/s，而SMOD=1，fosc=6MHz，计算得到计数初值X=0f3H。在编程中将其装入TL1和TH1中即可。

为了便于观察，当每次测量电压采集数据时，单片机有端口输出时，用发光二极管LED指示。

软件编程

软件程序主要包括：下位机数据采集程序、上位机可视化界面程序、单片机与PC串口通信程序。单片机采用C51语言编程，上位机的操作显示界面采用VC++6.0进行可视化编程。在串口通信调试过程中，借助“串口调试助手”工具，有效利用这个工具为整个系统提高效率。

单片机编程

下位机单片机的数据采集通信主程序流程如图2所示、中断子程序如图3所示、采集子程序如图4所示。单片机的编程仿真调试借助WAVE2000仿真器，本系统有集成的ISP仿真调试环境。



图2 单片机采集通信主程序
在采集程序中，单片机的编程操作要完全符合AD678的时序规范要求，在实际开发中，要不断加以调试。最后将下位机调试成功而生成的.bin文件固化到AT89S51的Flash单元中。





图3 中断服务子程序 图4 采集子程序
人机界面编程

打开VC＋＋6.0，建立一个基于对话框的MFC应用程序，串口通信采用MSComm控件来实现。其他操作此处不赘述，编程实现一个良好的人机界面。数字直流电压表的操作界面如图5所示。运行VC++6.0编程实现的Windows程序，整个样机功能得以实现。

功能结果

根据上面所述工作原理及实施方案，在实践中很好地实现了整个样机的功能，各项指标达到了预先的设计要求。电路工作稳定，每次测量均伴有LED发光指示，可视化界面显示也正常。




图5 数字电压表的人机界面
AD678转换精度是12位，它的分辨率为1/4096。这为整机系统的高精度提供了保障。为了提高测量精度，运用了AD678自带的校准电路，这样使其A/D转换精度更高。在实际测量中，整机测量精度达到了0.8%。