4位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作

毕业教学环节成果正文毕业教学环节成果正文毕业教学环节成果正文毕业教学环节成果正文题目4位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作学院信息工程学院专业应用电子技术班级学号指导教师2008年5月10日I4位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作位半积分式直流数字电压表硬件设计与制作摘摘摘摘要要要要A/D转换环节直接影响仪表的测量精度和分辫率，本文通过直流电压表的硬件电路及软件的设计，给出了以STC89C51单片机为核心、以分立元件制作的双积分型A/D转换器为主要部件的4位半积分式直流数字电压表的设计方案。本系统以模拟电路为主，由电源电路、电压采集电路、量程转换电路、积分比较电路、开关控制电路、单片机系统、显示电路等电路组成。单片机系统通过片内定时器对待测电压信号进行转化，转换成数字量后输出显示；双积分型A/D转换器是一个以积分器为核心的电路，其工作原理是借助积分器的两次积分过程，将被测电压变换为与其平均值成正比的时间间隔，然后由单片机计算成电压值并显示。经多组电压值的测量，测量误差0033个字，精度达到4位半。实现了自动校零和自动量程切换功能，有很好的实际应用价值。关键词STC89C51，双积分型A/D转换器，4位半，自动量程切换IIDESIGNOFFOURANDAHALFBITSINTEGRALDIGITALDCVOLTAGEMETERABSTRACTA/DCONVERTERDIRECTLYAFFECTSTHEACCURACYANDSUBBRAIDEDRATEOFTHEMEASUREINSTRUMENTSTHISARTICLEGIVESADESIGNPROPOSALOFDIRECTCURRENTVOLTMETERSHARDWARECIRCUITANDSOFTWARES,BYTAKENTHESTC89C51MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITASTHECORE,DOUBLEINTEGRALA/DSWITCHOFTHEDISCRETECOMPONENTASMAJORCOMPONENTS,FOURANDAHALFINTEGRALDIGITCURRENTVOLTMETERASDESIGNTHISSYSTEMANALOGOUSCIRCUITPRIMARILY,COORDINATESTHEPOWERCIRCUIT,THESIGNALVOLTAGEGATHERINGELECTRICCIRCUIT,THEMEASURINGRANGETRANSFORMATIONELECTRICCIRCUIT,THEINTEGRALCOMPARISONANDRETURNSTOTHENULLCIRCUIT,THESTOPGOCONTROLELECTRICCIRCUIT,THEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSYSTEM,THEDISPLAYCIRCUITAUTOMATICALLYTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSYSTEMISCARRIESONTHETRANSFORMATIONTOTHETESTINGVOLTAGESIGNAL,AFTERTRANSFORMINGTHEDIGITALQUANTITY,OUTPUTSTHEDEMONSTRATIONTHEDOUBLEINTEGRALA/DSWITCHISONETAKETHEINTEGRATORASTHECOREELECTRICCIRCUIT,ITSPRINCIPLEOFWORKDRAWSSUPPORTFROMINTEGRATORSREPEATEDINTEGRALSPROCESS,WILLBEMEASUREDTHATTHEVOLTAGETRANSFORMATIONFORTHETIMEGAPWHICHISPROPORTIONALWITHITSMEANVALUE,THENCALCULATESTHEDEMONSTRATIONBASEDONTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITTHEVOLTAGEVALUEAFTERMANYGROUPOFVOLTAGEVALUESURVEY,MEASURINGERROR003,THEPRECISIONACHIEVEFOURANDAHALFHASREALIZEDAUTOMATICCORRECTANDTHEAUTOMATICMEASURINGRANGETRANSFORMATIONFUNCTION,HASTHEVERYGOODPRACTICALAPPLICATIONVALUEKEYWORDSSTC89C51,DOUBLEINTEGRALA/DCONVERTER,FOURANDAHALFBITS,THEAUTOMATICMEASURINGRANGETRANSFORMATION目目目目录录录录摘要I引言11系统方案设计22硬件设计321电源电路3211稳压芯片介绍422信号采集与量程转换电路6221OP07运放介绍6222量程转换电路723积分比较电路8231双积分与自动回零9232比较电路10233LM324运放介绍10234积分电容分析1124逻辑开关控制电路11241CD4051介绍1225单片机系统13251STC89C51介绍1426显示电路14261液晶模块介绍153调试与测试1731调试工具17311数字示波器17312直流稳压电源17313五位半数字电压表1732硬件调试17321积分波形的测试1833软件调试1934硬件软件统调2035电压测试2036结论分析204扩展部分2241过载蜂鸣器报警，显示报警设计2242回零发光二极管提示设计2243量程转换蜂鸣器提示设计2244基于自动量程转换的多量程电压表设计2245基于自动量程转换的多量程电流表设计2246基于200MV直流数字电压表的通用表头设计23结论与谢辞24参考文献251引引引引言言言言数字电压表是采用数字化电路测量的电压仪表。它以其高准确度、高可靠性、高分辨率、高性价比、读数清晰方便、测量速度快、输入阻抗高等优良特性而倍受人们的青睐。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛应用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。其中双积分式电压表具有微分线性度极好，不会有非单调性的特点。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象。积分电路为抑制噪声提供了有利条件，双积分式数字电压表是测量输入电压在固定积分时间1T内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，因此在数字电压表中占有重要地位。4位半的数字电压表在市场上的售价较高，而自己设计制作的在双积分电压表，在达到同等性能的前提下，设计成本非常低。本论文介绍基于STC89C51单片机的4位半积分式直流数字电压表硬件设计的设计思路及实现方法。在设计中,充分利用了STC89C51单片机内部的高速计数器和以分立元件组成的双积分型A/D转换器的优良特性,使整个设计达到了比较满意的效果。硬件设计主要有电源电路、信号采集与量程转换电路、开关逻辑控制电路、积分比较电路、单片机系统、显示电路组成。所设计的电压表达到了设计要求的各项指标，并且在这个基础上进行功能的扩展。21系统方案设计系统方案设计系统方案设计系统方案设计根据任务书的要求，经过仔细分析，设计4位半积分式直流数字电压表以下三种方案。方案一主要采用单片机为中央处理器，配合放大电路、A/D转换模块，输出数码管显示。A/D转换模块以V/F转换器为核心进行数模转换。基本系统框图如图11所示。V/F转换器内含积分器，它是通过把电压信号转变为频率信号来实现A/D转换,V/F转换器具有接口简单、输入方式灵活、抗干扰能力较强、易于远距离传输等特点，但其转换时间较长，一般需要几毫秒至几十毫秒，适用于信号变化较慢的场合，且V/F转换器的输出频率和输入电压成正比，当输入电压增加时，积分时间缩短，单稳态触发器的翻转时间也缩短，从而使输出频率增加，以至数字电压表的精度变差。图11方案一基本系统框图方案二主要采用单片机为核心处理，同时运用电子开关、过零比较器、基准电压源、放大处理、A/D数据转换及由配有数码管显示的单片机最小系统。最小系统采用STC89C51单片机作CPU,STC89C51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大。A/D数据转换利用单积分型模数转换器的原理用模拟电路予以实现。这种电路的特点是电路简单，成本低，计数值与待测电压之间呈线性关系，但影响转换精度的因素较多，与时钟发生器输出频率，基准电压，积分器的R、C的误差和稳定性有关。方案三此方案除A/D数据转换电路和显示电路以外，其他部分和方案二相同。在此方案中A/D数据转换电路是利用以分立元件组成的双积分型A/D转换器来设计的。这种电路的特点是抗干扰能力强、准确度稿、稳定性好、A/D数据转换关系与积分电阻、积分电容、时钟频率无关，容易达到高精度，但转换速度比较慢。显示电路采用长沙太阳人1602字符型液晶作数据显示，可以达到稳定、清晰、字符输出数码显示单片机V/F转换器待测电压VX3等特性。方案一中内含积分器的V/F转换器属于专用A/D转换器，这与任务书要求不符；方案二单积分数模转换明显不如方案三的双积分数模转换性能优越，故选用了方案三。在已经选用的方案三中，采用分立元件组成的A/D转换器为主要元器件，配合电源模块、显示模块、单片机系统等就可以组成4位半积分式直流数字电压表的硬件设计。控制系统采用了我们熟悉的STC89C51单片机为核心。A/D转换器是由积分电阻、积分电容、积分器所组成的双积分型A/D转换器。电源采用5V的双电源设计，便于单片机的直接控制，反积分基准电压由专用稳压芯片TL431组成。如图12所示系统总框图，在数字电压表内，单片机通过对逻辑开关电路的控制来控制积分A/D转换，即在单片机控制下，逻辑开关控制电路在不同时间分别选通信号采集电路送出的电压（VX0或者VX1）进行正积分，对FV基准电压反积分及自动回零工作。正积分时间由软件定时，计数由定时/定数器及外部中断0INT口完成。图12系统总框图2硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计21电源电路电源电路电源电路电源电路本设计中电源电路是整个硬件设计中十分重要的部分，电源电路的稳定性、可靠性直接影响了电压表系统的精度与稳定性。电源电路分为5V电压、5V电压、反积分基准电压等。VXVX1单片机系统信号采集与量程转换电路VX0VF积分比较电路开关逻辑控制电路显示电路4本设计采用220V的交流电压，通过变压器降压，桥堆整流，再通过电容滤波得到16V的直流电，16V直流电经过7805和7905稳压，再通过电容滤波，得到较为稳定的5V电源。电源电路如图21所示，其中5V直流电为单片机系统、显示电路等模块的工作电压，5V直流电和TL431构成一个反积分基准电压、反积分基准电压电路如图22所示。5V直流电通过电阻分压得到一个05V的积分零参考点GV。1234BRIDGE1VIN1GND2VOUT3C82200UFC92200UFVIN2GND1VOUT3C10100UFC11100UFC12100PFC13100PFC14100UFC15100UFC16100PFC17100PF55AC220V78057905图21电压电路VF141312411U4DLM324R6510R751KR810KR5200C201UFC310UF231U5TL431555图22反积分基准电压电路211稳压芯片介绍稳压芯片介绍稳压芯片介绍稳压芯片介绍（1）7805和7905介绍三端固定输出集成稳压器通常有78系列（正电源）和79系列（负电源）。输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。本设计采用7805和7905两块芯片作为正负电源稳压芯片。5如图23所示7805基本应用电路图。为了使电路能够正常工作，要求输入电压UI比输出电压至少大253V，输入电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自己振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。一般取011F。输出电容C2,C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振的作用,。7905的基本应用电路与7805基本相同。VIN1GND2VOUT3C1033UFC3100UFC2100PF5VUI7805图237805基本应用电路图（2）TL431TL431是一个具有良好热稳定性的三端可调分流基准源,基本应用电路如图24所示。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从25V到36V范围内的任何值。由于其封装简单（如三极管）、参数优越（高精度、低温漂）、性价比高，近年来在国内外已经得到了广泛应用。231TL431R0R1R2C133UFUOVCC图24TL431基本应用电路许多稳压基准源的负载能力都很小，端电压调节也不方便，而由TL431构成的稳压基准源温漂极小，又有相当大的负载能力，且输出电压连续可调，输出电压由以下公式确定11/2UORRVRVR25V（21）当R1短路或R2断路时，UO25V；该器件的主要技术指标为基准电压温漂6小50PPM/；基准电压精度高25V1；输出噪声电压低100VPP；稳压范围宽2536V连续可调；负载电流范围大10100MA。22信号采集与量程转换电路信号采集与量程转换电路信号采集与量程转换电路信号采集与量程转换电路信号采集与量程转换电路是整个设计中十分重要的部分。电压表要达到高精度要求，必须从信号采集就开始保证其可靠性,电路如图25所示。X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3VCC16GND8U3CD4051P10VX0VX1R1200D14148D24148C1103R51KR21KR48KVXR32K2374618U1OP072374618U2OP075555555图25信号采集与量程转换电路在图中两个4148开关型二极管组成了限幅的作用假设当输入电压VX大于57V，则D1二极管导通；当输入电压小于07V的时候D2导通，因为相对于D2来说，正极小于负极07则导通。只要D1或者D2导通，输入电压被嵌位在57V或07V。所以通过测量电压VX取值范围为0757V。电容C1起到滤波去噪声的作用。这里的两个OP07分别是200MV档和2V档时的信号采集。第一个OP07组成电压跟随器，第二个OP07组成放大倍数为10倍的放大电路。当输入信号VX小于200MV时信号经过两级放大电路，即信号放大10倍，VX大于200MV则通过第一级电压跟随器后直接通过CD4051选择进入A/D转换。221OP07运放介绍运放介绍运放介绍运放介绍OP07是一种精密运算放大器，它使用双极性电源供电，具有精度较高，极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度，高增益，高输入阻抗及长期稳定等特点。广泛应用于双积分、比较器，及微弱信号的精确放大,尤其适应于宇航、军工的应用，引脚图如图26所示。7VDS1IN2IN3V4NC5OUT6V7VDS8图26OP07引脚图从图中可以看出OP07有8个引脚，其中“IN”、“IN”为两信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“OUT”为输出端。在实际放大电路中为了避免外界噪声源的影响往往在放大电路输出后接入一个滤波电路。本设计的是高精度的电压表，对被测电压采样的精度要求十分严格。采用OP07作为电压信号的采集放大电路可以较好的满足设计要求。222量程转换电路量程转换电路量程转换电路量程转换电路本次设计要求200MV和2V两个量程。因此对VX进行相应处理，当系统选择2V量程时采集的待测电压不放大直接处理，当200MV档时则将采集的待测电压先放大十倍后再进行处理。为了实现以上功能，采取了由OP07组成的电压跟随器和运算放大电路两种典型接法。运算放大电路是实现输出电压值和输入电压值成十倍放大关系。（1）OP07组成电压跟随器，电路如图27所示。2374618OP07UOUI55图27电压跟随器电路图运用电压跟随器其显著特点是，输入阻抗高而输出阻抗低。如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻上。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲，起到承上启下的作用。（2）OP07组成运算放大电路，如图28所示。8UOR51KR21KR48KR32K2374618OP07UI55图28放大电路此电路是同相放大电路，其放大倍数为AR3R4/R5。在电压表中的放大倍数为10倍。23积分比较电路积分比较电路积分比较电路积分比较电路这部分电路是A/D转换的中心，由运放LM324构成的积分器、LM324构成的比较器、积分电阻R9、积分电容C4等组成，如图29所示。其中，FV是基准负电压值，BV是信号采集与量程转换电路的输出电压，AV是自动回零时选通脚。在正积分的时候BV可以是VX0也可以是VX1（由待测电压VX的大小决定）；当在反积分的时候选通FV。R9100KC4394JR121KD34148R13200D44148OUTR13100R109KR111K567411U4BLM3249108411U4CLM324X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3VCC16GND8U5CD4051P11P12VVV55FBA555VGVO55图29双积分与比较电路图图中GV是积分参考点为05V,这样设计的目的主要是为了可以对很小的信号也可以达到较好的正积分效果，当BV约等于0V时，BV相对于GV的电压还是达到了05V，而05V的积分效果是比较理想的。这也是电路设计巧妙的地方。9231双积分与自动双积分与自动双积分与自动双积分与自动回零回零回零回零A/D转换是在单片机和逻辑开关的控制下，有条不紊地进行的，全部过程可分三个阶段正积分也称信号采集阶段。在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对检测电压VX0或VX1积分。积分器的输出电压随时间线性地增加。正积分时间由单片机控制，定时时间为1T，在1T结束时积分器的输出电压为11O11GXGX094941TTVTVVDTVVRCRC221T时间设定为20MS，当1T70，积分在线性工作区，因此选择R9100K，C4039F，R9C439MS,可以满足积分电容的线性工作区要求。反积分也称计数阶段。在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对基准电压FV积分。经过2T时间后回到GV,积分输出电压为2O22O11FG0941TVTVTVDTVRC23因此有12GXFG9494TTVVVVRCRC24化简得X12FVTTV，由此可以看出2T的大小取决于输入待测电压VX的大小。自动回零也称复位阶段,在该阶段,因反积分使过零比较器输出由高电平变成低电平,对单片机产生中断信号，致使单片机对逻辑开关电路使CD4051的15脚导通,使得积分电容上的电荷得以充分释放,输出电压降到零GV。自动回零时间由单片机控制，设定时间3T60MS。A/D转换工作波形模拟图如图210所示。图210A/D转换工作波形TT积分器输出波形比较器输出波形T3T2T110232比比比比较电路较电路较电路较电路这部分的电路是产生单片机中断信号的电路，所以在整个的系统中是十分重要的，电路如图211所示。D34148R13200D44148OUT9108411U4CLM324VO55图211比较电路图中VO是积分器的输出信号，在比较电路中是输入信号；OUT是比较电路的输出信号，直接送到单片机P32中断口。其中4148开关型二极管起到保护作用。当正积分的时候，VO0，比较器输出电压为5V，如果将5V电压直接送入单片机中断口，很可能将单片机损坏，由于D4的作用，使得输出电压为07V，单片机检测到中断信号时，立即停止内部计数器计数，然后将计数值进行相应的处理。233LM324运放介绍运放介绍运放介绍运放介绍LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图212所示的电路图来表示。231411AVVVIVI（反反反反反反反反反反反反反反反反反反反反）（同同同同反反反反反反反反反反反反反反反反）VO图212LM324电路图它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，VI（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相反；VI（）为同相输入端，表示运放输出端VO的11信号与该输入端的相位相同。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可以单双电源使用，价格低廉等优点，被广泛应用于控制和一般信号放大处理之中。234积分电容分析积分电容分析积分电容分析积分电容分析在双积分电路中积分电容十分关键，积分电容的类别、容量就直接影响了积分波形的线性与否，积分波形的好坏就影响了电压表的精度，漏电流要小这是选择积分电容的重要基本原则。在本次设计中，积分电容采用了039F容量的聚苯乙烯薄膜电容，该电容具有漏电流小，介质损耗小，绝缘电阻高等特点。经过示波器测试可以发现的波形是十分线性的,因此采用这种电容作为积分电容是十分理想的。24逻辑开关控制电路逻辑开关控制电路逻辑开关控制电路逻辑开关控制电路逻辑开关控制电路控制着电压表的核心部分，逻辑开关控制电路本设计中的主要作用是单片机通过对模拟电子开关的控制，分别在不同的时间内对VX、FV采样进行积分转换及自动回零,电路如图213所示。R9100KC4394JR121KR13100R1010KR111K567411U4BLM324X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3VCC16GND8U5CD4051P11P12VVV55FBA555VGVO图213逻辑开关电路双积分电路的正反积分和自动回零都是通过单片机对CD4051输入通道的选择来实现的。单片机的P11和P12都为零时，CD4051的13脚接通，即进行正积分；当单片机的P11为0，P12为1时CD4051的14脚接通，进行反积分；当单片机的P11和P12都为1时CD4051的15脚接通，使AV导通,使得积分电容上的电荷得以充分释放,输出电压降到零GV。12241CD4051介绍介绍介绍介绍CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定，如图214为CD4051引脚图。X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3VCC16GND8图214CD4051引脚图图中“INH”是禁止端，当“INH”1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用。若模拟开关的供电电源VCC5V，GND0V，当VEE5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。真值表见表21。表21CD4051真值表选通通道输入状态INHIBITCBA0000010001200103001140100501016011070111NONE11325单片机系统单片机系统单片机系统单片机系统单片机系统是整个设计中最核心的部分，这部分控制信号采集电路，控制逻辑控制电路，控制了双积分A/D转换的全部过程，控制显示电路。在该系统中，实现了对A/D转换结果的滤波、加、减、乘、除的系数运算。因此，做好单片机系统显得尤为重要。该系统以STC89C51单片机为核心的系统电路如图215所示。为了调试的方便，我将单片机的程序下载电路也设计在里面，这样就大大提高了电压表的开发效率。Y112MHZC620PC720PC522UR210KS2P101P112P123P134P145P156P167P178REST9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30EA/VP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U6STC89C51192837465RP110K复位D34007P10P11P12P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22555单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单图215单片机系统单片机对整个双积分A/D电路的控制分为以下几个过程自动回零、正积分、反积分。单片机对A/D转换的控制主要体现在对模拟开关的控制上。在电路设计中由于巧妙地采用了逻辑开关控制电路，节省了单片机的I/O口资源，设计中只用了P11、P12和P32。P11和P12的不同输出将A/D转换的全过程分为（1）自动回零单片机令P11“1”，P12“0”，使模拟开关CD4051的15脚导通。到一定的设定时间后，积分电容的电荷全部放掉，达到回零的效果。（2）正积分单片机P11“0”，P12“0”，使模拟开关CD4051的13脚导通，积分器对待测电压VX信号积分。（3）反积分正积分定时时间到后，单片机令P11“0”，P12“1”，使模拟开关CD4051的14脚导通，积分器开始对反积分电压进行反积分，同时单片机进入计数工作方式。14（4）自动回零计数到一定时间后，积分器过零且比较器翻转，使得P32中断口由“1”变为“0”，计数器停止计数。此时的计数值便是A/D转换的结果。同时单片机令P11“1”，P12“0”，使模拟开关CD4051的15脚导通，A/D转换器进入自动回零期。251STC89C51介绍介绍介绍介绍STC89C51系列单片机是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，是MCS51系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机。STC89C51单片机具有增强型12时钟/机器周期、6时钟机器/周期任意选择，工作电压为34V55V；工作频率范围040MHZ，相当于普通8051的080MHZ。实际频率可达48MHZ。用户应用程序空间为4K字节；片上集成512字节RAM；有32个通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口；可通过串行口（P30/P31）直接下载用户程序，具备EEPROM功能，工作温度范围在0750，共有3个16位定时器/计数器，其中定时器T0还可以当成2个8位定时器使用；封装形式为DIP40。STC89C51引脚图如图216所示。P101P112P123P134P145P156P167P178REST9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30EA/VP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40STC89C51图216STC89C51引脚图26显示电路显示电路显示电路显示电路根据设计要求，数字电压表有200MV和2V两个量程，精度达到4位半，显示15范围从十进制数019999，分辨率为01MV（2V量程时）。因此就需要显示电路具有较多的位数，同时可以显示字母和符号，所以采用1602字符型液晶显示器作为数据显示，电路如图217所示。VSS1VDD2VO3RS4R/W5E6D07D18D29D310D411D512D613D714BLA15BLK16J4R21201/2W1133W2R2210K55P20P22P00P01P02P03P04P05P21P07P061602液液液液液液液液图217液晶显示电路采用液晶显示器具有工作电流比LED小（功耗低）、可以有良好的人机界面、直观、显示效果理想、体积小等优点。图217中的R22是10K的可调电阻，主要是调节液晶显示器的对比度。261液晶模块介绍液晶模块介绍液晶模块介绍液晶模块介绍本次设计是采样长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器，实物如图218所示。图2181602字符型液晶显示器实物图161602液晶显示器分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚。1602液晶显示器主要技术参数显示容量162个字符；芯片工作电压4555V；工作电流20MA50V；模块最佳工作电压50V；字符尺寸295435WHMM。1602液晶显示器采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表22所示。表22引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLK背光源负极8D1数据16BLA背光源正极引脚说明第1脚VSS为地电源；第2脚VDD接5V正电源；第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接通正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读取信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第714脚D0D7为8位双向数据线；第15脚为背光源负极；第16脚为背光源正极。173调试与测试调试与测试调试与测试调试与测试31调试工具调试工具调试工具调试工具在整个调试过程中，调试工具十分重要，工具的好坏直接影响了电压表精度的测量和进一步深化。本次设计中主要应用了数字示波器，直流稳压电源，五位半数字电压表等工具作为调试工具。311数字示波器数字示波器数字示波器数字示波器本次设计中数字示波器是一个十分重要的工具，在调试中要用示波器观察单片机I/O端口的输出信号，判断时序是否正确；观察双积分波形的好坏，线性与否，推算积分电阻是否合适；观察中断输出波形，判断是否为较为明显的中断信号等。而这些波形是关系电压表设计质量好坏的关键因素。因此要设计高性能电压表，数字示波器是必不可少的工具。312直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源稳压电源主要是提供一个可以调节的待测电压，在调试过程中，要采集大量的有效数据进行分析。通常通过稳压电源输出电压改变从而得到一些新的有效数据。313五位半数字电压表五位半数字电压表五位半数字电压表五位半数字电压表电压表主要是校准所设计的电压表，由于所设计的电压表需要达到4位半的精度，所以校准的时候需要用5位半的电压表来校准。32硬件调试硬件调试硬件调试硬件调试本次设计中，调试是十分重要的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。在设计电压表的过程中，我们不断的调试，不断的改进，从一个发现问题到解决问题的过程。从调试来看，要做到分模块调试，结合软件进行调试，最后整机调试。分模块调试中，先从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要是看电源电路的输入输出是否正常，带负载时看输出5V的波形，判断带负载能力及波动大小，这两个因素是十分关键的，当电压的带负载能力不好时，整个设计的稳定性就不能保证，当电压的波动较大时，电压表的精度就大大下降了。18信号采集电路的调试。待测电压经过这部分电路再进行正积分，所以这部分电路主要是关系电压表的精度。调试时先将输入一个200MV到2V之间已知的待测电压，再用数字万用表测量通过一个由OP07组成的电压跟随器的输出电压，多组测量，分析输出结果。再将一个小于200MV的待测电压，再用数字万用表测量通过一个由OP07组成的同向放大电路的输出电压，多组测量，分析输出结果。由于OP07采用了双电源的供电，所以这部分的实际效果十分理想。单片机系统与显示的调试。单片机系统是电压表的核心，显示电路对待测电压的大小的显示。为了方便电压表的调试方便，我将这两部分的硬件电路设计在同一块电路板上。在调试时，先判断这块板子的供电是否正常，再调试单片机最小系统是否能正常工作，最后调试显示电路。调试显示电路时结合单片机，使单片机控制显示一个1602的调试程序，还要调节电位器，使显示的字符有个合理的对比度。逻辑开关控制电路的调试。这部分的调试工作有两方面，第一要调试两个CD4051芯片能否正常受单片机的控制，第二要对比电压信号通过CD4501前后的参数，分析CD4501对信号是否有改变，这些都是影响电压表精度的因素。321积分波形的测试积分波形的测试积分波形的测试积分波形的测试在这部分的电路调试中，需要结合所有的硬件模块和软件模块及调试工具进行整体调试。积分波形能否输出是A/D转换器能否正常工作的关键，关系到电压表的设计能否实现；积分波形是否线性决定了电压表的精度的高低。首先单片机输出高低电平去控制量程转换电路使量程转换到2V档，正积分时间定时为20MS，反积分时间定时40MS，自动回零时间定时为20MS。再输入一个待测电压，用示波器测试积分器的输出波形，如图31就是积分输出波形的截图。图31积分输出波形19从积分波形可以发现，积分器工作波形是非常线性的，因此本电压表在硬件上已经基本可以实现较好的实际效果。33软件调试软件调试软件调试软件调试首先编一段简单的程序，使单片机P11口、P12口分别输出两个方波，用示波器观察这两个I/O口的输出波形是否符合设定的要求。在保证波形正确无误后，就可以采用此程序对CD4051模拟开关的控制，通过逻辑开关的控制就可以使A/D转换有条不紊的进行，正积分时间20MS，反积分时间40MS，回零时间20MS。用示波器去观察积分器的输出波形，当存在积分波形时，说明CD4051的开关控制已经受单片机控制了。接着就要观察积分波形的质量，主要是要观察积分波形是否线性，如果波形正常说明A/D转换可以正常进行。接下来的就是读取A/D转换数据，并且进行数据处理。由于本次没有采用标定的法，所以要取得一个正确的数据就必须直接观察读取计数值，这就需要让计数值直观的显示在液晶显示器上。关闭所有的数据处理程序，编写一段显示程序放到计数值读取后面，这样就能比较直观无误的读出计数值。因为积分波形是线性的，所以我们可以通过读取多组数据来确定A/D转换的系数。在运算中会遇到比较多的算法，加、减、乘、除，这些都需要分模块来进行调试。系数得到确定后再进一步的提高精度，最后是进行自动量程转换、过量程报警、回零指示等一些处理。自动量程转换其原理是系统开机时默认选择大量程测量2V档，每次都将待测电压经A/D转换后的计数值和02V计数值比较，当计数值小于02V时建立量程转换标志位，在程序执行第二次循环时通过标志位判断选择小量程测量200MV档；反之清除标志位，在程序执行第二次循环时量程不变。同理当选择小量程测量的时候每次都将待测电压经A/D转换后的计数值和02V计数值比较，当计数值小于02V计数值时建立量程转换标志位，在程序执行第二次循环时继续选择小量程测量；反之清除标志位，在程序执行第二次循环时选择大量程测量。这样重复循环就实现了自动量程转换。超量程报警原理是当待测电压VX超过2V时，系统将通过调用一段显示全部为8的子程序并蜂鸣器发出声响。回零指示是当电压表自动回零时，液晶显示器显示00000MV，同时系统置一个I/O低电平使发光二极管导通发光。2034硬件软件统调硬件软件统调硬件软件统调硬件软件统调首先将单片机设置成选择1倍的量程，正积分20MS，反积分40MS，回零20MS。将P32中断口设置为低电平有效。在CD4051模拟开关的控制下，使正积分运行20MS，当反向积分来临时，同时开启单片机内部计数器对模拟电压值进行计数，反向积分结束的时候保存计数值并清计数器，然后对计数值通过显示器直接读取，以便更加准确无误的确定系数。记录0输入时候的计数值的数据，记录200MV时的计数值，记录2V时的计数值，计算2V的计数值。这些都是一些关键的数据，再分析理论值和实际中的计数值，通过示波器的观察我们可以确定这些数据都是线性的，所以可以通过运算最终确定一个系数。最后将计数值进行BCD码转换，输出显示数据。显示时再加上软件滤波可以得到更好的显示效果，这里指的滤波主要是均值滤波法。通过对比我们可以发现相对在没有采用软件滤波的情况下，得出采用均值滤波后显示数据要稳定的多。35电压测试电压测试电压测试电压测试采用5位半数字电压表与本设计电压表分别对待测电压进行测试，比较测试结果，如图表31所示。表31电压测试数据标准电压值自动选择量程实测电压值误差1000MV200MV档0100MV050000MV200MV档5000MV0120000MV200MV档12001MV0008199990MV200MV档19997MV001020020V2V档02000V001125000V2V档12503V0024198000V2V档19804V002036结论分析结论分析结论分析结论分析通过原理分析和实际电压值测量表明，数字电压表达到以下技术指标测量范围是1MV2V；有200MV和2V两个量程；显示范围十进制数019999；测量分辨21率达到01MV（2V档）；测量误差0033个字；具有自动校零功能；具有自动量程转换功能。224扩展部分扩展部分扩展部分扩展部分本次设计数字电压表，占用较少的单片机I/O端口，单片机共有32个端口，而电压表只占用了16个I/O端口，因此为电压表的扩展部分有了较好的硬件资源保证。本部分的电路设计主要是作为电压表的功能扩展、性能优化、智能化设计。以下的几项扩展设计都已经在理论的可行性上做了深入分析，并有了较为清晰的设计思路。其中前面的3项已经在本次设计的电压表作品中实现。41过载蜂鸣器报警过载蜂鸣器报警过载蜂鸣器报警过载蜂鸣器报警，显示报警设计显示报警设计显示报警设计显示报警设计当待测电压的电压值超过2V时，电压表的蜂鸣器就发出报警声，同时电压表的液晶显示屏幕上显示5个8。当过载的时候电压表就发出了声音和显示的报警。42回零发光二极管提示设计回零发光二极管提示设计回零发光二极管提示设计回零发光二极管提示设计当电压表自动回零的时候，发光二极管就发出绿色的光。43量程转换蜂鸣器提示设计量程转换蜂鸣器提示设计量程转换蜂鸣器提示设计量程转换蜂鸣器提示设计本电压表的设计是具有自动量程转换的功能的，为了使切换时更加的智能化，所以加上了量程转换蜂鸣器提示设计。当200MV档和2V档相互之间切换的时候蜂鸣器就响一下，代表量程已经自动转换完成了。44基于自动量程转换的多量程电压表设计基于自动量程转换的多量程电压表设计基于自动量程转换的多量程电压表设计基于自动量程转换的多量程电压表设计本次设计的电压表具有200MV和2V两个量程，为了使该电压表的应用更加广泛，可以将电压表的量程进行扩展，设计成高分辨率、高