基于Proteus的數(shù)字電壓表仿真設(shè)計(jì)

摘要：為了提高電壓表的測(cè)量精度和性?xún)r(jià)比，提出了一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的，基于Proteus仿真技術(shù)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程方法，并利用Proteus軟件進(jìn)行了仿真調(diào)試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，并具有較高的測(cè)量精度；同時(shí)，也證明了Proteus仿真軟件的運(yùn)用，可以有效地縮短單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；Proteus；仿真設(shè)計(jì)；單片機(jī)

    隨著現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)手段的迅速發(fā)展，EDA仿真技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際電路設(shè)計(jì)中。EDA技術(shù)通過(guò)先建立電路模型，然后將計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，這樣既降低了成本，又縮短了研制周期。
    Proteus是由英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前世界上最流行的EDA仿真軟件之一。它具有模擬電路和數(shù)字電路仿真功能，支持主流單片機(jī)及其外圍電路所組成系統(tǒng)的仿真；可以提供軟件調(diào)試功能，支持與Keil、MPLAB等單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境的連接調(diào)試，并具有強(qiáng)大的原理圖繪圖等功能。
    為了提高電壓表的性?xún)r(jià)比和測(cè)量精度，本文以AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用Proteus仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。通過(guò)該數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)過(guò)程，也充分體現(xiàn)出Proteus軟件在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)字電壓表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該數(shù)字電壓表主要由AT89C51單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、LED顯示電路、電源電路、復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路等幾部分組成。

    數(shù)字電壓表工作原理如下：首先，系統(tǒng)將被測(cè)模擬電壓交給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行一定的處理(包括放大、濾波等操作)，使其電壓符合A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求；接著，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換將該模擬電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，并送入AT89C51單片機(jī)的P1口；然后，由系統(tǒng)軟件對(duì)該轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波及運(yùn)算和處理；最后，通過(guò)單片機(jī)的P0、P2口控制LED顯示電路進(jìn)行輸出電壓顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    基于Proteus的數(shù)字電壓表硬件電路設(shè)計(jì)主要包括LED顯示電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘和復(fù)位電路等幾部分，其硬件電路如圖2所示。電路設(shè)計(jì)時(shí)，使AT89C51單片機(jī)的端接高電平，系統(tǒng)無(wú)需擴(kuò)展片外ROM。

2．1 LED顯示電路
    LED顯示電路的主要功能是對(duì)系統(tǒng)處理后的電壓值，及時(shí)進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)選用4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，并采用動(dòng)態(tài)顯示方式進(jìn)行控制。該顯示器的第2位(自左向右)用來(lái)顯示電壓的整數(shù)位，后兩位用來(lái)顯示電壓的小數(shù)位。電路中，用AT89C51單片機(jī)的P0口來(lái)控制LED顯示器的段碼；用P2．0-P2．3引腳來(lái)控制LED顯示器的位碼。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路主要用來(lái)完成被測(cè)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用ADC0808作為A／D轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)CMOS單片型、逐次逼近式8位A／D轉(zhuǎn)換芯片，可與微機(jī)直接接口，適用于過(guò)程控制和智能儀器等領(lǐng)域。該芯片可根據(jù)地址輸入線(xiàn)ADDA、ADDB、ADDC的電平值，決定選通8路模擬輸入信號(hào)IN0-IN7中哪一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換；本電路將ADDA、ADDB、ADDC全部接地，選擇IN0通道輸入被測(cè)模擬電壓。ADC0808的OUT1-OUT8端直接和單片機(jī)的P1口相連，作為A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端。同時(shí)，ADC0808的控制端CLOCK、START和ALE、EOC及OE分別與AT89C51的P2．4-P2．7腳相連。
    該硬件電路工作過(guò)程：+5 V電壓經(jīng)變阻器RV1分壓后所獲得的被測(cè)模擬電壓由IN0通道輸入ADC0808；AT89C51單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器中斷從P2．4引腳輸出方波，給ADC0808的CLOCK端提供時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)給單片機(jī)的P2．5腳輸出一個(gè)正脈沖，利用其下降沿可啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，并由單片機(jī)P2．6腳檢測(cè)A／D轉(zhuǎn)換是否完成。當(dāng)從P2．6腳檢測(cè)到ADC0808的EOC端為高電平時(shí)，表明A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，系統(tǒng)控制P2．7腳使ADC0808的輸出允許控制端OE為高電平，允許單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；否則，繼續(xù)等待。最后，系統(tǒng)把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，將段碼從P0口送給四位LED，并控制P2．0-P2．3的取值，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位選控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、數(shù)據(jù)采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、T0中斷服務(wù)程序及顯示子程序等幾部分。
3．1 主程序
    系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

    主程序的功能如下：首先，完成系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置堆棧及定時(shí)器T0的工作方式和定時(shí)初值，清理顯示緩沖區(qū)；其次，啟動(dòng)定時(shí)器T0，允許系統(tǒng)總中斷和T0中斷；接著，調(diào)用數(shù)據(jù)采樣子程序，對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行多次采樣和A／D轉(zhuǎn)換，并調(diào)用數(shù)字濾波子程序，將濾波處理后的數(shù)據(jù)放入2AH單元中；然后，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，將2AH單元的內(nèi)容進(jìn)行一定處理，使得22H-20H單元中分別存放待顯示數(shù)據(jù)的個(gè)位、十分位和百分位；最后，調(diào)用LED顯示子程序，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓的實(shí)時(shí)顯示。
3．2 數(shù)據(jù)采樣子程序
    為了提高采樣精度，降低采樣誤差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采樣子程序。該程序的功能是對(duì)從IN0通道輸入的模擬電壓進(jìn)行三次采樣和A／D轉(zhuǎn)換處理，并把采樣數(shù)據(jù)分別存入2CH、2DH、2EH單元中；隨后，調(diào)用數(shù)字濾波子程序，采用中值濾波法求取3次采樣數(shù)據(jù)的中間值作為本次有效采樣值，并放在2AH單元中，以便后續(xù)程序進(jìn)行運(yùn)算和處理。結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣子程序流程圖如圖4所示。

3．3 T0中斷服務(wù)程序
    由于系統(tǒng)采用ADC0808作為A／D轉(zhuǎn)換器，該芯片正常工作時(shí)必須給CLOCK端輸入時(shí)鐘信號(hào)；為了簡(jiǎn)化硬件電路，將CLOCK端直接與AT89C51單片機(jī)的P2．4腳相連，這樣系統(tǒng)只需通過(guò)軟件控制P2．4腳輸出滿(mǎn)足ADC0808工作要求的時(shí)鐘信號(hào)即可。
    具體實(shí)現(xiàn)方法：在軟件設(shè)計(jì)中，使用定時(shí)器T0中斷，設(shè)置定時(shí)器T0工作在方式2，即自動(dòng)重裝初值的8位計(jì)數(shù)方式。這樣每隔一定時(shí)間系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生T0中斷，并響應(yīng)其中斷服務(wù)程序；所以，只需每次在中斷服務(wù)程序中給P2．4腳的輸出電平取反，即可獲得滿(mǎn)足輸出要求的方波信號(hào)。
    在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 MHz，使P2．4引腳輸出時(shí)鐘頻率為50 kHz的方波時(shí)，計(jì)算定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)初值X：
    定時(shí)時(shí)間=1／(2x50 kHz)=10μs
    計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)=定時(shí)時(shí)間／機(jī)器周期=10
    計(jì)數(shù)初值X=256-10=246
    則將246分別賦給初值寄存器TH0、TL0。

4 系統(tǒng)仿真
    對(duì)本系統(tǒng)方案的仿真研究，必須通過(guò)Proteus仿真軟件與Keil編程軟件的聯(lián)調(diào)才能得以實(shí)現(xiàn)。首先，在KeilμVision3軟件中，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)源程序，在新建項(xiàng)目中選擇AT89C51單片機(jī)作為CPU，再將編好的源程序加載到新建項(xiàng)目中，并進(jìn)行編譯、鏈接，最終生成．HEX文件。接著，在Proteus ISIS界面中編輯電路原理圖，如圖2所示；雙擊AT89C51，打開(kāi)屬性編輯框，在“Program File”欄中導(dǎo)入．HEX文件，并設(shè)置時(shí)鐘頻率為12 MHz。最后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)行軟硬件交互仿真。

    仿真時(shí)，在Proteus中用鼠標(biāo)指針調(diào)節(jié)電位器RV1的大小，用虛擬電壓表觀(guān)察輸入ADC0808的模擬電壓值，及LED實(shí)時(shí)顯示的相應(yīng)數(shù)量值。在此，給出輸入模擬電壓為3．5 V時(shí)的測(cè)試圖，如圖5所示；以及虛擬電壓表讀數(shù)和對(duì)應(yīng)LED顯示數(shù)據(jù)，如表1所示。

    從表1中虛擬電壓表的讀數(shù)和對(duì)應(yīng)LED顯示數(shù)據(jù)對(duì)比情況可知，所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表能準(zhǔn)確的測(cè)量和顯示電壓值，測(cè)量精度可達(dá)到0．01 V，系統(tǒng)仿真效果也達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，該數(shù)字電壓表還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    文中以AT89C51單片機(jī)為核心，采用Proteus仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。通過(guò)Proteus仿真軟件與Keil編程軟件的聯(lián)調(diào)，完成了系統(tǒng)方案的仿真研究；結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。在該數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)中，前期使用Prot eus軟件進(jìn)行了仿真研究，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，降低了設(shè)計(jì)成本；基于Proteus仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有一定通用性，也可用于其他單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中。