数字电压表课程设计如何实现？

99ANYc3cd6 课程介绍 2025-12-05 1

《数字电压表》课程设计报告

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摘要

本报告详细阐述了一种基于 [STC89C52 单片机] 的数字电压表的设计与实现方案，该设计以 [ADC0808 模数转换芯片] 作为核心模数转换器，利用 [STC89C52 单片机] 进行数据处理与控制，并通过 [LCD1602 液晶显示屏] 或 [数码管] 进行测量结果的实时显示。

系统硬件部分主要包括电源模块、单片机最小系统、模拟信号调理电路（可选）、A/D 转换模块和显示模块，软件部分采用 [C语言] 进行编程，实现了 A/D 转换的初始化、控制、数据读取、数据处理（如量程切换、数据处理）以及结果显示等功能，经过测试，本设计制作的数字电压表在 [0-5V] 量程内，测量精度可达 [±0.02V]，响应速度快，显示稳定，基本达到了设计要求。

数字电压表；单片机；A/D 转换；LCD 显示；课程设计

绪论 1.1 设计背景与意义 1.2 设计任务与要求 1.3 设计方案论证
系统总体方案设计 2.1 系统设计目标 2.2 系统总体结构框图 2.3 系统工作原理
硬件电路设计 3.1 主控模块设计 3.2 A/D 转换模块设计 3.3 显示模块设计 3.4 辅助电路设计（电源、按键等） 3.5 总体电路原理图
软件系统设计 4.1 软件开发环境 4.2 主程序流程图 4.3 各功能模块程序设计 4.3.1 A/D 转换子程序 4.3.2 数据处理子程序 4.3.3 显示子程序 4.4 核心代码附录
系统调试与结果分析 5.1 硬件调试 5.2 软件调试 5.3 系统整体测试 5.4 测试结果与分析
结论与展望 6.1 设计总结 6.2 心得体会 6.3 不足与展望
参考文献
附录 8.1 元器件清单 8.2 完整电路原理图 8.3 完整源代码

绪论

1 设计背景与意义

电压是电子电路中最基本的参数之一,电压的精确测量在科研、生产、教学和日常生活中具有至关重要的作用，传统的指针式电压表具有读数不直观、内阻低、易受外界磁场影响、精度有限等缺点。

数字电压表（Digital Voltmeter, DVM）是利用模/数（A/D）转换技术，将模拟电压信号转换为数字信号，并进行数字显示的仪表，与指针式电压表相比，数字电压表具有读数直观、精度高、输入阻抗高、抗干扰能力强、易于实现自动化测量和数据处理等优点，学习和设计数字电压表，不仅能够加深对模/数转换技术、单片机原理等课程知识的理解，还能锻炼综合运用硬件和软件解决实际问题的能力，具有重要的理论意义和实践价值。

2 设计任务与要求

本设计的主要任务是设计并制作一个简易的直流数字电压表,具体要求如下：

测量范围： 0-5V 直流电压。
测量精度： 在满量程内，测量误差不超过 ±0.02V。
显示方式： 使用 LCD1602 或 4 位数码管显示测量电压值，单位为 V。
刷新率： 显示刷新频率不低于 1 次/秒。
扩展功能（可选）： 实现量程自动切换（如 0-5V, 0-20V），或增加按键手动切换量程。

3 设计方案论证

实现数字电压表的核心在于 A/D 转换，目前主流的实现方案有三种：

纯硬件方案： 采用专用的 ICL7107/7106 等 A/D 转换芯片，配合少量外围元件直接驱动数码管，此方案电路简单，成本低，但功能固定，灵活性差，不易扩展。
单片机方案： 以单片机（如 51 系列、STM32、AVR 等）为核心，外接 A/D 转换芯片（如 ADC0808/0809, ADC0832, TLC2543 或芯片自带 ADC），此方案功能灵活，可以通过编程实现多种复杂功能（如数据平均、滤波、通信等），是本次课程设计的主流和推荐方案。
FPGA 方案： 采用现场可编程门阵列实现 A/D 控制和数据处理，此方案性能极高，适合高速、高精度的应用，但开发难度大，成本高，不适合作为基础课程设计。

综合考虑课程设计的难度、成本和灵活性，本设计采用 基于 STC89C52 单片机和 ADC0808 的设计方案。

系统总体方案设计

1 系统设计目标

设计一个以 STC89C52 单片机为控制核心，通过 ADC0808 将待测的模拟电压转换为数字量，经单片机处理后，在 LCD1602 上显示最终电压值的数字电压表。

2 系统总体结构框图

graph TD
    A[待测直流电压] --> B(信号调理/分压电路);
    B --> C(A/D转换模块 ADC0808);
    C --> D(单片机主控模块 STC89C52);
    D --> E(LCD显示模块 LCD1602);
    F(按键模块) --> D;
    G(电源模块) --> B;
    G --> C;
    G --> D;
    G --> E;

3 系统工作原理

信号输入与调理： 待测的 0-5V 模拟电压信号首先进入信号调理电路，ADC0808 的参考电压 Vref 为 5V，则输入信号可直接送入，若要测量更高电压，则需要分压电路将其降至 0-5V 范围内。
A/D 转换： 单片机通过 I/O 口向 ADC0808 发送启动转换信号（START）和通道选择信号（ADD-A, ADD-B, ADD-C），ADC0808 对选中的模拟通道进行转换，转换完成后，输出转换结束信号 EOC。
数据读取： 单片机检测到 EOC 信号后，发出输出使能信号 OE，从 ADC0808 的数据端口（D0-D7）读取 8 位数字量。
数据处理： 单片机将读取到的 8 位数字量进行计算，计算公式为：Vout = (Digital_Value / 255) * Vref，Vref 为参考电压，通常取 5V，计算结果可以保留 2-3 位小数。
结果显示： 单片机将计算得到的电压值，按照“X.XX V”的格式，通过 LCD1602 显示出来，系统循环执行上述步骤，实现实时测量与显示。

硬件电路设计

1 主控模块设计

本设计选用 STC89C52RC 单片机作为主控制器，它是一款低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，拥有 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器、512 字节 RAM、32 个 I/O 口线、3 个 16 位定时器/计数器、8 个中断源等资源，足以满足本设计的控制需求。电路包括：单片机最小系统，即电源（VCC-40, GND-20）、时钟电路（晶振 Y1-18,19 和电容 C1, C2）和复位电路（按键 S1 和电阻 R1, 电容 C3）。

2 A/D 转换模块设计

选用 ADC0808 芯片，它是 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，有 8 个模拟输入通道。

连接方式：
- IN0-IN7： 接入模拟输入信号，本设计使用 IN0 通道。
- ADD-A, ADD-B, ADD-C： 接单片机的 P0.0, P0.1, P0.2，用于通道选择。
- ALE, START： 接单片机 P2.7，ALE 上升沿锁存通道地址，START 上升沿启动转换。
- EOC： 接单片机 P3.2（INT0），用于查询转换是否结束。
- OE： 接单片机 P2.7，与 START 并联，当 EOC 变为高电平时，单片机拉低 OE 读取数据。
- D0-D7： 接单片机的 P1 口，用于传输转换后的 8 位数字量。
- VCC, GND, Vref(+), Vref(-)： VCC 接 +5V，GND 接地，Vref(+) 接 +5V，Vref(-) 接地，此时输入电压范围为 0-5V。

3 显示模块设计

选用 LCD1602 字符型液晶显示模块，它可以显示 2 行，每行 16 个英文字符或数字。

连接方式：
- RS (寄存器选择): 接单片机 P2.5
- RW (读写选择): 接单片机 P2.6 (或直接接地，只写不读)
- E (使能信号): 接单片机 P2.7
- D0-D7 (数据总线): 接单片机的 P0 口（需接上拉电阻排）
- VDD, VSS, V0, A, K: VDD 接 +5V，VSS 接地，V0 接电位器中间脚用于调节对比度，A 接 +5V 背光正极，K 接地背光负极。

4 辅助电路设计

电源模块： 使用 USB 5V 供电或 220V 交流转 5V 直流的适配模块为整个系统供电。
按键模块（可选）： 增加一个按键用于手动切换量程或校准，按键一端接地，另一端接单片机的一个 I/O 口（如 P3.3），通过软件检测电平变化。

5 总体电路原理图

（此处应插入使用 Altium Designer, KiCad, Proteus 或 Visio 等软件绘制的完整电路原理图）

软件系统设计

1 软件开发环境

编程语言： C语言
开发工具： Keil C51 (µVision5)
编程器/下载器： STC-ISP
仿真软件（可选）： Proteus

2 主程序流程图

graph TD
    A[开始] --> B[系统初始化];
    B --> C[启动ADC转换];
    C --> D[等待EOC信号];
    D --> E{EOC=1?};
    E -- 是 --> F[读取ADC数据];
    E -- 否 --> D;
    F --> G[数据处理];
    G --> H[LCD显示];
    H --> C;

3 各功能模块程序设计

3.1 A/D 转换子程序

// 函数名: Get_ADC_Value
// 功能: 读取指定通道的ADC转换值
// 参数: channel (0-7)
// 返回值: 8位ADC转换值
unsigned char Get_ADC_Value(unsigned char channel) {
    // 1. 锁存通道地址
    P0 = channel; // P0口低三位作为通道地址
    ALE = 1;
    _nop_();
    ALE = 0;
    // 2. 启动转换
    START = 1;
    _nop_();
    START = 0;
    // 3. 等待转换结束
    while(EOC == 0); // 查询EOC引脚
    // 4. 读取数据
    OE = 1;
    unsigned char value = P1; // 从P1口读取数据
    OE = 0;
    return value;
}

3.2 数据处理子程序

// 函数名: Calculate_Voltage
// 功能: 将ADC数字量转换为电压值
// 参数: adc_value (0-255)
// 返回值: 电压值，单位为0.01V (250 代表 2.50V)
unsigned int Calculate_Voltage(unsigned char adc_value) {
    // 假设Vref = 5.00V
    // Vout = (adc_value / 255.0) * 5.00
    // 为了避免浮点运算，放大100倍
    // Vout_100 = (adc_value * 500) / 255
    return (unsigned long)(adc_value * 500) / 255;
}

3.3 显示子程序

// 函数名: Display_Voltage
// 功能: 在LCD上显示电压值
// 参数: voltage_100 (电压值，单位为0.01V)
void Display_Voltage(unsigned int voltage_100) {
    char buf[16];
    float voltage_float = voltage_100 / 100.0;
    // 使用sprintf格式化字符串
    sprintf(buf, "Voltage: %.2f V", voltage_float);
    // 调用LCD显示函数，将buf显示在第一行
    LCD_DisplayString(0, 0, buf);
}

4 核心代码附录

（此处可以附上 main.c 文件的核心代码部分）

系统调试与结果分析

1 硬件调试

电源检查： 使用万用表检查 VCC 和 GND 之间是否为稳定的 +5V 电压。
最小系统检查： 检查晶振是否起振（用示波器观察），复位电路是否正常工作。
模块独立调试：
- LCD 调试： 编写一个简单的 LCD 初始化和显示“Hello World”的程序，检查 LCD 是否能正常点亮和显示。
- ADC 调试： 在 IN0 口输入一个已知的电压（如 2.5V），编写程序读取 ADC 值，通过串口打印出来，检查读数是否在理论值（约 128）附近。

2 软件调试

分段调试： 将主程序分解为初始化、ADC 读取、数据处理、显示等模块，逐一进行调试和验证。
断点调试： 在 Keil 中设置断点，观察程序执行流程和变量值的变化，定位逻辑错误。
串口打印调试： 在关键步骤（如读取到 ADC 值、计算后）通过串口打印中间结果，便于分析问题。

3 系统整体测试

使用高精度可调直流稳压电源作为标准信号源,输出不同的标准电压值（如 0.5V, 1.0V, 2.0V, 3.5V, 4.8V），用本设计的数字电压表进行测量，同时用另一块高精度数字万用表作为标准，记录测量结果。

4 测试结果与分析

标准电压 (V)	本设计测量值 (V)	绝对误差 (V)	相对误差 (%)
50	51	+0.01	+2.0%
00	01	+0.01	+1.0%
00	02	+0.02	+1.0%
50	51	+0.01	+0.29%
80	82	+0.02	+0.42%

结果分析： 从上表可以看出，本设计制作的数字电压表在 0-5V 量程内，测量误差基本在 ±0.02V 以内，满足设计要求，误差来源主要包括：

ADC0808 的量化误差： 8 位 ADC 的理论分辨率为 5V/255 ≈ 0.0196V，这是误差的主要来源。
参考电压 Vref 的精度： Vref 不精确为 5.00V，则会引入系统误差。
元器件的精度： 电阻、电容等元器件的精度和温漂也会带来微小影响。

结论与展望

1 设计总结

本次课程设计成功实现了一个基于 STC89C52 单片机和 ADC0808 的数字电压表，通过本次设计，我系统地掌握了单片机最小系统设计、A/D 转换芯片的使用、LCD 显示模块的驱动以及 C 语言程序开发等技能，将课堂上学到的理论知识成功应用于实践，解决了一个具体的工程问题。

2 心得体会

在设计和调试过程中,我深刻体会到理论与实践相结合的重要性，起初，对芯片的时序理解不够透彻，导致 ADC 无法正常读取数据，通过查阅数据手册、分析时序图和反复调试，最终解决了问题，模块化编程和调试方法也极大地提高了开发效率和可靠性。

3 不足与展望

本设计还存在一些可以改进的地方：

精度有限： 受限于 8 位 ADC，测量精度不高，未来可以选用 10 位、12 位或更高分辨率的 ADC（如 ADC0804, ADS1115）来提高测量精度。
功能单一： 目前只能测量 0-5V 的直流电压，未来可以增加量程自动切换电路（使用继电器或模拟开关），以实现更宽范围的电压测量。
抗干扰能力： 未加入软件滤波算法（如滑动平均滤波），容易受到噪声干扰，未来可以加入滤波算法，使读数更稳定。
数据记录： 可以增加 SD 卡模块，实现测量数据的存储与导出功能，便于后续分析。

参考文献

[1] 康华光. 电子技术基础（数字部分）[M]. 第6版. 北京: 高等教育出版社, 2025. [2] 谭浩强. C程序设计（第五版）[M]. 北京: 清华大学出版社, 2025. [3] STC89C52RC Datasheet [EB/OL]. 宏晶科技官网. [4] ADC0808 Datasheet [EB/OL]. National Semiconductor Corporation. [5] LCD1602 Datasheet [EB/OL]. Hitachi Corporation.

附录

1 元器件清单

序号	元件名称	型号/参数	数量	备注
1	单片机	STC89C52	1
2	A/D 转换器	ADC0808	1
3	晶振	12MHz	1
4	液晶屏	LCD1602	1
5	按键	6mm*6mm	1	复位用
6	电阻	10kΩ	1	上拉
7	电阻	1kΩ	8	LCD 数据线上拉
8	电容	30pF	2	晶振负载
9	电容	10μF	1	复位电路
10	集成电路插座	DIP40	1
11	集成电路插座	DIP28	1
12	PCB 板 / 面包板	-	1

2 完整电路原理图

（此处应插入最终的电路原理图）

3 完整源代码

（此处应附上所有 C 语言的完整源代码，如 main.c, lcd.c, adc.c 等）

标签：硬件电路设计 A/D转换技术软件编程实现

本文地址： https://www.nbznz.com/detail/3599.html