初稿数字电压表设计

宁夏大学新华学院本科毕业设计（2017 届）题 目 简易数字电压表设计 系 别 专 业 年 级 学生学号 学生姓名 指导教师 年 月 日宁夏大学新华学院本科学位论文I摘 要一个测试结果稳定、准确的数字电压表，既能减少了使用者的工作量，又提高了测量的精准度，而且人为误差被大大减小，方便与电路打交道的人快速有效的完成自己的工作。本项目设计并实现了一个能够对 0-200V 范围的直流电压进行测量的数字电压表，显示部分小数点自动实现切换。项目基于 AT89C51 单片机，拓展 AD 转换、显示部分。不同档位的待测电压通过不同档位的衰减电路后变为 0-200mV，再通过一个 OPA336 一致放大到 0-2V 送入 AD 的输入端，然后通过芯片 AT89C51 内的程序控制 AD 转换并输出。不同档位的电压信号又不同的程序控制输出到数码管显示。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强，连线简单易于实现，而且成本很低，测出的电压精度也足够满足需求。关键词： 数字电压表；AT89C51 单片机；A/D 转换宁夏大学新华学院本科学位论文IIAbstractA stable and accurate test results of the digital voltmeter, which can reduce the user workload, and improve the measuring precision, and human error is greatly reduced, easy to deal with circuit quickly and effectively complete their work. This project was designed and implemented a to the range of 0-200 - v dc voltage measurement of digital voltmeter, shows part of the decimal point automatically switch. Project based on AT89C51 and expand the AD conversion, display part. Different gear after attenuation circuit of the voltage through different gear under test into a 0-200 mv, then through a consistent OPA336 amplification to 0 to 2 v into the input end of the AD, and then through the procedure in the chip AT89C51 control AD conversion and output. Different gear voltage signal and program control output to the digital tube display. The circuit design, powerful, strong scalability, attachment simple and easy to implement, and the cost is low, measured voltage precision is enough to meet demand.Key words: Digital voltmeter; AT89C51; A/D conversion宁夏大学新华学院本科学位论文4目 录第 1 章 前言1.1 概述1.2 系统设计目标1.3 可行性方案1.4 系统总体设计第 2 章 系统硬件设计与实现2.1 AD 转换部分设计2.2 ADC0809 芯片介绍2.3 芯片及显示部分设计第 3 章 系统的软件设计3.1 数字电压表功能模块3.2 软件部分的实现第 4 章系 统 测 试 与 结 果 分 析 致谢参考文献附录宁夏大学新华学院本科学位论文5第 1 章 前 言 电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调制度等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量，也包括非电量测量的基础。电压是基本的电参数，其它许多电参数可看作电压的派生量，由于电压测量方便，因此电压测量是电子测量中最基本的测量。按测量结果的显示方式可将电子电压表分为模拟式和数字式两大类。数字式电压表的核心是 A/D 转换器，A/D 转换器最基本的两种类型是积分型和比较型。前者抗干扰能力强，测量精度高，但测量速率低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。总的来说，积分型特别是双斜积分式 DVM 性能较优，应用较广泛。数字电压表除具有一般的所具有的准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性等优点，因而体积小，可靠性好，操作简便，由于数字电压表具有上述这些优点，使得它获得越来越广泛的应用。使用数字万用表的注意事项：（1）要注意该电压表的量程，切误测量比额定值大。（2）电压表使用或存放应避免高温、寒冷、阳光直射、高湿度及强烈振动环境。1.1 概 述 数字电压表（Digital Voltmeter）简称 DVM，它是利用模拟/数字变换器（A/D）原理，以十进制数字形式显示被测电压值的仪表。DVM 除了广泛用于电压测量外，通过各种变换器还可以测量其他电量或非电量，用途十分广泛。DVM 的高速发展，使它已成为实现量程自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。而高准确度直流 DVM 的出现，又使 DVM进入了精密标准测量领域。DVM 广泛应用在测量领域中，其测量结果的准确度和可信度取决于它结构主要性能和技术指标。评价某种 DVM 性能的优劣，产品质量是否合格，是否满足技术指标的要求，必须通过正确的鉴定和测试结果才能分析判断出来。传统的指针式电压表功能单一，精度底，读数不方便，不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，具有精度高，抗干扰能力强，可扩展性强等优点。现今，由宁夏大学新华学院本科学位论文6各种单片 A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，展示了强大的生命力。而且，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到新的水平。本设计中电压表可以测量直流电压测量范围（0200V）共分四档：200mv、2v、20v、200v，并且通过 4 位 LED 数码管三位半显示其数值。 所谓三位半的三位是指可以显示 09 的十个数字，称作全位。千位数最大显示为 1（小于 1 时消隐），这位在理论上讲最大能显示 2，比如在 2V 挡，最大显示应该是 2.000，但实际显示1.999，和理论值还差一。那么这位理论值最大应该显示 2，而实际只能显示 1，就叫做1/2 位。理论值为分母，实际显示最大值为分子。根据数字电压表的功能实现要求，选用 AT89C51 单片机作控制系统，由 ADC0809 实现 AD 转换功能，放大器选用 OPA336 实现放大 10 倍的功能。在保证送入 A/D 的电压为 2V 的等效电压时，利用 AD 还可以较精确地测出其值。因为对不同电压档位采用不同的端口和程序控制，所以可以大大减小电路的要求，更利于实现。1.2 系 统 设 计 目 标本项目要求设计并实现一个数字电压表的装置，该装置能够对 0-200V 范围的直流电压进行测量。输入为模拟直流电压，输出为数字量，并在必要的辅助输出显示设备上显示。同时具有正、负电压极性显示，小数点显示。能判读并显示被测量信号超出所选择的量程范围。并根据不同的量程能自动调整小数点。 数字电压表测量范围 0-200V，能将被测的模拟直流电压在显示设备上显示出来。数字电压表以基本量程为基础，同时设计衰减器进行量程的扩展。 具有 位（三位半）显示：有 3 位完整的显示，另外最213高位只显示 0 或 1。能够判读并显示被测电压的极性。测量速度为 25 次/秒，分辨率为0.1mV，测量误差0.1% 。1.2 可 行 性 方 案方案一：用 A/D 转换、LED 显示芯、各种需要的中规模门电路芯片、电阻、电容等纯硬件实现数字电压表：通过电阻衰减网络得到衰减后的电压，送入 CC7107，将其输出的数字量接入 LED 显示。该方法是用纯硬件实现数字电压表，硬件连接较复杂，电路体积大，测量方式不灵活，测量的误差比较大、精确度难做高。 宁夏大学新华学院本科学位论文7利用 ICL7106 实现的电路连线图如图 1ICL7106 是美国 Intersil 公司的产品，是目前应用最广泛的一种单片三位半的 A/D转换器。图 1该仪表的量程 UM=200Mv，称之为基本表或基本档。其中：C1、R1 分别为振荡电容和振荡电阻。RP、R2 组成基准电压的分压电路。RP 采用精密多圈电位器，R2 为固定电阻，调整 RP 可使基准电压 Uref=100.0mV。R3、C3 为模拟输入端的高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。因 ICL7106 的输入阻抗很大，输入电流很小，故可取R3=1M，C3=0.01uF。C2、C4 分别为基准电容与自动调零电容。C5，R4 依次为积分电容和积分电阻。仪表采用 9V 电池供电。电路中将 IN-端与 COM 端短接。该电压表的测量速率约为 2.5 次/秒。而 ICL7106 只有液晶笔段及背电极驱动端，没有小数点驱动端8。要显示小数点，需另加外围电路。方案二：采用单片机+A/D 芯片+显示芯片设计数字电压表：单片机型号广泛、并且价格低廉。只要单片机内部具有中断、I/O、RS232 等模块就能够满足选型基本要求，系统的精度能够保证。该方法硬件连接相对简单，测量误差较小，精度较高。原理框图如图 2据数字电压表的功能实现要求，选 AT89C51 单片机作控制系统，低电压经放大器选宁夏大学新华学院本科学位论文8用 OPA336 实现放大 10 倍、高电压经大电阻分压从而控制输入 ADC0809 的信号在 2V 左右实现 AD 转换经 AT89C51 送入 LED 显示。图 2A/D 转换方案模/数转换器是一种连接的模拟量转化成离散数字量的一种电路或器件。模拟信号转换为数字信号一般需要经过抽样保持和量化编码两个过程。针对不同的采样对象，有不同的 A/D 转换器可供选择，其中有通用的也有专用的。有些 ADC 还包含有其他的功能，在选择 A/D 器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还需考虑其他因素，如静态与动态精度，数据接口类型，控制接口与定时，采样保持性能，基本要求，校准能力、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件相关的问题。ADC 按功能划分可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。 A/D 转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行输入模拟信号极性转换等设计。方案 1：采用分级式转换器，这种转换采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速的完成模/数转换，同时可以实现较高的分辨率。例如，在利用两步分级完成 n位转换的过程中，首先完成 m 位的粗转换，然后使用精度至少为 m 位的模/数转换器，将此结果转换达到 1/2 的精度并且与输入信号比较。对此信号用一个 k 位转换器转换，最后将两个输出结果合并。方案 2：采用双积分型 A/D 转换器，如 ICL7153 等。双积分型 A/D 转换器转换精度高，但转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反映当前温度值，而且多数双积分型 A/D 转换器其输出端都不是二进制码，而是直接驱动数码管的。所以，若直接将其输出端接 I/O 接口会给软件设计带来极大的不方便。宁夏大学新华学院本科学位论文9方案 3：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是采用一个比较器输入信号与为基准的 n 位 DAC 输出进行比较，并执行 n 次 1 位转换。这种方法类似于天平上用二进制码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与高位比较，确定 DAC 的高位。确定后结果别、被锁存，同时加到 DAC 上，以决定 DAC 的输出。逐次逼近型转换器，如 ADC0809,AD574 等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接 I/O 口，软件设计简单。ADC0809 芯片内包含 8 位模/数转换器，8 通道多路转换器与微控制器兼容的控制逻辑。8 通道多路转换器能直接连通 8 个单端输入信号中的任何一个。由于 ADC0809 设计时考虑到若干中模/数转换技术优点，所以该芯片非常适合于过程控制，微控制器