直流数字电压表设计

摘 要
本设计利用STC15F2K60S2单片机的A/D转换功能设计一个直流数字电压表，由A/D转换、数据处理及显示控制等组成，测量0-5V范围内的输入电压值，并由4位共阴8段数码管扫描显示，最大分辨率0.01V，误差在0.05V范围内。

关键词：数字电压表；STC15F2K60S2；共阴数码管

目 录
一、数字电压表简介 5
二、数字电压表设计方案论证及选择 5
1．主控芯片 5
2．显示部分 5
三、电路设计原理 6
四、主要元器件的介绍 6
1．STC15F2K60S2单片机介绍 6
2．TL431芯片介绍 7
3．四位共阴数码管简介 8
4．74HC595芯片介绍 8
5．数模转换功能的介绍 8
五、部分电路介绍 10
1．电源模块 10
2．TL431基准电压模块 10
3．数码管显示模块 11
六、系统软件设计 11
七、设计总原理图 13

一、数字电压表简介
数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM。它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。采用单片机的数字电压表由于测量精度高、速度快，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。
数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。
二、数字电压表设计方案论证及选择
主要设计方框图如下：

图1 设计方框图
1．主控芯片
方案1：选用专用转化芯片INC7107实现电压的测量和实现，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是转换的精度低，内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。
方案2：选用单片机STC15F2K60S2及内部集成的A/D转换功能实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵。优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。
基于课程设计的要求和实验室能提供的芯片，本设计选用方案2。
2．显示部分
方案1：选用四个单体的共阴数码管。优点是价格比较便宜。缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。
方案2：选用一个四联的共阴极数码管。优点是便于控制，价格低廉，焊接简单。
因而本设计选用方案2显示数据。
三、电路设计原理
本设计使用STC15F2K60S2的P1.3做ADC采集外部电压通道，使用外部TL431基准计算外部电压。模拟电压经过档位切换到不同的分压电路筛减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换。然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到四位共联数码管中显示。本设计包括电源模块，按键模块，1.27V 掉电检测模块，TL431基准电压模块，和数码管显示模块实现外部电压采集。原理框图