測控技術(shù)與儀器-明德學院-智能電壓表課程設計剖析23頁

1、智能電壓表課程設計摘要科學技術(shù)的發(fā)展為測量儀器、儀表提供了新原理和新技術(shù)以及新型的元、器體，同時又對測量儀表提出了更新、更高的要求。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)字電壓表；Proteus仿真目 錄摘要I第1章 引 言11.1課題的研究背景11.2課題的研究意義1第2章 相關(guān)概述12.1 AT89

2、C51簡介12.2 單片機最小系統(tǒng)22.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器3第3章 硬件設計53.1整體電路圖53.2信號輸入模塊53.3信號衰減模塊63.4信號放大模塊73.5 信號采樣模塊83.6信號處理模塊93.7數(shù)字顯示模塊10第4章 軟件設計114.1主程序設計114.2A/D轉(zhuǎn)換子程序12第5章 系統(tǒng)測試135.1顯示結(jié)果135.2誤差分析14第6章 總結(jié)15參考文獻16致 謝17附錄17II第1章 引 言1.1課題的研究背景數(shù)字電壓表作為電壓表的一個分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構(gòu)成數(shù)字電壓表的核心器件已從早期的中小規(guī)模電路跨入到大規(guī)模ASIC(專用集成電路)階段。數(shù)字電壓表自1952年問世以來，已

3、有50年多年的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是20世紀50年代問世的電子管數(shù)字電壓表，第二代產(chǎn)品屬于20世紀60年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三帶產(chǎn)品為20世紀70年代研制的中、小規(guī)模集成電路的數(shù)字電壓表。今年來，國內(nèi)外相繼推出有大規(guī)模集成電路（LSI）或超大規(guī)模集成電路（VLSI）構(gòu)成的數(shù)字電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產(chǎn)品。它們不僅開創(chuàng)了電子測量的先河，更以高準確度、高可靠性、高分辨力、高性價比等優(yōu)良特性而受到人民的青睞。1.2課題的研究意義十幾年來智能儀器雖然有了很大的發(fā)展，但總的看來，人們還是較習慣于從硬件的角度做工作，這是由于設計者的（硬件）技術(shù)背景，LSI器

4、件不斷迅速更新的沖擊以及在現(xiàn)階段儀器硬件更新的數(shù)量還很大等因素所造成的。這種趨勢雖然仍會繼續(xù)下去，但從智能儀表的內(nèi)涵，從軟件的角度上看，軟件的作用還遠未發(fā)揮出來，這里有許多的領域等待著去開發(fā)。智能儀表最終必然會與人工智能聯(lián)系起來開創(chuàng)出全新的儀器。從這個觀點看，目前的智能儀器尚處于“幼年時期”。所以，就儀表的發(fā)展看來電壓表會朝著具有微控制處理單元的智能儀表方向發(fā)展。第2章 相關(guān)概述2.1 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51

5、引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。圖2.1 AT89C51單片機AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計

6、數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作。掉電模式下，凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。2.2 單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)就是能使單片機在最低限度下運行的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)包括時鐘電路、復位電路、電源電路。STC89C52單片機的工作電壓范圍為4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V的直流電源。連接方式為單片機的40腳VCC接正+5V,而20腳GND接電源地端。 復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工

7、作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RST端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機再提供一個正弦波作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度，XTAL1和XTAL2分別作為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，

8、而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器，它的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。由復位電路、時鐘電路和單片機組成的單片機最小系統(tǒng)如圖2.2所示。圖2.2 單片機最小系統(tǒng)2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片是CMOS型單片雙列直插式模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，具有28個引腳。其中，IN0-IN7模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍05V，若信號過小還需要進行放大。另外，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，模擬量輸入的值不應變化太快。因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。ADDA、ADDB、ADDC為地址輸入線，

9、用于選通IN0-IN7上的一路模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B和C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中模擬量的通道。ATART為轉(zhuǎn)換啟動信號。當START為上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清0；START為下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，否者，表明正在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，OE為輸出允許信號。其用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)呈高電阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。初始化時START和OE要全為

10、低電平。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供。其引腳圖會在與單片機的連接中出現(xiàn)，就不在這里描述了。圖2.3所示為ADC0809與單片機的接口電路。圖2.3 ADC0809與單片機的連接方式由圖可以看到，我們選用的通道是IN0，ADC0809的啟動信號START由片選線P2.7與寫信號的“或非”產(chǎn)生。這要求一條向ADC0809寫操作指令來啟動信號。ALE與START相連，即按打入的通道地址接通模擬量并啟動轉(zhuǎn)換。輸出允許信號OE由讀信號與片選信號P2.7“或非”產(chǎn)生，即一條ADC0809的讀操作使數(shù)據(jù)輸出。第3章 硬件設計3.1整體電路圖如圖3.1所

11、示，為系統(tǒng)的整體設計電路圖。外部1m V100V的直流電壓從J1輸入，通過繼電器從三種分壓比1、1/10、1/100中選擇得到一個較小的適合MAX4236的輸入電壓，經(jīng)過運算放大器MAX4236的精確放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7822進行信號采樣。采樣后的信號送入單片機AT89S51，單片機進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成相應的電壓值后顯示在LCD1602上。整個電路是以單片機控制為核心，通過信號衰減，放大，采樣處理，顯示出來。圖3.1 整體電路圖3.2信號輸入模塊如圖4-2所示，J1為輸入信號的正極，J2為輸入信號的負極。由R3,R5,R6三個電阻串聯(lián)作為輸入信號的負載電阻，輸入阻抗為100K。輸入電壓

12、的范圍：DC 1mV100V。采用三個電阻的目的是為了在不改變輸入阻抗的情況下配合后級的量程選擇。這三個電阻采用高精度金屬膜電阻，既可以做到高精度的分壓比，又能有效的抑制高頻噪聲。圖3.2 信號輸入模塊3.3信號衰減模塊前級輸入的信號可通過K1,K2,K3三個繼電器來選擇。考慮到傳統(tǒng)的電磁繼電器體積大、功耗大、動作時對電路沖擊大等缺陷，這里采用較為先進的光繼電器AQY214S。AQY214S是日本松下電器公司生產(chǎn)的Photo MOS繼電器，它具有耐壓值高，動作時間短，超低功耗、體積小、超低噪聲等特點，它的控制電壓可低至1.5V，控制電流可低至5mA。它的負載電壓可以達到400V，引腳耐壓可達1

13、500V，甚至在1MHz的信號頻率時，它的引腳電容都只有1.5pF，因此它非常適合于高壓、高速、低功耗的應用場合，比如工業(yè)測量、高速信號處理等。圖3.3 信號衰減模塊考慮到直接用單片機I/O口驅(qū)動繼電器時可能存在的不穩(wěn)定因素，這里采用MOS管AO3416做I/O口的驅(qū)動管以確保繼電器的開啟與閉合，AO3416是N溝道的MOS管，其G極開啟電壓可低至2V，非常適合于低壓控制場合。若K3閉合，K2,K1斷開。此時外部輸入信號被衰減100倍然后輸出給后級處理。若K2閉合，K3,K1斷開。此時外部輸入信號被衰減10倍然后輸出給后級處理。若K1閉合，K3,K2斷開。此時外部輸入信號不衰減，直接輸出給后級

14、處理。3.4信號放大模塊信號放大模塊采用MAX4236做放大芯片。MAX4236為高精度運放，在不采用斬波技術(shù)的情況下取得了優(yōu)異的低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓溫度系數(shù)。MAX4236的典型大信號開環(huán)電壓增益為120dB。該器件的輸入偏置電流極小，僅為1pA。MAX4236的增益帶寬積為1.7MHz，單位增益穩(wěn)定，有關(guān)斷功能，使靜態(tài)電流降至小于0.1A，輸出呈高阻態(tài)。MAX4236的共模輸入范圍可低于負電源，輸出可達到滿擺幅。這些特性使其非常適合于采用+3V或+5V單電源供電的應用。MAX4236對于較高精度的應用，A級MAX和SO封裝的器件經(jīng)過測試可以保證在+25C下失調(diào)不超過20V，漂移小于2V/

15、C。圖3.4 信號放大模塊MAX4236的引腳特性是：1腳和5腳置空，2腳反相輸入端，3腳同相輸入端， 4腳接地端，7腳電源端，8腳休眠端。8腳可以讓器件處于休眠模式，置低時，器件處于低功耗。在本系統(tǒng)中，放大器MAX4236連成同相放大的方式，以提高輸入阻抗，放大倍數(shù)為2倍。C1,C2為電源退耦電容，其作用是：有效的抑制來自電源線上的干擾，抑制電源線上給放大芯片帶來的噪聲。放大后的信號供后級AD采樣。3.5 信號采樣模塊信號采樣模塊采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片ADS7822做模數(shù)轉(zhuǎn)換?？紤]到分辨率的要求，選取電源基準芯片TL431做參考電壓。ADS7822 是一種高性能12 位A/ D 轉(zhuǎn)換器,它的

16、采樣速率可達75 kHz ，單電源供電,可以在2. 05. 0 V 的電源電壓下；微功耗，采樣速率75kHz 時為0. 54 mW，7. 5kHz時，為0. 06 mW，掉電模式時,最大電流為3A 。TL431是高精度輸出可調(diào)電壓基準芯片，它具有以下特點：可編程輸出電壓，可設定036V之間任意值;參考誤差最大0.4%（25環(huán)境下）;低動態(tài)輸出阻抗，典型值為0.22;1m A100m A的灌電流能力;在整個額定工作溫度范圍內(nèi)能進行溫度補償;低輸出噪聲。圖3.5 信號采用模塊本模塊中，先用R17和C6構(gòu)成一個低通濾波器來濾除前級傳輸過來的高頻干擾信號，然后再進行采樣。由于參考電壓是2.5V，而AD

17、為12位，因此采樣模塊可分辨的最低電壓是：2500/4095=0.61mV。而前級將信號放大了2倍，因此整個系統(tǒng)可分辨的最低電壓是0.305mV。3.6信號處理模塊信號處理模塊采用AT89S51做數(shù)據(jù)處理。P1.2作為采樣頻率控制口，單片機輸出，P1.3作為采樣數(shù)據(jù)輸入口，從ADS7822輸入到單片機。P1.3作為ADS7822的片選控制口。外部電壓從J1輸入后，單片機會控制繼電器將分壓比設為1/100，此時外部信號會被衰減100倍。這個衰減后的信號經(jīng)運放放大2倍之后送入AD采樣。單片機會判斷轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是不是合適（滿值是4095，若小于5則認為過小，大于4050則認為過?。Ｈ魯?shù)據(jù)過小，則將

18、分壓比設置為1/10，再次測量，若還是過小，則分壓比設置為1，若此時數(shù)據(jù)還是過小，則提示超出量程。若數(shù)據(jù)大于4050，則將分壓比再增大，若達到分壓極限，則提示超出量程。這樣，整個電壓表可以實現(xiàn)自動換擋，無需人工操作。圖 3-6 信號處理模塊3.7數(shù)字顯示模塊數(shù)據(jù)處理模塊采用LCD1602顯示模塊?？梢酝ㄟ^R7,R8兩個電阻來調(diào)節(jié)LCD1602的背光強度。數(shù)據(jù)端口D0D7接單片機的P2口，讀寫端口R/W接P1.5,數(shù)據(jù)命令選擇端口接P1.6,時鐘接口CLK接P1.7。圖3.7 數(shù)字顯示模塊第4章 軟件設計4.1主程序設計 由于ADC0809在進行A/D轉(zhuǎn)換時需要有CKL信號，而此時的ADC080

19、9的CLK是連接在AT89C51單片機的30管腳，也就是要求從30管腳輸出CLK信號供ADC0809使用。因此產(chǎn)生CLK信號的方法就等于從軟件產(chǎn)生。電壓表系統(tǒng)有主程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，如下流程8.1所示：圖4.1 程序流程圖4.2A/D轉(zhuǎn)換子程序A動ADC0809對模擬量輸入信號進行轉(zhuǎn)換通過判斷EOC（P3.7來確定轉(zhuǎn)換是否完成若EOC為0則繼續(xù)等待若EOC為1則把OE置位，將轉(zhuǎn)換完成。程序流程圖如8.2所示。圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序圖第5章 系統(tǒng)測試5.1顯示結(jié)果（1）當IN0口輸入電壓值為0V時，顯示結(jié)果如圖11.1.1所示，測量誤差為0V。圖5.1 仿真1（2） 當IN0

20、輸入電壓值為1.50V時，顯示結(jié)果如圖11.1.2所示。測量誤差為0V。圖5.2 仿真1（3）當IN0口輸入電壓值為3.30V時，顯示結(jié)果如圖11.1.3。測量誤差為0.01V。圖5.3仿真15.2誤差分析通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易直流數(shù)字電壓表與“標準”數(shù)字電壓表對比測試表，如下表11.2所示：從上表可看到，測試電壓一般以0.01V的幅度變化。從上表可以看出，直流數(shù)字電壓表測得的值基本上比標準電壓值偏大0-0.01V，這可以通過校正ADC0809的基準電壓來解決。因為該電壓表設計時直接用5V的供電電源作為電壓，所以電壓可能有偏差。當要測量大于5V的電壓時，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中

21、只要將計算程序的除數(shù)進行調(diào)整就可以了。第6章 總結(jié)經(jīng)過一段時間的努力，基于單片機的直流數(shù)字電壓表基本上設計完成。但設計中的不足之處仍然存在。這次設計是我第四次次設計電路，并用Proteus實現(xiàn)了仿真。在這過程中，我對電路設計單片機的使用等都有了進一步的認識。通過這次設計我對Proteus和Keil軟件的使用方法也有了進一步的了解，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設計、功能模塊的劃分、原理圖的設計和電路圖的仿真的設計流程，積累了不少經(jīng)驗。基于單片機的直流數(shù)字電壓表使用性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、外接元件少。在實際應用工作應能好，測量電壓準確，精度高。系統(tǒng)功能、指標達到了設計的預期要求、系統(tǒng)在硬件設計上充分

22、考慮了可擴展性，經(jīng)過一定的改造，可以增加功能。本文設計主要實現(xiàn)了直流數(shù)字電壓表測量一路電壓的功能，詳細說明了從原理圖的設計、電路圖的仿真再到軟件的調(diào)試。通過本次設計，我對單片機這門課有了進一步的了解。無論是在硬件連接方面還是在軟件編程方面。本次設計采用了AT89C51單片機芯片，與以往的單片機相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應用領域也更為廣泛。設計中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，以前在學單片機課程時只是對其理論知識有了初步的理解。通過這次設計，對它的工作原理有了更深的理解。在調(diào)試過程中遇到很多問題，硬件上的理論知識學得不夠扎實，對電路的仿真方面也不夠熟練，但是在同學們和老師的

23、幫助下我還是克服了種種困難，最后這次電路的設計和仿真基本上達到了設計的功能要求。在以后的實踐中，我將繼續(xù)努力學習電路設計方面的理論知識，并理論聯(lián)系實際，爭取在電路設計方面能有更大的提升。參考文獻1項莉萍,張志剛. 基于51單片機的數(shù)字電壓表的設計與仿真J. 洛陽師范學院學報,2012,02:39-41.2趙明明. 基于MEGA8單片機的PC數(shù)字電壓表設計J. 企業(yè)技術(shù)開發(fā),2012,01:56-57+61.3王若男,韓進. 基于MSP430F448單片機的交流數(shù)字電壓表設計J. 電子設計工程,2012,02:144-147.4李庭貴. 基于TLC549 A/D轉(zhuǎn)換器與AT89S52單片機的數(shù)字

24、電壓表設計J. 自動化技術(shù)與應用,2012,03:73-77+81.5朱曉玲. 直流數(shù)字電壓表設計與Proteus應用J. 通信電源技術(shù),2012,02:59-60+87.6楊建成. 基于單片機的數(shù)字電壓表設計與仿真J. 現(xiàn)代電子技術(shù),2012,21:170-172.7于洋,鐘珊,尹斌. 基于AT89C2051的數(shù)字電壓表最簡接口設計J. 機械制造與自動化,2012,06:124-126.8杜松晏. 基于單片機的數(shù)字電壓表的設計J. 科技信息,2012,35:150+194.9翟永前,蔣芳芳. 基于MSP430單片機的智能數(shù)字電壓表設計J. 化工自動化及儀表,2011,03:297-300.1

25、0劉敏娜,潘宏俠,王喬. 基于51單片機的數(shù)字電壓表仿真設計J. 山西電子技術(shù),2011,02:46-47+64.11趙靜,劉少聰,丁浩,王莉莎. 基于單片機的數(shù)字電壓表設計J. 數(shù)字技術(shù)與應用,2011,06:121+125.12徐倩,孫澤陽,王亞飛. 基于51單片機的數(shù)字電壓表設計J. 企業(yè)技術(shù)開發(fā),2011,14:92.13宋悅孝,王俊杰,徐連孝. 基于單片機的數(shù)字電壓表設計J. 濰坊學院學報,2011,04:13-15+35.14張莉. 基于TLC549數(shù)字電壓表的設計J. 科技廣場,2011,07:146-149.15翟蓓蓓,孫運強,姚愛琴. 液晶顯示數(shù)字電壓表的設計J. 山西電子技

26、術(shù),2011,05:22-24.16葉鋼. 基于TLC2543數(shù)字電壓表的設計J. 數(shù)字技術(shù)與應用,2011,10:59-60+62.致 謝本論文是在XXX老師的諄諄教誨和指導下完成的，論文從選題、構(gòu)思到定稿無不滲透著導師的心血和汗水；教授淵博的知識和嚴謹?shù)膶W風使我受益終身，在此表示深深的敬意和感謝。我還要感謝含辛茹苦、任勞任怨、望子成龍、不圖回報的父母的養(yǎng)育之恩，他們給予我的愛和支持讓我順利地完成了自己的學業(yè)。最后，因本人水平有限，在文中難免有不足之處，懇請各位老師批評指正。附錄程序代碼如下：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int /設置P3口為數(shù)碼管位選，P0口為段選，p