基于Proteus的数字电压表仿真设计

摘要：为了提高电压表的测量精度和性价比，提出了一种以AT89C51单片机为控制核心的，基于Proteus仿真技术的数字电压表设计方案。详细介绍了数字电压表的硬件电路设计和软件编程方法，并利用Proteus软件进行了仿真调试。结果表明，所设计的数字电压表结构简单，性价比高，并具有较高的测量精度；同时，也证明了Proteus仿真软件的运用，可以有效地缩短单片机系统的开发周期，降低开发成本。
关键词：数字电压表；Proteus；仿真设计；单片机

随着现代电子设计手段的迅速发展，EDA仿真技术也越来越多地应用于实际电路设计中。EDA技术通过先建立电路模型，然后将计算机仿真结果应用于实际电路设计中，这样既降低了成本，又缩短了研制周期。
Proteus是由英国Labcenter公司开发的一个嵌入式系统仿真与开发平台，是目前世界上最流行的EDA仿真软件之一。它具有模拟电路和数字电路仿真功能，支持主流单片机及其外围电路所组成系统的仿真；可以提供软件调试功能，支持与Keil、MPLAB等单片机开发环境的连接调试，并具有强大的原理图绘图等功能。
为了提高电压表的性价比和测量精度，本文以AT89C51单片机为控制核心，利用Proteus仿真技术实现了一种数字电压表的设计。通过该数字电压表的设计过程，也充分体现出Proteus软件在单片机控制系统的设计、调试过程中的实用性。

1 系统结构及工作原理
基于AT89C51单片机的数字电压表系统结构框图如图1所示。该数字电压表主要由AT89C51单片机、信号调理电路、A／D转换器、LED显示电路、电源电路、复位电路以及时钟电路等几部分组成。

端接高电平，系统无需扩展片外ROM。

2．1 LED显示电路
LED显示电路的主要功能是对系统处理后的电压值，及时进行显示。本设计选用4位一体的数码型LED显示器，并采用动态显示方式进行控制。该显示器的第2位(自左向右)用来显示电压的整数位，后两位用来显示电压的小数位。电路中，用AT89C51单片机的P0口来控制LED显示器的段码；用P2．0-P2．3引脚来控制LED显示器的位码。
2．2 A／D转换电路
A／D转换电路主要用来完成被测模拟量向数字量的转换。本系统选用ADC0808作为A／D转换器，它是一个CMOS单片型、逐次逼近式8位A／D转换芯片，可与微机直接接口，适用于过程控制和智能仪器等领域。该芯片可根据地址输入线ADDA、ADDB、ADDC的电平值，决定选通8路模拟输入信号IN0-IN7中哪一路进行转换；本电路将ADDA、ADDB、ADDC全部接地，选择IN0通道输入被测模拟电压。ADC0808的OUT1-OUT8端直接和单片机的P1口相连，作为A／D转换数据输出端。同时，ADC0808的控制端CLOCK、START和ALE、EOC及OE分别与AT89C51的P2．4-P2．7脚相连。
该硬件电路工作过程：+5 V电压经变阻器RV1分压后所获得的被测模拟电压由IN0通道输入ADC0808；AT89C51单片机通过定时器中断从P2．4引脚输出方波，给ADC0808的CLOCK端提供时钟信号。当给单片机的P2．5脚输出一个正脉冲，利用其下降沿可启动A／D转换，并由单片机P2．6脚检测A／D转换是否完成。当从P2．6脚检测到ADC0808的EOC端为高电平时，表明A／D转换结束，系统控制P2．7脚使ADC0808的输出允许控制端OE为高电平，允许单片机读取A／D转换数据；否则，继续等待。最后，系统把转换后的数据进行运算和处理，将段码从P0口送给四位LED，并控制P2．0-P2．3的取值，实现数码管的位选控制。

3 系统软件设计
整个系统软件设计主要包括主程序、数据采样子程序、数字滤波子程序、T0中断服务程序及显示子程序等几部分。
3．1 主程序
系统主程序流程图如图3所示。

主程序的功能如下：首先，完成系统初始化，包括设置堆栈及定时器T0的工作方式和定时初值，清理显示缓冲区；其次，启动定时器T0，允许系统总中断和T0中断；接着，调用数据采样子程序，对输入模拟电压进行多次采样和A／D转换，并调用数字滤波子程序，将滤波处理后的数据放入2AH单元中；然后，调用数据处理子程序，将2AH单元的内容进行一定处理，使得22H-20H单元中分别存放待显示数据的个位、十分位和百分位；最后，调用LED显示子程序，实现被测电压的实时显示。
3．2 数据采样子程序
为了提高采样精度，降低采样误差，系统设计了数据采样子程序。该程序的功能是对从IN0通道输入的模拟电压进行三次采样和A／D转换处理，并把采样数据分别存入2CH、2DH、2EH单元中；随后，调用数字滤波子程序，采用中值滤波法求取3次采样数据的中间值作为本次有效采样值，并放在2AH单元中，以便后续程序进行运算和处理。结合硬件电路设计，本系统数据采样子程序流程图如图4所示。