频率电压电流转换实验装置的设计毕业论文

毕业设计说明书题 目：频率-电压-电流转换 实验装置的设计 学院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 黄 伟 职 称： 讲 师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发第 1 页 共 48 页第 1 页 共 48 页桂林电子科技大学毕业设计用纸摘 要单片机在信号检测和控制系统中有非常广泛的应用，电压、电流、频率信号转换测量对于很多工业生产具有很现实的意义。本文设计了一种简单的电压、电流频率信号转换测量系统。系统使用AD694、MAX472、LM331作为主要的信号转换芯片,以TLC1549作为AD转换芯片，以51系列单片机作为控制核心来构建系统。该系统具有信号转换、测量和显示功能，在工业和农业等领域有广泛的应用。本文详细的描述了电压、电流和频率信号转换测量系统的系统设计方案、硬件电路设计和软件设计，并对部分硬件电路和开发的C语言程序进行验证。系统在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文最后一章对本次设计作了总结，并提出了不足之处，为系统以后进一步开发奠定了基础。本次设计的电压、电流、频率转换测量系统能够实现电压、电流、频率信号之间的相互转换并进行测量，解决了现实中的某些困难，对工业和农业，以及我们生活具有非常大的意义。关键词：转换测量；51单片机 ；TLC1549 ； MAX472 ； AD6941第 43 页 共 48 页桂林电子科技大学毕业设计用纸Abstract Microcontroller has a very wide range of applications in signal detection and control system, voltage, current, frequency measurement signal conversion for many industrial production with a very real sense. This paper describes a simple voltage, current frequency signal conversion measurement system. System uses the AD694, MAX472, LM331 chip as the main signal conversion to AD conversion chip TLC1549 as to 51 computers to build the system as the control core. The system has a signal conversion, measurement and display functions, and enables the serial output in industry and agriculture and other fields have a wide range of applications. This paper describes in detail the voltage, current and frequency measurement signal conversion system design solutions, hardware and software design, and part of the hardware and development of the C language program for validation. Analyzing the feasibility of the system, based on the reliability, with reference to engineering design, to establish a structured design ideas. This last chapter of this design are summarized and presented inadequacies of the system laid the foundation for the further development of the future. The design of the voltage, current, a frequency converter for voltage measurement system, current, frequency conversion between the signal and measured, to solve some of the difficulties of the display in the industry and agriculture, as well as a very large we live significance.Key words: Convert and measure; 51SCM；TLC1549；MAX472；AD6942目 录引言11 绪论11.1 课题背景11.2 研究的意义22 电压-电流-频率转换测量的方案设计22.1 课题设计要求22.1.1课题主要功能指标要求22.1.2设计要求22.2 频率电压电流转换系统结构23 电路设计与论证43.1 设计分析43.2 系统总方案53.3 各个模块方案53.3.1单片机选择53.3.2 A/D采样系统选择83.3.3 显示部分选择103.3.4 单片机与PC机通信电路设计133.3.5电流-电压转换选择133.3.6电压电流转换选择143.3.7AD694电路原理164 理论分析及电路设计174.1 系统总体设计与框图174.2 实际电路174.2.1单片机系统174.2.2 A/D转换电路194.2.3 LCD1602显示电路设计194.2.4 单片机与PC机通讯电路204.2.5电源电路设计204.2.6电压电流转换电路设计214.2.7电压频率转换电路设计224.2.8电流电压转换电路设计224.2.9电流频率转换234.2.10频率电压转换234.2.11频率电流转换245. 系统软件设计245.1 系统软件设计总体流程图2415.2 测量转换系统软件设计255.3 LCD1602软件设计275.4 电压转换测量模块软件设计276. PCB板的制作286.1 原理图与PCB的制作286.2 电路板到印制和焊接287. 调试与性能分析297.1 调试297.2 性能30 7.3误差分析308. 总结与思考31谢 辞33参考文献34附录352引言随着电子技术和计算机技术的迅速发展和进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域中，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。但是很多传感器只提供420mAH或者05V的直流模拟信号输出，比如我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入15mA或者2001000Hz的模拟信号，所以一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。此外，随着现在电子产品的种类越来越多，工作的信号源也不同，还有很多场合需要实现电压、电流、频率这三个信号之间能相互转换。而购买专用的转换装置不仅价格昂贵，而且因为对设备原理不甚了解，维护不方便。而实际上自己设计制作的转换电路同样也可以实现信号转换测量功能，也方便工作人员对设备的维护。本设计就是一种以单片机为核心，以MAX472、AD694和LM331为主要转换器件，并用TLC1549作为A/D转换器件的电压、电流、频率转换实验装置。1 绪论1.1 课题背景对于电压当要较远距离传输信号的时候，用电压传输的话会有比较大的压降，这个时候如果换成电流传输的话，压降情况就会好很多；一般的高频，宽带运放，如果上了一定频率的话，都免不了要使用电流运放的形式。现在绝大多数的提供电量的多是电压源，所以在某些场合必须要将电压转换成电流；在现在电路设计中，通常需要知道某一个未知电流源信号的值，而普通测量电压的方式是采用万用表直接测量，但是有时候需要时时监测电流，并将测量到的电流值输入电脑进行处理，这时万用表测电压显然不适用了；现在采用单片机为核心来时时检测电流的值，需要进行AD转换，而AD转换芯片的输入信号是电压值，所以需要将电流信号转换成电压信号；此外，在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号，需要先将其转换成电压信号，以便送给各类设备进行处理。在现在的电子产品中有很多的产品的驱动信号源是频率信号，而我们常用的信号源是电压信号，所以有必要将电压信号转换成频率信号。此外，现在还有很多电子器件输出的信号是频率信号，而有些电子器件的输入信号是电压或者电流，实现频率转换成电压或者电流就显得十分有意义。111.2 研究的意义在现代电子技术飞速发展的情况下，需要电压、电流、频率相互转换的情况越来越来越多，而对于一些小企业，买专门的转换器需要花费大量的经费，而且后期维护相对复杂。而本次研究就实现了很多企业的需求，而且成本相对低廉，维护方便，为很多的企业节约了经费。2 电压-电流-频率转换测量的方案设计2.1 课题设计要求2.1.1课题主要功能指标要求： （1）供电电源：12V。 （2）主机显示器件：LCD。（3）功能：电压频率转换测量、电压电流转换测量、电流频率转换测量。（4）指标：电压测量范围0V5V；测量精度0.4V。电流测量范围0A3A；测量精度0.04A。频率测量范围0Hz10kHz；测量精度1Hz。电压、电流、频率三者可相互转换。（5）供电电源：子机3V5V；主机12V。 2.1.2设计要求 （1）拟定完整合理的技术方案。设计完整的系统电路。 （2）制作、调试可供测试的试验电路板。 （3）能通过实物检测。（4）要求完成的硬件简洁、美观。2.2 频率电压电流转换系统结构电压电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随着负载的变化而变化。而用电流作为信号传输相比电压传输有很多优点。电压传送过程中会有电压损失，信号容易受到干扰。而电流方便远距离传输，而且其值不受负载的影响，相比电压传输稳定。正是电流传输具备这样的有点，有时候必须将电压转换成电流。电压频率转换，即V/F转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的频率信号，并实现输出。其用于信号处理或者控制技术，常见于FM解调，电机变频控制领域。它输出的频率与负载没有关系，只与其电压值的大小有关系；电流频率转换，即I/F转换，是将输入的电流转换成频率信号，并实现输出；虽然电流传输和频率传输都能避免电压传输所引起的信号干扰和衰减，但是有些电子器件工作的信号源是频率信号，所以在传输过程中需要将电流信号转换成频率信号。而电流电压转换，即是将输入的电流信号转换成电压信号，并实现输出；频率电压转换是将输入的电压信号转换成频率信号，并实现输出；频率电流信号是将输入的频率信号转换成电流信号并实现输出。 信号转换系统一般由信号转换电路、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器组成。系统框图如图2-1表示。A/D转换电路微处理器信号调理电路信号转换电路 图2-1 系统框图其中信号调理电路，它是信号源与A/D之间的桥梁，也是控制系统中重要的组成部分，信号调理的主要功能是：（1） 某些测量信号可能是非电压量，入热电阻等，这些非电量信号必须变为电压信号，还有些信号是弱电压信号，如热电偶信号，必须放大，滤波，这些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等。（2） 某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模高达220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集处理的任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离，路间隔离等等。（3） 综上所述，电量的转换，信号形式的变换，放大，滤波，共模抑制及隔离等等，都是信号处理的主要功能。（4） 信号调理电路包括电桥，放大，滤波，隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。电桥的典型应用之一就是热电阻测温。用热电阻测温时，工业设备距离计算机较远，引线很长，这容易引进干扰，并在热电阻的电桥中产生长引线误差。解决的办法有：采用热电阻温度变送器，智能传感器加通讯方式连接，采用三线制连接方法。（5） 信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（宽带、上升率），幅度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制。常用于前置放大器的有uA741,LF347（低精度），OP-07(中精度)，ICL7650（高精度）。（6） 滤波和限幅电路通常采用二极管，稳压管，电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性，且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。此外，由于限幅值比最大值输入值高，当使用多路开关时，某一路超限时可能影响其他路，需要选用优质模拟开关，如AD7501.（7） 共模电压的存在对模拟信号的处理有影响。高的共模电压会击穿器件，即使没有损坏器件，也会影响测量的精度。隔离是克服共模干扰影响的有效措施。常用的隔离方法有：光电隔离，采用隔离放大器等。3 电路设计与论证3.1 设计分析根据设计要求，本设计需要采用以往所学习的各项理论知识，并尽量采用较新的技术手段和新器件来对课题进行设计。通过联想所学习知识，最终决定采用芯片来实现电压、电流和频率之间的转换，。对于电流电压转换，在经过集成芯片把电流转换成电压后，输出的电压经过A/D采样转换电路和电压频率转换电路，从而实现电流转换成电压和电流转换成频率，并经单片机处理系统，LCD显示系统。同理，电压转换成电流和频率，或者频率转换成电压和电流，都是经过转换电路和AD转换，并经过单片机处理系统，LCD显示系统。因为本设计需要有较高的测量精度，因此各个模块必须有较高的精度、低噪声、可靠性强等诸多性能要求。3.2 系统总方案图3-1 系统总体方案图如图3-1所示：采用单片机作为整个系统的核心，计算出电压、电流频率信号的大小，用按键进行复位，并采用串口输出，将测试结果送到电脑进行处理。单片机控制简单快捷，而且单片机其资源丰富，控制功能强大以及可位寻址操作、价格低廉，使其在实现测试过程中成为一个很好的方案。3.3 各个模块方案3.3.1单片机选择【方案一】选用AVR系列单片机。AVR单片机是高速单片机，硬件采用哈佛（Harward）结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令为单周期指令，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令；它支持程序的在系统编程ISP，开发门槛较低，性价比高；有丰富的外设，如RTC、WATCHDOG、AD转换器、PWM、UART接口等，部分型号还可以使用片内振荡器提供系统18MHz的系统时钟，使该单片机无外加晶振器件即可工作；I/O口功能强、驱动能力大，I/O口有输入/输出、三态高阻输入，也可以设定内部拉高电阻做输入端的功能，工业级产品，具有大电流（灌电流）1040mA，可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件；具有较大容量EEPROM,可察写10万次的EEPROM，为掉电后数据的保存带来方便，来电后能记住掉电时的工作状态，EEPROM容量为64B4KB；AVR是低功耗单片机，具有休眠省电功能（Power Down）及闲置（Idle）低功耗功能，一般耗电在11.25mA;AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接受缓冲、波特率自动调整定位（接受时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。【方案二】选用51单片机。51系列单片机目前得到广泛使用，如AT89C51。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示。图3-2 芯片引脚图管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。特性概述AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。该单片机提供了足够的接口，允许硬件上进一步拓展，而且其软件千变万化。本设计设计到的电路并不复杂，虽然AVR功能比单片机更加强大，资源和外设也更丰富，但是传统的89C51单片机已经足够本实验的设计，而且价格也更便宜。所以最终选择89C51单片机。3.3.2 A/D采样系统选择近年来模数转换技术发展很快，在增强、功耗降低的同时转换速度也在极大地提高，转换频率从几百KHz提高到几十MHz，而且芯片也较廉价，使用也日益广泛。其A/D转换器的种类也越来越多，目前使用广泛的有：逐次逼近式A/D转换器、余数反馈比较式A/D转换器、双积分A/D转换器、V/F变换式A/D转换器和-式A/D转换器等等。逐次逼近式A/D转换器：速度高，外用元件也不多，大多数单片集成A/D转换器芯片多采用此方式。但对于快速变化的输入信号应配备采样保持器才能保证转换精度的要求。此外，A/D转换器本身对于输入信号中的噪声无抑制作用，必须采用外加软硬件抗干扰措施，才能抑制输入信号中大部分随机干扰。余数反馈比较式A/D转换器：这种转换方式分辨率高，量化误差小，转换精度高。这种转换方式的速度主要受两个因素的限制，一种是每次循环进行电压数字转换的时间；一种是余数模拟电压的建立时间。目前，采用这种方式的A/D芯片，通过辅助一些另外的技术措施，其转换速度也可以较快。双积分A/D转换器：抗干扰能力强，具有较高的转换精度，电路结构简单，编码方便，但是转换速率低，常用于速度要求不高，精度要求较高的测量仪表仪器中。V/F变换式A/D转换器：由于应用了积分电容，具有很多的抗干扰性能、良好的线性度和高的分辨率，电路结构简单。缺点是转换速率低，在一些非快速的检测信道中愈趋向使用V/F变换式A/D转换器代替常用的A/D转换器。-式A/D转换器：它兼有反馈比较和积分式的优点，具有较强的抗干扰能力，量化噪声小、分辨率高和线性度好的优点。转换速率也高于积分式AFC，因此，-式A/D转换器是用于户外智能仪器仪表和工业过程参数检测控制的优先选择。根据设计题目要求，需要选择基于SPI接口A/D转换芯片。比如TLC1549，如图3-3所示。TLC1549是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器。它采用了CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用查分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调误差达到1LSBMax(4.8mV)等特点。图3-3 TLC1549引脚图管脚说明ANALOG IN (2):模拟信号输入。驱动源阻抗应该是3.1千瓦。外部驱动源的模拟,应该有一个电流能力。一十毫安。CS (5):芯片选择。高向低过渡的重置内部计数器和控制，使数据和I / O时钟内最大的一个设置时间加上两个属于边缘内部系统时钟。低到高过渡禁用I / O时钟设置时间内下降的边缘加两国的内部系统时钟。DATA OUT (6):这3态串行输出的A / D转换结果是在高阻抗状态时，政务司司长高，积极当政务司司长低。以有效的芯片选择，数据是从高阻抗状态，并驱车前往相应的逻辑电平的最高有效位价值先前的转换结果。下一个下降沿的I / O 时钟驱动器DATAOUT的逻辑水平相应的下一个最重要的一点，其余位转移，以便与LSB的出现在第九届下降沿的I / O时钟。十下降沿的I / O时钟，数据驱动低逻辑电平的串行接口，使数据传输的超过10个时钟产生的未使用的零LSBs 。GND (4):接地I/O CLOCK(7):输入/输出时钟。 I / O时钟接收串行I / O时钟输入和执行下列三个功能：(1)在第三个下降沿的I / O时钟，模拟输入电压开始充电电容阵列和继续这样做，直到第十下降沿的I / O时钟。(2)班的其余九名位前转换数据上的数据。(3)转让控制转换的内部状态控制器的下降沿十时钟。REF+(1):上参考电压值（标称虚拟通道连接）适用于参考+ 。最大输入电压范围为所确定的差别电压适用于参考+和电压适用于参考-.REF(3):较低的基准电压值（标称地面）适用于参考-.VCC (8):正电源电压 工作原理在芯片选择（CS）无效情况下，I/O CLOCK 最初被禁止且 DATA OUT 处于高阻状态。当串行接口把 CS 拉至有效时，转换时序开始允许 I/O CLOCK 工作并使 DATA OUT 脱离高阻状态。串行接口然后把 I/O CLOCK 序列提供给 I/O CLOCK 并从 DATA OUT 接收前次转换结果。I/OCLOCK 从主机串行接口接收长度在 10 和 16 个时钟之间的输入序列。开始 10 个 I/O 时钟提供采样模拟输入的控制时序。在 CS 的下降沿，前次转换的 MSB 出现在 DATA OUT 端。10 位数据通过 DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要 10 个时钟脉冲。如果 I/O CLOCK 传送大于 10 个时钟长度，那么在的 10 个时钟的下降沿，内部逻辑把 DATA OUT 拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内 CS 端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态。 在本系统中，根据实际需要和性价比综合考虑，可知采用TI公司生产的TLC1549，10位开关电容逐次逼近串行A/D转换器，此10位A/D完全可以满足本次设计的要求。3.3.3 显示部分选择【方案一】采用LED数码管动态扫描显示。LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连 接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图3-3是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。 图3-3数码管内部电路 图3-4 10引脚数码管 图3-5数码管引脚定义 LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。动态显示驱动：数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。采用8位动态扫描显示的优点是能改善外部信号对显示的干扰，但单片机在工作时要求CPU不停的对LED更新，这将会降低系统的运行速度，且占用资源比较多。【方案二】串行通讯方式实现8位LED的LED的静态显示。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才可以。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。采用串行通讯方式实现8位LED的静态显示，虽然可降低端口的使用，也不会降低CPU的运行速度，但整个显示界面显得不太友好。【方案三】采用LCD液晶显示器显示,如LCD1602，如图3-6所示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 图3-6 LCD1602实物图它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。 图3-7 LCD1602引脚图市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。1602采用标准的16脚接口，其引脚如图3-7所示，其中： 第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。它可在3.3V或5V工作电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。 相比这三种方案，液晶显示功耗低，轻便防震，显示界面友好。因此本系统采用方案三。3.3.4 单片机与PC机通信电路设计由于单片机为TTL电平而PC机采用ELA电平，二者通信需要电平转换。【方案一】采用MC1488完成TTL电平到EIA电平的转换，MC1489完成EIA电平到TTL电平的转换。此方案，电平转换稳定性好，速度高，出错率低，但是硬件电路复杂，成本稍高。【方案二】直接采用MAX232可以同时完成TTL到EIA和EIA到TTL的电平转换。此方案成本低，电路简单，而且通用性强，编程技术以及外围功能电路的配合使用都很成熟，网上及图书馆资料多。而且满足一般PC机与单片机通信要求。综合考虑，本次设计选用MAX232实现TTL和EIA电平转换，从而实现单片机与PC机通信。3.3.5电流-电压转换选择【方案一】采用分压电路的方法实现电流电压转换。将电流接入电阻，在电阻的两端引出电压，即可实现电流电压转换。其中，可以使用电位器调节输出电压的大小。这种方法最简单，但是需要考虑功率和放大倍数的选择问题，所以在要求不高的情况下才使用。【方案二】采用霍尔传感器。使用霍尔效应，在元件两端通过电流I，并在元件垂直方向上施加磁感应强度B的磁场，即会输出电压。使用这种方法虽然能够实现转换，但是容易受到外界环境的影响，转换精度不高。对于本次设计不符合。【方案三】三极管方法。三极管一样能够实现放大作用，但是要采用多级放大。尝试将一个05A信号转换为05V信号。最简单的是加一个1欧的电阻，但这样发热功率过大，所以需要采用电流互感器将原先的电流变小。按照一般互感器指标是输入010A信号，变比为200：1，即05A的信号变为025mA。下面采用运放直接搭接的方法实现转换。考虑到相位的问题，对电路作了改进。利用50欧电阻在正端产生的电压与负端相等的条件，并利用运放的放大功能，实现最终要求的。另外，用集成运放OP27为的是得到更高的运算精度;50欧的电阻是前端互感器带负载要求。但是三极管方法实现电流电压转换的时候，非线性比较严重，误差大。【方案四】采用MAX472电流电压转换芯片。MAX472作为一个专门用于电流电压转换的芯片，其外围电路简单，测量范围大，而且精度较高。综上可知，采用方案四既便宜又简单，转换精度高，更适合本次设计。3.3.6电压电流转换选择【方案一】结合放大器运用负反馈电路来实现电压电流转换。如图3-8所示，电路主要由一个运算放大器LM324和三极管BG9013以及一些辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压，R为负载电阻。由运放性质可知：V-=le*Rw=(1+k)le*Rw。流经负载R的电流Io即BG9013的集电极电流等于K*lb。为了为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接，并经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03% ，转换精度符合要求。由此可见，为了实现高精度，需要很多的限制条件，相对于本设计不是很符合。图3-8 F/I转换图【方案二】运用AD694电压电流转换集成芯片。AD694是一种单片电压-电流转换器。它将输入电压信号转换成标准的420mA电流信号，可广泛用于压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用的控制。它具有输入缓冲放大器、V/I转换电路、输入量程选择端、开路和越限报警输出端，功能强大，使用时不接或者直接很少的外部元件。它能达到0.002的非线性度，精度高，且抗干扰性强，是过程控制、工业自动化和系统检测等领域中取代分立元件设计的一种理想集成电路。AD694的主要特点：1、工作电压范围：+4.5+36V；2、输入范围：02V或010V； 3、输出范围：420mA或020mA；4、输出端承受电压能力强，且能承受负电压，最高承受Vs-2V,最低承受Vs-36V;5、具有输出开路或越限报警功能；6、可与电流输出型A/D转换器直接配合使用，实现程控电流输出；7、输出端可外接晶体管,这种方法降低芯片本身的功耗，扩大使用的温度范围；8、器件提供16引脚陶瓷和塑料ISOC封装形式，使用温度范围：-40+70。AD的引脚如图3-9所示。 3- 9 AD694芯片引脚图表3-1 引脚功能引脚符号功能1FB反馈输入引脚2SIG负输入信号引脚如果该引脚与FB相连，则缓冲放大器为电压电压跟随器3+SIG正信号输入引脚42VFS2V满刻度引脚5COM公共引脚（地线）64mA ADJUST4mA失调偏移电流调整引脚710V10v强制电压输出引脚82V2V传感电压输出引脚94mA ON/OFF4mA接通/断开引脚10ALARM报警信号输出引脚，正常时为高电平，异常时为低电平11Iout电流输出引脚12BOOST备份段，一般不用13Vs电源电压引脚14BW ADJUST带宽调整引脚15,16Vos ADJUST缓冲放大器失调电压调整引脚3.3.7 AD694电路原理AD694的功能可以分成三部分，第一部分是输入缓冲放大器；第二部分是V/I转换器；大三部分是偏置电流和参考电压发生器。输入缓冲放大器缓冲放大器采用单电源供电，它既可以作为单位增益的输入缓冲器，又可以通过调整增益来放大输入信号，还可以作为电流输出方式D/A转换器的输出缓冲器。缓冲放大器的输入端能承受负载的几百毫伏到-2.5V。V/I转换器缓冲放大器输出的电压信号经放大器A2转换成00.8mA的电流信号，再经电流镜像放大20倍后变成016mA的电流信号。这种电流镜像方法能够使输出端（引脚11）驱动高达Vs-2V的负载。下面以010V信号为例，说明V/I转换过程。放大器A2将FB（脚1）的电压（010V）加在R1 、R2上，产生00.8mA电流。电流是经电源Vs、电阻R3达林管Q2、电阻R1(2.5K)、R2（10K）流向公共端（引脚5）的，放大器A3又使R3、R4(45)并联，二者流过的电流比是电阻比的倒数，这样流经R4的电流是流经R3的电流的20倍，得到的电流为016mA.由以上可知，输出电流Iout=20它具有输出报警功能，可以单电源或者双电源供电，具有高精度的参考电压，并能直接与8位，10位及12位单电源CMOS双极性ADC接口，抗干扰性能高，电源电压可在4.5V36V。外围电路很简单。通过比较这两个方案，我们发觉方案二更为简单，而且测量精度高，对于外界环境的要求没有方案一苛刻，所以选择方案二。4 理论分析及电路设计4.1 系统总体设计与框图如图3-1所示，本系统采用89C51单片机作为控制核心，以10位的串行A/D转换TLC1549为数据采样系统，实现电压、电流和频率信号的数据采集显示。该过程是：先将输入信号（电压、电流、频率）经过转换（电压转换成电流或者频率，电流转换成电压或者频率，频率转换成电压或者电流），并将转换后的信号经过调理电路，转换为TLC1549可以接受的电压信号，此电压信号经过A/D转换为数字限号输入到单片机中进行处理，或者直接输入到单片机，单片机经过处理后把数据送到LCD中显示。PC机与单片机的通讯在此主要是用于向单片机烧录程序。当然如果数据比较复杂，也可以把采集到的数据送到PC机中处理。按键部分，可以通过按键结合单片机复位，以便采集下一次的数据。4.2 实际电路4.2.1单片机系统 1.时钟电路 根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式分为内部时钟和外部时钟。内部振荡方式：MCS-51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内，即接XTAL2引脚，XTAL1引脚接地。对于本次设计，使用内部振荡方式就能满足要求，并且节约成本。晶体振荡器选用石英晶体。其典型值为12MHZ、11.0592MHZ和6MHZ，本设计中使用的石英晶体频率为11.0592MHZ。电容C1和C0主要作用是帮助振荡器起振其值的大小对振荡频率也有影响，因此常用调节电容的大小实现对频率微调，典型值为30pf和22Pf,本设计采用22Pf。晶振与电容组成并联谐振荡回路，从而使单片机内部电路产生自振荡。其原理图如图4-1。图4-1 时钟电路图图中XTAL1、XTAL2分别接到单片机的XTAL1、XTAL2引脚，在单片机内它是振荡电路反相放大器的输入输出端，要检查单片机的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。 2.复位电路51单片机的复位分为上电复位和手动复位。这次设计采用手动复位方式。复位电路图如图4-2所示。图4-2 手动复位电路图RESET引脚是复位信号输入端，复位信号为高电平有效，有效持续时间在24个振荡周期以上才能有效完成复位操作。在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲；只要该脉冲保持10ms以上，就能保证单片机自动复位。C10取10pF，R0取10k,这样就能可靠地上电复位和手动复位。4.2.2 A/D转换电路我们利用TLC1549作为A/D数据采样，它是串行接口方式的A/D转换器，仅有8个引脚，外围接线很少。体积小，速度快、精度高。适用于仪器仪表、传感器、工程检测等方面。图4-3 A/D转换电路图4.2.3 LCD1602显示电路设计我们采用字符型液晶，其原理图如图4-4所示。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、RW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RW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RW为高电平时可以读忙信