基于單片機的智能數字電壓表設計摘要數字電壓表使用戶表現出非常清楚的直覺,對于數據的閱讀十分準確,選取超前的顯示技術,將人為導致的測量錯誤降低到最小。通常來說數字電壓表就是是把一種連續的模擬量進行轉換讓他變成另一種不連續的數字形式,同時還可以在多個儀器上進行數據的顯示。數字精密電壓表將應用電子技術、計算科學技術、精密電壓表測量儀等技術的研究成果相互結合起來,從而使它在各種儀器儀表的應用領域形成了一個單一的分支。數字電壓儀表是電子測量設備領域的又一次革命,同時也是獨創了現代電子測量技術的典范。其中對于電壓的測量是目前最基礎和最主要的一種。電子電路有很多的特性,就好比頻率學、調制系統、非線性失真系數等特性,都是一種電壓的導數。各類電路正常運行時的各種狀態,例如均勻、飽和或低溫等,都將采用電壓變換進行表現。并且電壓的測量可以用來代表電子元件中各種類型的控制和信號響應的描述。這次的設計方案所需要的設計電路可以說是一個采用了AT89C51單片機的電壓檢測系統,這次的設計還需要使用ICl7135高準確度、雙積分a/d轉換電路和及時的報警電路。本文中我們特別注重的是該系統各個組成部分的設計硬件與應用軟件,介紹了雙積分電路的基本設計工作以及原理,at89c51的主要基本技術設計特征,icl7135的主要基本技術特征功能及其實際設計應用。關鍵詞:AT89C51;雙向微積分儀器ad電壓轉換器;ICl7135;測量;數字式電源輸出輸入電壓測量表目錄TOC\o"1-3"\h\u9291一、緒論 緒論1.1概述數字電壓表就是通過數字計算機測量技術將連續模擬測量變為不連續且離散的測量儀器。像往常一樣的傳統指針式電壓表的功能在使用時比較單一,準確率低,無法適應數字時代發展的剛需。準確度高、抵抗干擾能力好、可擴充性強、集成方便等特點是選擇單片機數字電壓表[1]。新型數字電壓儀表具有高準確性、高可信度、較好的分辨率及較高的性價比等許多特征。如今,數字化的電壓計量儀表已發展為成為現代數字化的電壓計量儀表技術的重要理論基礎和技術核心,并且在電子電氣等各個領域得到了廣泛應用。電壓誤差表的測值數字化主要操作目的就是將直流有源電壓等連續離散模擬的測量數據轉換過來,成為不連續的離散模擬數值以圖像顯示形式來對其數據進行數字顯示,它與我們這種利用電壓指針和測量儀器或者利用表盤的數值圖像形式來對其進行測量讀數的操作方法不同。大大減少了在進行讀數時出現的巨大視差和人在觀測時遇到的各種視覺疲勞。當下的數字萬用表已經成為了ad轉換器的內部主要組成元件,轉換器的運算準確度也在很大的水平上受到了影響,這次的設計中選用了雙積分ad轉換器來實現轉換所需要輸入的模擬信息,控制系統的核心at89c51對運算結果和數據進行了處理和變換,最后通過一個驅動顯示數字電壓信號的輸出設備述。1.2國內外發展現狀智能的數字電壓表在國內外的應用前景都十分的廣泛，因為現在在很多的工業領域以及個人使用領域都有著重要的地位。本小節我們將從國內外在智能的數字電壓表領域的發展做出比較。在國內，我國在智能的數字電壓表領域需求量逐年劇增，是相對發展比較快的國家，且我國在數字電壓表領域是全球內綜合實力非常強的國家之一。我國在很多在國際市場上都有著很強的競爭力，但僅僅只是對于低端儀表市場。目前主要使用的高端儀表往往還來自于進口，因此發展智能的數字電壓表就顯得尤為重要。我國在這個領域的發展雖然還和發達國家有著差距，但隨著我國這些年的發展這些差距已經有了改變，他變得不在那么明顯。我們在數字電壓表這方面的研究已經慢慢趕上來了。在不就的將來國內對智能數字電壓表方面的技術將會成為世界上這方面技術的新起之秀。在國外，低端的電子儀表往往需要通過我國進口，但他們把高端的電子儀表生產技術牢牢掌控在手中占據大多數的高端電子儀表市場。發達的國家對高端的電子儀表有著熟練的技術，這種技術是我國現在不具有的，但隨著我國在對高端電子儀表的研究中，我們也慢慢發現了其中的要素。通過分析國外的高端電子儀表來得出結論。從中發現我們與國外對高端電子儀表研究的差距，從而縮短這個差距。現在國內外對智能數字電壓表的設計都有著獨特的理解，做出的電壓表也是功能齊全。智能數字電壓表在國內外的發展有著很好的前景。1.3本文主要研究內容第一章主要是講了數字電壓表的背景，國內外對于數字電壓表的發展現狀與主要的研究內容，以及智能數字電壓表的發展市場。第二章主要內容是需要智能數字電壓表的一個整體的設計思路，選擇元器件與硬件選用，以及對于硬件部分的認識講解。第三章主要設計了整體的系統分開每種方案的電路部分設計與探究，與相對應的電路圖。第四章進行了硬件部分的設計。第五章進行了軟件部分的設計。第六章是對本次設計的仿真和調制。

二、設計內容2.1設計需求2.1.1功能需求1.可以開機進行自己檢查，自己進行動量程的轉換。2.通過220V/50Hz交流電源來設置電源的開關、指示燈以及起到保護的功能。2.1.2性能指標1.電壓量程:200mV、2V、20V2.分辨率:100μV3.測量誤差:≤+(0.5%(讀數)+0.5%(滿度值))4.輸入電阻:10MQ5.測出速率:每一秒2~3次6.顯示:4位LED數碼管中的電壓值。三、系統的總體3.1方案論證方案一圖3.1系統方案框圖方案二:圖3.2系統方案框圖上面兩種方案里第一種的設計方法更加常用，技術也更加成熟，在各個工藝方面都能夠完全滿足所需的設計條件。因此，采取了以下的方案一。四系統硬件設計4.1電源電路單片芯片組都采用±5v供電，用一個直流變壓器把它們轉換成了低壓交流電壓，然后就要通過橋式全波整流來把它轉換成直流電壓，再經過雙t型的電容交流濾波和一個帶有集成穩壓器的芯片把它轉換過來，最后讓它變成了一個穩定的5v直流電壓。原理框圖如下：圖4.1電源設計圖本次設計說明，在穩壓范圍內電壓的穩定精度是-0.03和+0.03。我們的保護二極管1n4148可以在短路是起到保護電路的作用。4.2輸入電路設計4.2.1電路簡介本章的設計中采用了衰減電路和量程切換開關。具體電路如下。圖4.2電路設計圖圖中電子開關CD4053（S1，S2），繼電器（J1，J2）。CD4053三組二路模擬開關包含三組單刀雙擲開關，通道也是由三組開關進行連接。ICl7650主要具有電源輸入偏置增益高、不平衡、電流少、共模性及抑制功能好、反應速度快、漂移小、穩定性好、價格便宜等特征。將a1，a2分別假定成輸入衰減器的信號傳輸系數，放大器的信號增益(1)輸出功率電壓uo=2v，200mv的總功率增益范圍定義為a200mv=uo/ui=2/0。2=1x10=a1a2，2v的總增益范圍分別是a2v=uo/ui=2/2=1x1=a1a2，初步確定了在同相對應的比例下放大器的使用，200mV和2V時我們通過一個簡單的電子開關控制a2=10或a2=1來進行轉換量程。20v的是a20v=uo/ui=1/10=(1/100)x10=a1a2，200v=v的是a200v=uo/ui=(1/100)x1=a1a2，j1、j2在20v和200v時與a1=1/100輸入衰減器連接，與a2=10或a2=1相互作用來實現一個量程變化。(2)電路參數的計算:運放a1選用ICL7650斬波零穩運放。輸入衰減器（r1、r2、r3）;低通輸入保護電路（d1、d2、d3、d4、r4、r5、r6）;高通電阻同相信號放大電路（a1、r8、r9）;量程轉化電路（j1、j2、s1）。icl7650運放后輸出的電阻比要超過10MΩ，所以r1+r2+r3=10mΩ。因為r3/（r1+r2+r3）等于1/1000，所以r3=（r1+r2+r3）/1000=10mΩ/1000=10kΩ。因為（r2+r3）/（r1+r2+r3）等于1/100，所以r2+r3=(r1+r2+r3)/100=10MΩ/100=100kΩ，r2=100-r3=90kΩ，r1=10mΩ-(R2+R3)=9.9MΩ。因為au=r8/r9=10，r8/r9=9，讓r9=1，r8=9kΩ;d1、d2用開關二極管1N4148，r4用來限制電流。當d1和d2的最大電流為10mA時，r4≈uimax/idm=1000/0.01=100kΩ，pr4=uimax2/r4=10002/100=10w。因為icl7650的最高輸入電壓是+0.3v和-0.3v，所以把a1端電位限制為±4.7v。平衡性電阻（R5），其值約為100kQ。4.3轉換電路設計ICL7135CFN芯片是轉換電路的核心4.3.1轉換器ICL7135對輸入的模擬電壓進行積分，將其轉換為隨著輸入的模擬電壓增加而逐漸增大的時間間隔T1。計數器計數出來的數值與輸入的模擬電壓成正比。然后根據參考電壓也要做同樣的處理。在常用的A/D轉換控制芯片(例如ADC0809、ICL7135、ICL7109等)中，ICL7135不同于其他幾種，它采用的是一種四分半雙積分A/D轉換器，具有準確度高、物美價廉的優點。圖4.3雙積AD轉換器的波形圖4.3.5ICL7135的功能與它的主要特性引腳功能如下所示:{1}腳(V+)+5V電源端；{2}腳(VREF)電壓輸入端；{3}腳(AGND)模擬地；{4}腳(INT)積分輸入端；與積分電容相連；{5}腳(AZ)積分器和比較器反相輸入；與自零電阻相連；{6}腳(BUF)為緩沖輸出端；與積分電阻相連:{7}腳(CREF+)基準電容的正端；{8}腳(CREF-)基準電容的負端；{9}腳(IN+)被測信號的正輸入端；{10}腳(IN-)被測信號的負輸入端；{11}腳(V-)-5V電源端；{12}、{17}腳(d1~d5)位于掃描輸入端;d5、d4、d3、d2、d1每一個驅動信號周期都會向前端輸出1個脈沖信號，200時鐘信號周期是脈沖寬度。正常的輸入下，d5--d1輸出連續脈沖。{13}～{16}腳（b1～b4）BCD碼輸出端；{21}在引腳(busy)忙的狀態輸出端；在雙電子積分階段(int+de)，busy是高電平，別的時候則是低電平。{22}腳(CLK)時鐘信號的輸入端；{23}腳(pol)負極性信號輸出端；{24}腳(DGND)數字接地端；{25}腳(r/h)讀數控制端；{26}腳(str)數據選通輸出端；{27}腳(or)超量程輸出端；{28}腳(ur)欠量程輸出端；4.3.6數據的輸出方式與其數字部分通過一個動態的BCD碼掃描，它的各種輸出波形都可以通過圖片的信號來觀察到，這幅圖把BCD碼的數量與字位數及ST倍配合在一起使用，組成了多種形式的數據電路，可幫助計算機收集數據[8]。在輸入的一個模擬數大于或小于一個合適范圍內，or端或ur端將會呈現與下表相似的波形。圖4.4ICL7135數據輸出方式圖圖4.5ICL7135數字輸出圖4.3.7對應參數整定7135推薦工作條件MINNOMMAX單位電源電壓，VCC+456V電源電壓，VCC-V基準電壓，Vref1V高電平輸入電壓，CLK，RUN/HOLDVIH2.8V低電平輸入電壓，CLK，RUN/HOLD，VIL0.8V輸入電壓，VIDVCC-+1VCC+-0.5V工作頻率fclock1.22MHz工作溫度范圍（自然通風）TA070℃振蕩的頻率可以根據積分的時間來確定,f=0.45/RC。A/D轉換的積分時間與50HZ工頻的積分倍相同，從而使電路具有抵抗50HZ串模干擾的能力。當時鐘頻率fclk=125kHZ時，則每一個時鐘周期等于1/fclk，因此A/D轉換的累計積分時間等于To=40002*（1/fclk）=320ms，在鐘頻率為125kHZ時，即進行3次轉換所需要的時間正好是1秒。ICL7135在現實中應用時，電壓范圍一般為+2~-2v，此時基準電壓為+1v，rint為100kΩ，這類元件在選擇參數時icl7135經常使用的一種連接法[10]。電壓最大和最小的波動范圍區間一般可以設定為±0.3v。根據最大電壓波動的幅度，可自行選擇電容和電阻積分的乘積。滿量程電壓積分器對電源輸出輸入電壓的最大擺幅改變使其幅值范圍可以直接控制在達到±3.5v~±4v的值而輸出輸入電壓在此范圍內比較理想。如果電源電壓取±5V，ICL7135的輸入電壓輸出模擬地端接0V，那么積分器輸出電壓也應取±4V就樣就是恰當的。此時一個工作的電容定值為Cint=10000*(1/125)*(10^(-3))*20*（10^(-6)）/4=0.4uF。4.4電壓表顯示電路4.4.1電路簡介本設計采用了8段LED數碼管來顯示電壓值。它們都是由8個led組成，其中7個led的形狀都是8字形，另一個是和圓點一樣大小的形狀，位于右下角。把8個發光二極管進行連接，相連的共同端連接到同一個高電平，這樣的連接方法被叫做共陽極連接法，相反，相連的共同端連接到一個低電平，這種連接方式被稱為共陰極接法，我們使用的連接方法是第一種（共陽極連接法），在發光二極管傳導的時候，相對應的筆畫部分就可能會被點亮，從而可以形成不同類型的發光文字。4.5I/O口分配I/0口用途P0.0～P0.7輸出顯示7段碼a～g、dp，高電平有效P1.0連接7135的OUTRUNP1.1連接7135的D5，作的中斷請求信號P1.2連接7135的欠量程信號輸出端UR，UR=1欠量程P1.3連接7135的過量程信號輸出端OR，OR=1過量程P1.4連接7135的符號輸出端POL，“1”正“0”負P1.5連接7135的BCD碼輸出端為B1P1.6連接7135的BCD碼輸出端為B2P1.7連接7135的BCD碼輸出端為B4P2.0~P2.3顯示器個位～萬位位選信號輸出，高電平有效P2.6mV單位指示LED，低電平有效P2.7V單位指示LED，低電平有效P3.1連接7135的BCD碼輸出端為B8P3.2連接7135的D5D5=1時A/D的結果10000位數據輸出P3.3連接繼電器J1，P3.4=1時K1吸合，連接衰減器P3.4連接繼電器J2，P3.5=1時K2吸合，接1/100衰減P3.6連接電子開關K1，P3.6=0時放大器電壓增益為10時，P3.6=1時增益就是1。五、系統軟件設計5.1時鐘頻率的確定(1)單片機時鐘:優點為頻率高和計算快，缺點是功耗大和抗干擾能力弱。本次設計不需要很快的速度，也不需要有串行通信的功效，所以對時鐘是沒有要求的，選擇fosc=6MHz[14]。(2)A/D的時鐘：當正向積分相位(10000×tcp)的時鐘長度成為干擾信號周期的整數倍，則其干擾和抑制作用非常佳。例如50hz的工頻干擾周期大約為20ms，正向積分的時間就是80ms，則80000uS=10000×TCP，即TCP=80000uS/10000=8uS，FCP=1/TCP=1/8uS=125kHz。ICL7135完成AD轉換需要40002個時鐘周期。當TCP=8uS時，周期T=40000×8μS=320mS。A/D的轉換速率約為3秒/次。5.2監控程序設計RAM地址分配表5.1RAM地址分配表地址用途說明0組工作寄存器R1；R4；R5時顯示器的自檢子程序，RO；R2ROM；RAM是自檢子程序，R1；R3是通道自檢子程序，RO；R2；R6；R7是顯示子程序1組工作寄存器a/d轉換中斷服務，ro地址指針，r5中斷計數(0萬位，4千位~1個位)，r6當前量程狀態2組工作寄存器k1和k2鍵處理子程序，r7手動量程鍵k2狀態計數器20H~22HA/D轉換結果，20H.7符號位，20H.0萬位，21H~22H千位~個位23H~25H儲存零漂值，壓縮BCD碼，方式同上26H~28H儲存計算的顯示值，壓縮BCD碼，方式同上2BH小數點應在的字位碼2CH顯示字段碼暫存2FH~33H顯示緩沖區，BCD碼，從萬位一直到個位50H~7FH堆棧F0暫存a/d轉換結果的符號位，0正或者1負2DH.02DH.0=1—ROM有故障2DH.12DH.1=1—RAM有故障2DH.22DH.2=1—輸入通道有故障2DH.32DH.3=1開機后自行檢查有故障2DH.42DH.4=1過量程2DH.52DH.5=1欠量程2DH.62DH.6=1自動轉換，2DH.6=0手動轉換2DH.72DH.7=1過載，最高量程仍超量程表5.2量程狀態轉換表:量程R6S2S1J2J1(P3.7~P3.4)P3口狀態代碼小數點應在字位碼(2BH)200mv00H00000FH04H(百位)2V01H01004FH10H(萬位)20V02H00011FH08H(千位)200V03H01015FH04H(百位)系統初始化參數及控制字:(P2)=40H，關掉報警和v單位指示燈并且關閉顯示器(P3)=OBFH，量程開關置自檢狀態OEH=05H，量程指示寄存器1組R6為自檢(SP)=4FH(IP)=01H，是高級中斷，別的都是低級中斷ITO=1，外部中斷置為邊緣出發(IE)=81H，只允許請求中斷(2BH)=10H，小數點放在字符位碼（萬位）(2DHD)=00H，請標記每個位置5.3序流程圖:圖5.1主程序流程圖圖5.2顯示子程序圖5.3A/D中斷服務ICL7135每分鐘都可以采集3次數據，在1/3秒后向CPU提出中斷請求，此時CPU已經停止采集工作并進行中斷服務。確定響應中斷后,PSW和ACC開始堆棧,首次確定中斷,如果這個中斷是第一次確定中斷,正負符號位置可以設為60h,然后把位置放在61h,如果這個中斷不是第一次中斷,則跳到下一個,第二次確定中斷,將于62年10位數h,如果這個中斷是第三次中斷，則把個位放在63h，第5次確定中斷把小數點放置在64H，個位也放在64H。同時，清除中斷頻率寄存器30H中的值。中斷完成后，ACC和PSW從棧中取出，打開中斷。每一次進行相應的電壓信號采集后,cpu將這些數據發送至led顯示器,可能會在其中出現以下幾個需要隱藏的情況需要消隱百位需要消隱百位、十位需要消隱百位需要消隱百位、十位—01.9—00.920V檔量程:—19.需要消隱百位9需要消隱百位六系統的調試和仿真系統測試是一個十分重要的環節，對系統的整體進行比對和測試，檢驗設計系統是否存在Bug或者有沒有部分設計不能夠實現[15]。這個測試方法可以便捷快速的發現系統不完善的地方，進行整體測試也是對各模塊的磨合聯動進行檢測，經常會出現單個模塊測試時功能都很完善但是整體測試的時候會出現差錯的問題。對系統的極限和功能也可以很方便的檢測出來，輸入不安全的情況來測試安全措施能否及時啟動并阻止不安全因素的侵入。再好比壓力測試，輸入正常數據量以及超負荷量等情況觀察系統的反應，有沒有崩潰功能是不是正常。使用普通的數字電壓表和本次設計的CPLD智能數字電壓表進行比對測試。一些細微的固有失真忽略，電壓測量比對結果如下表：表5.3電壓測量比對表電壓測試結果本次設計產品測量值/V6位半測量值/V0.01910.0191260.13550.1355450.18910.1891121.28841.2884891.59901.59906312.87312.87343109.12109.1234通過數據可以得知，本次設計的誤差達到了≤0.05%±5，分辨率也滿足0.1mV。本次設計使用的CPLD芯片是Altera公司的MAX7000S芯片。將編寫好的程序和功能器件放入仿真軟件中，排版連線后對整體系統編譯進行邏輯仿真測試，仿真成功可以實現功能后，將數據轉換生成配置數據，將轉換好的數據文件下載，對硬件產品各個功能模塊進行調試，就完成了智能數字電壓表的設計硬件設備就可以投入使用。結論在智能數字轉換控制芯片icl7135高度集成之后,我們將測量信號轉換成數字信號,然后到這個單片機處理數字信號，在液晶顯示器上精確地顯示我們的最終測量結果。本設計具有轉換速度快、性能穩定、電路簡單、實用價值高的優點。但存在以下不足:電路可以進一步的優化。由于知識的局限性，在電路設計上還存在著一定的問題,所以還需要擴展知識面,從而使整個電路的設計變的更好。在精度的控制問題上還需要進一步的深化強調。在采用測量理論幅值較小的測量信號時，由于信號放大器和電路之間的頻率關系,放大后的幅值信號和測量理論的幅值之間可能存在一定大的差距。功能可更加的完善。可以在輸入電路中添加i/u轉換器，這樣便能夠實現對電流的測量。參考文獻趙新民