基于51單片機(jī)的高精度數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)說明

1、 . . . 基于51單片機(jī)的高精度數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)摘要：隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，而電壓的測量甚為突出，因?yàn)殡妷旱臏y量最為普遍1。本文介紹一種基于STC89C51單片機(jī)的一種電壓測量電路。該電路采用高精度、雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路ICL7135，測量圍為直流0-+5伏，使用LED數(shù)碼管顯示。論文簡單介紹了雙積分電路的原理、STC89C51的特點(diǎn)、ICL7135的功能和應(yīng)用，重點(diǎn)描述了高精度數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)思想，分析了軟、硬件各部分電路的工作原理、設(shè)計(jì)過程和調(diào)試過程，最后給出詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)并且進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：電壓測量；

2、STC89C51；ICL7135；高精度 Abstract: Along with the electronic science technology's development, the method which the electronic surveying into general electron worker must grasp, is also getting higher and higher to the survey precision and the function request, but the voltage survey is prominent re

3、ally, because voltage survey most universal 1. This article introduced that one kind based on the STC89C51 monolithic integrated circuit's one kind of voltage measurement electric circuit, this electric circuit uses the ICL7135 high accuracy, the double integral A/D switching circuit, the measur

4、ing range directs current 0-+5 volts, uses the LED nixietube to demonstrate. The main text has given software and hardware system's various part of electric circuits emphatically, introduced the dyadic power distribution road's principle, the STC89C51 characteristic, the ICL7135 function and

5、 the application.Keywords: Voltage measurement; STC89C51; ICL7135; double integral A / D converter序言在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器1。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（直流或交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表1。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用模擬電壓表功能單一、精度低、體積大，且存

6、在讀數(shù)時(shí)的視差，長時(shí)間連續(xù)使用易引起視覺疲勞，使用中存在諸多不便。而目前數(shù)字萬用表的部核心多是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其精度很大程度上限制了整個(gè)表的準(zhǔn)確度，可靠性較差。而數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點(diǎn)而倍受青睞。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子與電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力2。與此同時(shí)，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用與專用數(shù)字儀器儀表，也把電量與非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平2。本文介紹一種基于STC89C51單片機(jī)的一種電壓測量電路,該電路采用ICL7135高精度、雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路

7、，使用LED數(shù)碼管顯示。目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)5 1.1功能5 1.2技術(shù)指標(biāo)5第二章 設(shè)計(jì)思路62.1方案確定62.2設(shè)計(jì)框圖7第三章 硬件設(shè)計(jì)93.1A/D轉(zhuǎn)換電路93.1.1雙積A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理93.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路主要構(gòu)造103.2控制部分的設(shè)計(jì) 183.2.1 STC89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 183.2.2STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)193.3 顯示部分的設(shè)計(jì)203.3.1顯示電路原理圖 203.3.2 LED顯示器接口原理21第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)244.1軟件總體設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu) 244.2軟件流程圖 244.2.1.定時(shí)器1中斷服務(wù)程序 254.2.2數(shù)據(jù)處理程序264

8、.2.3顯示程序26第五章安裝與調(diào)試 275.1 安裝和調(diào)試工具 275.2硬件的調(diào)試 275.3軟件的調(diào)試 285.4 設(shè)計(jì)中遇到的問題 285.5數(shù)據(jù)分析 28總結(jié) 30參考文獻(xiàn)31致32附錄 33 附錄一 電路元件清單 33附錄二 高精度數(shù)字電壓表電路原理圖 34附錄三 程序清單36第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 功能1.總的工作功能本設(shè)計(jì)的任務(wù)： 設(shè)計(jì)一個(gè)高精度數(shù)字電壓表，其測量圍為0-5V直流電壓，最小分辨率0.001V，精度不低于1%，測量結(jié)果數(shù)字顯示。2.原理框圖與各部分的功能（1）電源：給各模塊提供所需的電壓。（2）A/D轉(zhuǎn)換：將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將其送給控制、處理電路。（

9、3）控制、處理系統(tǒng)：采集A/D轉(zhuǎn)換器傳過來的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分；（4）顯示電路：將數(shù)字信號顯示出來。顯示電路控制、處理系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換圖1-1總體框圖1.2 技術(shù)指標(biāo)1. 測量電壓圍：0-5V的直流電壓；2. 最小分辨率0.001V；3. 顯示要清晰穩(wěn)定。第二章 設(shè)計(jì)思路（設(shè)計(jì)方案論證）2.1方案確定1.電源方案（1）利用78、79系列三端固定正、負(fù)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓并提供給所需芯片所需電壓，這一系列有固定的電壓輸出，應(yīng)用廣泛。每種類型由于部電流的限制，以與過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會損壞。（2）使用實(shí)驗(yàn)室里的雙穩(wěn)壓電源，雖然精度得到保證，但不是很方便。通過比較，選用 實(shí)

10、現(xiàn)？V電源2.A/D轉(zhuǎn)換方案（1）積分型（如ICL7135）5積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，成本低廉，非常適合現(xiàn)在所需。（2）逐次比較型（如TLC0831）4逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出 數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（>12位）時(shí)價(jià)格很高。（3）壓頻變換型（如AD650）3壓頻變換型（Vol

11、tage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然 后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種A/D的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是 分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。選用3. 控制和處理系統(tǒng)方案（1）利用STC89C51來實(shí)現(xiàn)控制和處理，它功能強(qiáng)，速度快，壽命長，價(jià)格低。（2）利用ARM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制和處理，ARM的RISC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中已經(jīng)提供了低功耗、小體積、高性能的方案。而為了解決代碼長度的問題，ARM體系結(jié)構(gòu)又增

12、加了變種，開發(fā)了一種新的指令體系，這就是Thumb指令集，它是ARM技術(shù)的一大特色，但是價(jià)格昂貴。4.顯示電路（1）八段LED數(shù)碼管來顯示電壓結(jié)果，價(jià)格廉價(jià)。（2）LCD液晶顯示，液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，但價(jià)格昂貴。選用綜上所述電源部分我選取的是78、79系列三端固定正、負(fù)穩(wěn)壓器，A/D轉(zhuǎn)換選取的是ICL7135雙積分AD，控制、處理系統(tǒng)選用的是STC89C51，顯示部分選用的是八段LED數(shù)碼管，此方案既能完成預(yù)定目標(biāo)，材料費(fèi)又比較低廉。2.2設(shè)計(jì)框圖1.設(shè)計(jì)過程框圖如圖2-1圖2-1 設(shè)計(jì)過程框圖2.電

13、路原理框圖如圖2-2如圖2.2所示，模擬電壓送到ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管中顯示。LM317和7905（和前面不符）分別提供正負(fù)電壓給ICL7135工作所需電壓，TL431提供基準(zhǔn)電壓。（更詳細(xì)敘述）圖2-2 原理框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測量電路性能。本設(shè)計(jì)采用雙積A/D 轉(zhuǎn)換器ICL7135，它的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點(diǎn)是工作速度較低。在對轉(zhuǎn)換精度要求較高，而對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合如電壓測量有廣泛的應(yīng)用。3.1.1雙

14、積A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理10圖3-1雙積A/D 轉(zhuǎn)換器如圖3-1所示：對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔 T1，再利用計(jì)數(shù)器測出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理，在常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片（如ADC -0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分A/D圖3-2雙積A/D 轉(zhuǎn)換器的波形轉(zhuǎn)換器，具有精度高（精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)）、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。波形如圖3-2所示。3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路主要構(gòu)造（的

15、組成與各集成電路功能介紹）AD轉(zhuǎn)換電路主要由ICL7135、LM317、TL431、LM358、74LS74等芯片與其它器件構(gòu)成。電路如圖3-3所示。圖3-3AD轉(zhuǎn)換電路原理圖1ICL7135的應(yīng)用11（沒有應(yīng)用）ICL7135引腳如3-4所示3-4 ICL7135引腳圖ICL7135是采用CMOS工藝制作的單片4位半A/D轉(zhuǎn)換器，其所轉(zhuǎn)換的數(shù)字值以多工掃描的方式輸出，只要附加譯碼器，數(shù)碼顯示器，驅(qū)動器與電阻電容等元件，就可組成一個(gè)滿量程為5V的數(shù)字電壓表。（1）ICL 7135主要特點(diǎn)如下：（序號不連續(xù)）a.雙積型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度慢b.在每次A/D轉(zhuǎn)換前，部電路都自動進(jìn)行調(diào)零操作，可保

16、證零點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定。在20000字（2V滿量程）圍，保證轉(zhuǎn)換精度1字相當(dāng)于14bitA/D轉(zhuǎn)換器。c.具有自動極性轉(zhuǎn)換功能。能在但極性參考電壓下對雙極性模擬輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬電壓的圍為0±4.9999V。   d.模擬出入可以是差動信號，輸入電阻極高，輸入電流典型值1PA。   e.所有輸出端和TTL電路相容。   f.有過量程（OR）和欠量程（UR）標(biāo)志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號。   g.輸出為動態(tài)掃描BCD碼。   h.對外提供六個(gè)輸入,輸出控制信號(

17、R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與異步接收 /發(fā)送器,微處理器或其它控制電路連接使用。   i.采用28外引線雙列直插式封裝，外引線功能端排列如圖所示。   (2)ICL7135數(shù)字部分?jǐn)?shù)字部分主要由計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路開關(guān)與控制邏輯電路等組成。ICL7135一次A/D轉(zhuǎn)換周期分為四個(gè)階段：a、自動調(diào)零（AZ）；b、被測電壓積分（INT）；c、基準(zhǔn)電壓反積分（DE）；d、積分回零（ZI）,主要介紹引腳的使用。(a)R/H（25腳）當(dāng)R/H=“1”（該端懸空時(shí)為“1”）時(shí)，ICL7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，每4000

18、2個(gè)時(shí)鐘周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換，圖3-5所示。若R/H由“1”變“0”，則ICL7135在完成本次A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入保持狀態(tài)，此時(shí)輸出為最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。若把R/H端用作啟動功能時(shí)，只要在該端輸入一個(gè)正脈沖（寬度300ns），轉(zhuǎn)換器就從AZ階段開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。注意：第一次轉(zhuǎn)換周期中的AZ階段時(shí)間為9001-10001個(gè)時(shí)鐘脈沖，這是由于啟動脈沖和部計(jì)數(shù)器狀態(tài)不同步造成的。(b)/ST（26腳）每次A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，ST端都輸出5個(gè)負(fù)脈沖，其輸出時(shí)間對應(yīng)在每個(gè)周期開始時(shí)的5個(gè)位選信號正脈沖的中間，ST負(fù)脈沖寬度等于1/2時(shí)

19、鐘周期。圖3-5 ICL7135的波形圖第一個(gè)ST負(fù)脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后101個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生。因?yàn)槊總€(gè)選信號（D5-D1）的正脈沖寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期（只有AZ和DE階段開始時(shí)的第一個(gè)D5的脈沖寬度為201個(gè)CLK周期），所以ST負(fù)脈沖之間相隔也是200個(gè)時(shí)鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則ST無脈沖信號輸出。ST信號主要用來控制將轉(zhuǎn)換結(jié)果向外部鎖存器、UARTs或微處理器進(jìn)行傳送。(c)BUSY（21腳）在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時(shí)為低電平。因此利用BUSY功能，可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的遠(yuǎn)距離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK

20、“與”后來計(jì)數(shù)器，再減去10001就可得到原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。(d)OR（27腳）當(dāng)輸入電壓超出量程圍（20000），OR將會變高。該信號在BUSY信號結(jié)束時(shí)變高。在DE階段開始時(shí)變低。(e)UR（28腳）當(dāng)輸入電壓等于或低于滿量程的9%（讀數(shù)為1800），則一當(dāng)BUST信號結(jié)束，UR將會變高。該信號在INT階段開始時(shí)變低。(f)POL（23腳）該信號用來指示輸入電壓的極性。當(dāng)輸入電壓為正，則POL等于“1”，反之則等于“0”。該信號DE階段開始時(shí)變化，并維持一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換調(diào)期。(g)位驅(qū)動信號D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅(qū)動信號分別輸出一個(gè)正脈沖信號，脈沖

21、寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期，其中D5對應(yīng)萬位選通，以下依次為千、百、十、個(gè)位。在正常輸入情況下，D5-D1輸出連續(xù)脈沖。當(dāng)輸入電壓過量程時(shí)，D5-D1在AZ階段開始時(shí)只分別輸出一個(gè)脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開始時(shí)才輸出連續(xù)脈沖。利用這個(gè)特性，可使得顯示器件在過程時(shí)產(chǎn)生一亮一暗的直觀現(xiàn)象。 (h)B8、B4、B2、B1（16、15、14、13腳）該四端為轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼輸出，采用動態(tài)掃描輸出方式，即當(dāng)位選信號D5=“1”時(shí)，該四端的信號為萬位數(shù)的容，D4=“1”時(shí)為千位數(shù)容，其余依次類推。在個(gè)、十、百、千四位數(shù)的容輸出時(shí)，BCD碼圍為0000-1001，對于萬位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其

22、輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當(dāng)輸入電壓過量程時(shí)，各位數(shù)輸出全部為零，這一點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)注意。   最后還要說明一點(diǎn)，由于數(shù)字部分以DGNG端作為接地端，所以所有輸出端輸出電平以DGNG作為相對參考點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的輸入必須對于模擬公共端COM是正電壓。 2.LM3174的介紹LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)穩(wěn)壓器集成電路。國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。LM317 的輸出電壓圍是1.2V 至37V，負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載

23、調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317 置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。通常LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM317 輸入端的連線超過6 英寸（約 15 厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。LM317 能夠有許多特殊的用法。比如把調(diào)整端懸浮到一個(gè)較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 LM317 的極限就行。當(dāng)然還要避免輸出端短路。還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程電壓上，實(shí)現(xiàn)可編程的電源輸出。LM317塑料封裝外殼如圖3-6所示。3-6 封裝外殼它主要特性:（1）可調(diào)整輸出電壓低到1

24、.2V。（2）保證1.5A 輸出電流。（3）典型線性調(diào)整率0.01%。（4）典型負(fù)載調(diào)整率0.1%。（5）80dB紋波抑制比。（6）輸出短路保護(hù)。（7）過流、過熱保護(hù)。（8）調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。（9）標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。 （10）1.25V 至 37V 連續(xù)可調(diào)。3.TL4314的功能（介紹）與應(yīng)用TL431，A、B集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。這些單片集成電路電壓基準(zhǔn)如同低溫度系數(shù)齊納管一樣運(yùn)行，通過2個(gè)外部電阻可從Vref編程至36V。這些器件顯示出寬工作電流圍，在典型動態(tài)電阻0.22歐姆時(shí)為1.0 mA至100mA。這些基準(zhǔn)的特性使他們能在數(shù)字電壓表、電源和運(yùn)放電路等許多應(yīng)用中代

25、替齊納二極管。2.5V參考從5.0V邏輯電源可方便地獲得穩(wěn)定參考電壓。由于TL431,A、B工作方式為并聯(lián)穩(wěn)壓器，所以可以用作正壓或負(fù)壓參考。TL431塑料封裝外殼如圖3-7所示。圖3-7塑料封裝外殼與符號管腳1.參考 2.陽極 3.陰極（1） 可編程輸出電壓，達(dá)36V。（2） 電壓參考源誤差：典型+/-0.4%25攝氏度。（3） 低動態(tài)輸出阻抗，典型為0.22歐姆。（4） 1.0  mA至100 mA的灌電流能力。（5） 典型值為50PPM/攝氏度的等效全圍溫度系數(shù)。（6） 在整個(gè)額定工作溫度圍可進(jìn)行工作溫度補(bǔ)償。（7） 低輸出噪聲電壓。 TL431為用于多方面的可編程精密參考。在

26、需要非標(biāo)準(zhǔn)參考電壓的電路中它可作為參考電壓。其它用途包括驅(qū)動電壓監(jiān)視器、恒流源、橫流宿、串聯(lián)穩(wěn)壓器和電源中的光耦合器的反饋控制。在每一項(xiàng)上述應(yīng)用中在各種工作電流和負(fù)載電容情況下保持器件的穩(wěn)定性相當(dāng)關(guān)鍵。有些情況下，電路設(shè)計(jì)者可以從圖 3-8 提供的穩(wěn)定性邊界條件曲線估計(jì)出穩(wěn)定電容。然而這些曲線僅提供在指定陰極電壓和指定負(fù)載條件下的穩(wěn)定性信息。需要更多的信息以確定優(yōu)化相位余量或允許處理偏差所需的電容。圖3-8穩(wěn)定性邊界條件4.LM3583的功能介紹 LM358部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器， 適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源

27、電流與 電源電壓無關(guān)。它的使用圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，部結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示。 圖3-9 LM358部結(jié)構(gòu)LM358有以下幾個(gè)特性:(1) 部頻率補(bǔ)償。(2) 直流電壓增益高(約100dB) 。(3) 單位增益頻帶寬(約1MHz) 。(4) 電源電壓圍寬：單電源(330V)；雙電源(±1.5一±15V) 。(5) 低功耗電流，適合于電池供電。(6) 低輸入偏流。(7) 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。(8) 共模輸入電壓圍寬，包括接地。

28、(9) 差模輸入電壓圍寬，等于電源電壓圍。5.74LS749功能介紹74LS74是一個(gè)邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個(gè)器件中包含兩個(gè)一樣的、相互獨(dú)立的邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器電路模塊。如圖3-10所示。3-1074LS74部邏輯圖3.2 控制部分的設(shè)計(jì)3.2.1 STC89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)8 1.STC89C51結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部中斷中斷控制 外部中斷 CPU OSC ALE 程序存貯器4K字節(jié) ROM總線控制 P0 P1 P2 P3 數(shù)據(jù)存貯器128字節(jié) RAM 4×8 I/O口TXD RXD 串行口外部計(jì)數(shù)脈沖定時(shí)器1定時(shí)器0 STC89C51部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-11。圖3-12 STC89C51

29、引腳圖圖3-11 STC89C51部結(jié)構(gòu)框圖2.引腳功能說明14 STC89C51是雙列制插封裝形式的器件，其引腳圖如圖3-12所示。 STC89C51的引腳P00P07、P10P17、P20P27、P30P37為四個(gè)8位并行輸入/輸出口，其中P3口、P0口、P2口為雙功能口，可以作為普通輸入/輸出口（第一功能），也可以作為特殊輸入/輸出口。RST為復(fù)位輸入線，ALE、為系統(tǒng)擴(kuò)展控制線，XTAL1和XTAL2為時(shí)鐘電路輸入/輸出線，VCC、VSS為電源輸入線，一般接5V和地。3.2.2STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)7最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的基本供電、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。1.時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路

30、是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。STC89C51單片允許的時(shí)鐘頻率的典型值12MHZ，也可以是6MHZ。本設(shè)計(jì)采用12MHZ。單片機(jī)時(shí)鐘電路圖如圖3-13圖3-13 單片機(jī)時(shí)鐘電路圖3-13中晶振頻率選擇12MHZ。接到晶振兩端的瓷片電容作用是使振蕩器起振和對f 微調(diào)補(bǔ)償，典型值為30PF，本設(shè)計(jì)中選用20PF瓷片電容。當(dāng)單片機(jī)加電以后延遲約10ms的時(shí)間振蕩器起振產(chǎn)生時(shí)鐘，不受軟件控制（XTAL2輸出幅度為3V左右的正弦波。2.復(fù)位和復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位引腳是RST，當(dāng)

31、振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)2個(gè)周期的高電平，是器件復(fù)位，只要RST保持高電平，單片機(jī)保持復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位方式有二種：上電復(fù)位（如圖3-14）、人工復(fù)位（如圖3-15）。圖3-14 上電復(fù)位電路 圖3-15 上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位注：RST與Vss之間的那個(gè)電阻在NMOS型單片機(jī)種需要接，但是在CMOS型單片機(jī)中不接。其中電容一般為10UF的電解電容。3.STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)連接原理圖 本設(shè)計(jì)的STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖6如圖3-16圖3-16 STC89C51最小系統(tǒng)連接原理圖（說明外界元器件的值以與作用）。3.3 顯示部分的設(shè)計(jì)3.3.1顯示電路原理圖如圖3-17所示圖3

32、-17 顯示電路原理圖該顯示部分電路原理圖用9012PNP型三極管來驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管。數(shù)碼管的abcdefg接單片機(jī)的I/O口P0.0-P0.7，控制P0.0-P0.7的高低電平（0或1）來控制LED數(shù)碼管的字型。如數(shù)碼管是共陽的，當(dāng)P0.0-P0.7（即a,b,c,d,e,f）為低電平，g為高電平時(shí)，顯示器顯示“0”。對于數(shù)碼管的COM腳（共陽數(shù)碼管）應(yīng)接高電平（即“1”），在此次設(shè)計(jì)中用9012PNP型三極管來控制三極管的導(dǎo)通，關(guān)斷來控制COM端的高低電平，而控制三極管的導(dǎo)通，關(guān)斷是由三極管的基極接單片機(jī)I/O口（P2.0-P2.3）來控制的。若P2.0送低電平0，三極管T1則導(dǎo)通，

33、再配合P0.0-P0.7送出的字型碼，便可在數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的字樣。若P.0送低電平1，三極管T1則關(guān)斷，數(shù)碼管即滅。顯示部分通過此原理來工作。3.3.2 LED顯示器接口原理6LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。LED顯示器在單片機(jī)中的應(yīng)用非常普遍。1LED顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3-18所示(a) 外形 （b）共陽極 （c）共陰極圖3-18 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)常用的LED顯示器為8段（或7段，8段比7段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)“dip”段）。每一個(gè)段對應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖3-17所示。共陰極LED顯示器的

34、發(fā)光二極管的陰極連結(jié)在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連結(jié)在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示11。為了使LED顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，這樣就要為LED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼可使LED相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示不同的字型，因此該代碼稱之為段碼（或字型碼）。7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。因此提供給LED顯示器的字型碼正好是一個(gè)字節(jié)。各段與字節(jié)中的各位對應(yīng)的關(guān)系如表3-1。表3-1 顯示

35、段與代碼位的對應(yīng)關(guān)系表代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dipgfedcba按照表3-1格式，8段LED顯示器的字型碼如表3-2所示。表3-2 8段LED顯示器部分字型碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC0H67DH82H106HF9H707HF8H25BHA4H87FH80H34FHB0H96FH90H466H99H“滅”00H88H56DH92H注：段碼是相對的，它由個(gè)字段在字節(jié)中所處的位決定。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，以上表格用來參考。2.LED顯示器工作原理LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。 (1)LED靜態(tài)顯示方式7所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)

36、顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方式的每一個(gè)8段顯示器需要一個(gè)8位輸出口控制。如圖3-19用STC89C51單片機(jī)控制LED靜態(tài)顯示方式接口4.7K排阻STC89C51圖3-19 用STC89C51單片機(jī)控制LED靜態(tài)顯示方式接口(2)LED動態(tài)顯示方式所謂的動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描）。在多位LED顯示時(shí),為簡化硬件電路,節(jié)省I/O口資源,通常將所有位的段碼線相應(yīng)的并聯(lián)在一起,由一個(gè)8位I/O口控制,而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O線控制，形成各位的分時(shí)選通。如圖3-20用STC89C51單片機(jī)控制LED動態(tài)顯示方式接口圖3-2

37、0用STC89C51單片機(jī)控制LED動態(tài)顯示方式接口說明本設(shè)計(jì)選擇什么方式第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件總體設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)7該程序由一個(gè)主程序與五個(gè)子程序所組成，子程序中包括：中斷程序、顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序與延時(shí)程序。如圖4-1所示主程序中斷程序數(shù)據(jù)處理程序顯示程序延時(shí)程序圖4-1 軟件結(jié)構(gòu)圖中斷程序是處理中斷信號，當(dāng)中斷信號沒有來得時(shí)候，那么會去處理其它指令，而當(dāng)中斷信號到來，它會暫時(shí)擱下現(xiàn)在正在處理的指令，而去處理中斷指令；數(shù)據(jù)處理程序是將所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管顯示的字型碼送給顯示程序顯示；顯示程序是將最終的放大倍數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來。4.2軟件流程圖知道了軟件的總體結(jié)構(gòu)，下面一步便是完

38、成軟件流程圖的設(shè)計(jì)，根據(jù)流程圖便可以編寫程序了。本次的程序采用C語言編寫12。圖4-2為軟件主流程圖。初始化將測量值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制拆為非壓縮BCD碼調(diào)用顯示子程序圖4-1主程序流程圖4.2.1.定時(shí)器1中斷服務(wù)程序重設(shè)TH1、TL1讀TH0、TL0清零TH0、TL0返回相關(guān)程序如下所示void rec(void) interrupt 0 m=(TH0*256+TL0-20000)/8; TH0=0x00; TL0=0x00;4.2.2數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理程序是將所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管顯示的字型碼送給顯示程序顯示。相關(guān)程序如下所示void bcd(void)buf3=(m/1000)%10; bu

39、f2=(m/100)%10; buf1=(m/10)%10; buf0=m%10;4.2.3顯示程序單片機(jī)需要將信號送到輸出端顯示出來，即單片機(jī)通過顯示子程序?qū)⑿畔⑺偷斤@示電路顯示出來。在編寫此數(shù)碼管動態(tài)顯示程序時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路的具體接法先建立一個(gè)字形段碼表TAB,表中存放所能顯示的字形段碼。而在區(qū)開辟一個(gè)顯示緩沖區(qū)，它對應(yīng)各位數(shù)碼管0-9要顯示的容。當(dāng)需要顯示程序或更新顯示容時(shí)，先向緩沖區(qū)存入要顯示的容，再調(diào)用顯示子程序。相關(guān)程序如下所示：void disp(void) uint i; for(i=0;i<4;i+) P2|=0x0f; P0=tabbufi; P2&=btabi

40、; if(i=3) P0&=0x7f;第五章安裝與調(diào)試5.1 安裝和調(diào)試工具一.安裝工具 1.電烙鐵 2.焊錫絲 3.錫槍 4.鉗子等二.調(diào)試工具 1.電腦2.仿真機(jī)3.電源 4.MF47型萬用表 5.焊接工具一套5.2硬件的調(diào)試在按照設(shè)計(jì)搭建好電路板后，要對各部電路進(jìn)行一系列的調(diào)試工作。對于硬件調(diào)試，在通電前應(yīng)檢查電路板上元器件與連線是否接錯(cuò)，電容極性是否正確，檢查有無短路、虛焊、錯(cuò)焊、漏焊等情況，測量核實(shí)電源電壓的數(shù)值和極性是否正確。只有這樣，才能提高調(diào)試效率、保障調(diào)試順利進(jìn)行、減少不必要的麻煩。通電后觀察有無異常氣味，各種調(diào)試儀器是否正常。如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即斷電。在此上都沒有

41、錯(cuò)誤的情況下方可進(jìn)行軟件的調(diào)試。當(dāng)硬件出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)該首先按單元電路功能依次進(jìn)行調(diào)試。直至各部分電均符合技術(shù)文件規(guī)定的指標(biāo)為止。然后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。各主要元件極性與好壞判斷如下：1.電容極性與好壞檢測：如果電容無符號，則先將電容短路放電，再將兩引線做好A、B標(biāo)記，萬用表置R×100或R×1k擋，黑表筆接A引線，紅表筆接B引線，待指針靜止不動后讀數(shù)，測完后短路放電；再將黑表筆接B引線，紅表筆接A引線，比較兩次讀數(shù)，阻值較大的一次黑表筆所接為正極，紅表筆所接為負(fù)極。本次使用的是有符號的，要檢測其好壞只要用萬用表置R×100或R×1k擋，看其有無放電現(xiàn)象，沒有

42、放電現(xiàn)象則電容是壞的，放電過快則可能是電容漏電，反之電容是好的。2.數(shù)碼管好壞的檢測：由于本次實(shí)驗(yàn)使用的是共陽極數(shù)碼管，所以以共陽極數(shù)碼管為例，先將萬用表置R×10k或R×l00k擋，然后將紅表筆與數(shù)碼管的“地”引出端相連，黑表筆依次接數(shù)碼管其他引出端，七段均應(yīng)分別發(fā)光，否則說明數(shù)碼管損壞。共陰極數(shù)碼管則把紅黑表筆顛倒即可，其他檢測方法類似。3.晶振的好壞判斷：先用萬用表(R×10k擋)測晶振兩端的電阻值，若為無窮大，說明晶振電路無短路或漏電；再將試電筆插入試電插孔，用手指捏住晶振的任一引腳，將另一引腳碰觸試電筆頂端的金屬部分，若試電筆氖泡發(fā)紅，說明晶振是好的；若

43、氖泡不亮，則說明晶振損壞。5.3軟件的調(diào)試軟件測試需要遵循，先整體，再分步，再整體的原則。也就是首先要對整體進(jìn)行編寫測試，如果有問題，則一步一步執(zhí)行，一步一步檢查。比如：顯示程序，一步一步進(jìn)行排查。最后再聯(lián)系起來總體調(diào)試，這樣提高了檢查效率，增加了成功率。5.4 設(shè)計(jì)中遇到的問題（加強(qiáng)）雖然設(shè)計(jì)完成了基本任務(wù)，但是，在本次設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題有許多，主要有以下幾點(diǎn)：1. 由于數(shù)字電位器屬于精度儀器，其精度是最主要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，剛開始測量時(shí)，精度不是很高，誤差較大，經(jīng)過分析得知原因是有些電容選擇不當(dāng)，經(jīng)過不斷的換電容與調(diào)試，最終解決了這項(xiàng)弊端。2. 由于數(shù)碼管的動態(tài)連接。因?yàn)閯討B(tài)連接時(shí)需要連接

44、的腳比較多也比較緊，所以在焊接的時(shí)候要特別的小心，不能焊接錯(cuò)誤。我在焊接時(shí)就發(fā)生了類似的錯(cuò)誤，沒有把數(shù)碼管的公共端和單片機(jī)的接口一對一的連接起來，然后在數(shù)碼管調(diào)試的時(shí)候發(fā)生了數(shù)碼位置混亂的情況。而且有的時(shí)候會出現(xiàn)沒有焊上或者是焊點(diǎn)焊接時(shí)間過長導(dǎo)致導(dǎo)線銅皮外露引起短路，這些問題在用萬用表檢測后被排除。3.數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定，閃爍現(xiàn)象，修改了一下顯示延時(shí)程序，顯示穩(wěn)定了許多。5.5數(shù)據(jù)分析由于我所做的設(shè)是高精度數(shù)字電壓表，其精度是最大的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，所以完成調(diào)試后，對其進(jìn)行了測量，并比較分析、處理，表5-1為我所測得的數(shù)據(jù)表5-1 數(shù)字電壓表所測數(shù)據(jù)真實(shí)值(V)0.460.681.021.561.8

45、52.032.863.524.004.85測量值(V)0.4620.6821.0231.5641.8522.0332.8633.5264.0054.857誤差值(%)0.430.290.290.260.110.150.100.170.130.14分析：表中的真實(shí)值一欄其實(shí)是市面上的數(shù)字萬用表所測數(shù)據(jù)，因?yàn)槠浞直媛蕿?.01V，特此說明。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，誤差還是在可接受圍之 ?？偨Y(jié)參考文獻(xiàn)1 占嶺.數(shù)字電壓表與數(shù)字多用表檢測技術(shù)C.：中國計(jì)量，2003。2 付華.智能儀表新技術(shù)C.：煤炭工業(yè)，2004。 3 茂泰.智能儀器原理與應(yīng)用（第二版）M.：電子工業(yè)，2004。4 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)C.：華東理工大學(xué)，2003。5 41/2 Digit A/D Converter With Multiplexed BCD Outputs（ICL7135）R .美國：Maxim公司，1987。6 何立