积分式数字电压表单片机论文.doc

目目 录录 摘摘 要要 1 一 系统方案论证一 系统方案论证 2 1 芯片选择模块 2 2 数码管工作方式模块 2 3 双积分 DVM 电路方式模块 2 二 二 系统设计与总体分析系统设计与总体分析 3 1 总体设计 3 2 各模块实现原理 3 2 1 LED 数码管驱动电路模块 3 2 2 双积分 DVM 电路 3 三 理论分析与计算三 理论分析与计算 4 1 准备阶段 T0 T1 4 2 采样阶段 T1 T2 5 3 比较阶段 T2 T3 5 四 软件设计四 软件设计 6 五 系统测试五 系统测试 6 1 测试使用的仪器 6 2 指标测试和测试结果 6 3 测试结果分析 6 参考文献参考文献 7 附附 录录 8 1 摘 要 本设计采用单片机 89S52 芯片 为系统的控制核心 整个设计采用了模块化的 设计思想 包括直流稳压电源模块 LED 数码管显示模块 自动校零电路模块 采样 电路模块 测量电路模块 程序设计采用汇编语言编程实现 控制电子开关的闭合与 断开 通过双积分式 DVM 电路实现电路的自动校零 电路采样与输入信号的测量 从而输出较准确的电压值 本系统采用高精密电阻和高精度电容器件 较好地扩宽了 电压测量范围 降低了测量误差 在双积分式 DVM 电路的前一级采用双排阻 有效 地抑制工频干扰 提高了测量精度 达到了较高的性能指标 关键词 高精密电阻 高精度电容 双积分式 DVM 电子开关 双排阻 2 一 系统方案论证 本系统采用 89S52 芯片控制 4066 芯片电子开关的闭合与断开 对整个系统进行零 校准 采样积分 比较测量电压 达到题目要求的电压测量范围 测量分辨率 测量 误差 采样速率和输入较大的阻抗 同时抑制了工频干扰 以数码管的形式显示出精 度高 准确性好的电压值 因此系统分为以下几个模块 89S52芯片 LED数码管显示 双积分DVM电路 15V 5V Ux 直流稳压电源 8V 图 1 1 系统方框图 1 芯片选择模块 芯片选择模块 方案一 89S52 单片机是一种高性能 8 位单片微型计算机 它把构成计算机的中 央处理器 CPU 存储器 寄存器 I O 接口制作在一块集成电路芯片中 从而构成较为 完整的计算机 方案二 C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 具有与 80S52 兼 容的微控制器的内核 与 MCS 51 指令集完全兼容 除了具有标准 80S52 的数字外设 部件之外 片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功 能部件 方案选择 方案二中 C8051F005 芯片系统内部结构复杂 不易控制 芯片成本高 对于本系统而言利用率低 方案一 89S52 芯片简单易控制 成本低 性能稳定故采用 方案一 2 数码管工作方式模块 数码管工作方式模块 方案一 采用静态驱动法原理 利用移位寄存器将串行信号转换为并行信号驱动 数码管时 输出一次显示数据后 所有数码管可以一直保持显示 只有需要改变显示 内容时才重新发送一次显示数据 方案二 采用动态驱动法原理 采用这种方法时每只数码管轮流显示各自的字符 由于人眼具有视觉暂留特性 当每只数码管显示的时间间隔小于 1 16S时人眼感觉不到 闪动 看到的是每只数码管常亮 方案选择 方案一减少 CPU 端口驱动 数码管显示数据稳定可靠 方案二需要 CUP 提供较多的 I O 口驱动位码 段码 对于芯片要求较高 因此采用方案一驱动原 理 3 双积分 双积分 DVM 电路方式模块电路方式模块 方案一 基本式积分电路 基本式积分电路转换过程中需进行两次积分运算 一 次对被测电压 在采样时间内进行 定时间 积分 另一次是对基准电压进行反向 定电 压 积分 直到积分器恢复原状 反向恢复时间与被测电压成正比 其转换原理方框图 如附图 1 所示 3 方案二 三相积分式 三相积分式电路中每一测量周期需经自动校零 采样 比 较三个阶段 当开关 K3 K4闭合时积分电路进行零校准 断开 K3 K4闭合 K2电路进 行采样处理 断开 K2闭合 K1电路进行比较测量电压 同时与单片机相连输出精确电 压值 三相积分式转换原理图如附图 2 所示 方案选择 方案一对所用元器件没有苛刻的要求 而且可以实现高精度转换 因 此是一种应用最广泛的方式 但是方案一积分器所用的运算放大器零点偏移和漂移 积分电容的介质吸附效应及漏电阻等会引起转换误差 而方案二增加了 自动校零 功 能 与基本型相比 可以补偿积分器和检零器零点偏移的影响 有效地减小转换误差 因此本设计采用方案二 二 系统设计与总体分析 1 总体设计 总体设计 本系统采用单片机作为数据处理及控制核心 由单片机完成人机界面 系统控制 信号的采集分析及信号的处理和变换 利用数码管静态显示电路输出数字显示的方案 系统的总体原理图如附图 3所示 2 各模块实各模块实现原理现原理 2 1 LED 数码管驱动电路模块 LED数码管静态驱动 利用移位寄存器将串行信号转换为并行信号 89S52单片机 可用本身的静态端口或扩展I O端口直接与LED电路连接 也可利用本身的串行端口 TXD和RXD与LED电路连接 由于TXD RXD可运行在工作方式0 这样可以方便地连 接移位电路 锁存信号将移位寄存器中的内容锁存到锁存器中 并通过驱动电路驱动 发光二极管 数码管显示输出数据 电路原理图如附图4所示 2 2 双积分 DVM 电路 本系统采用双积分式电路 同时配用 270双排阻 此种方式有效地抑制了工频 干扰 提高了系统测量数据精度 双积分 DVM 电路原理图如附图 3 2 2 1 自自动动校零模校零模块实现块实现原理原理 自动校零阶段 K1 K2断开 K3 K4接通 积分器输入端接地 与检零器组成闭合 电路 在此阶段 可将积分放大器 K1和检零器 实为电压比较器 K2的零点漂移 或 偏移 分别记忆在校零电容 Caz 和积分电容 C 上 使此后的采样和比较阶段 积分器 和检零器输出电压的变化都不受漂移电压的影响 本阶段持续时间以 T0表示 2 2 2 采采样阶样阶段模段模块实现块实现原理原理 采样阶段 K2接通 K1 K3 K4断开 测量电压接入电路 进行固定时间 T1的积 分 2 2 3 比比较较 测测量 模量 模块实现块实现原理原理 比较阶段 K1接通 K2 K3 K4断开 接入与测量电压相反极性的基准电压 使 放电电压恢复到自校零阶段的电压值 持续时间以 T2表示 4 三 理论分析与计算 双积分式 DVM 由积分器 比较器 逻辑控制电路 主门 计数显示电路及电子 开关等部分组成 其工作过程可分为三个阶段 准备阶段 采样阶段和比较阶段 电 路基本原理框图如图 3 1 所示 其工作波形图如图 3 2 所示 K1 K2 K3 A1 0 0 R C 零比较器 逻辑电路 计数显示 主门 输入电路 U0 时钟 图 3 1 双积分式 DVM 工作原理框图 计数器 计数器 Uom Un Ux 采样定时积 分 比较定值积 分 零比较器 N1N2 t0t1t2t3t3 T1T2 计数器 计数器 计数器 T ext T extT ext T ext K1 K2 K3 K4 K1 K3 K2 图 3 2 DVM 的工作波形 1 准备阶段 准备阶段 t0 t1 这一阶段由逻辑控制电路首先将 K3接通 K1 K2断开 积分器输出电压 U0 0 2 采样阶段 采样阶段 t1 t2 这一阶段对被测电压进行定时积分 在 t1时刻 逻辑控制电路发出采样指令将电 子开关 K1接通 同时断开 K4 接入被测电压 Ux 积分器作正向积分 其输出电压 U0大于零并线性增加 比较器输出低电平 逻辑控制电路将主门打开 计算器开始计 算 当经过预定的积分时间 T1 到 t2时刻 计数器计得 N1个脉冲时 计算器溢出并 复位 进位脉冲使逻辑控制电路输出一个比较指令 将 K1断开 采样阶段结束 若输 5 入的被测直流电压 Ux不受干扰的影响 且输入电路的传输系数为 1 积分器输出电压 为 Uom 1 Ux RC T dtUx RC t t 1 12 1 式 1 中 T1 定时积分时间 T1 t2 t1 可见 Uom 正比于 Ux 若被测电压 Ux受到串模电压 usm 的干扰 即加到积分器 的输入电压为 U x Ux usm 此时 Uom 2 RC 1 xU RC T dtxU t t 1 2 1 由此式可知 Uom与成正比 即正比于输入电压的平均值 这样 串模干扰电Ux 压由于取平均值而大大减小了它对测量结果的影响 从而提高了积分式 DVM 的抗干 扰能力 3 比较阶段 比较阶段 t2 t3 这一阶段对基准电压进行定值反向积分 在 t2时刻 计数器溢出 清零 K1断开 K2合上 接入正极性的标准电压 UN 积分器开始反向积分 计数器从 0 开始重新计数 到 t3时刻 UO线性下降至 0 零比较器从低电平变为高电平 主门关闭 计数停止 并将此次得计数结果 N2以十进制数显示出来 同时 K4接通 重复上述过程 开始新 的测试周期 在 t3 时刻 积分器的输出电压为 0 Uom 3 N t t omN U RC T UdtU RC 2 3 2 1 将 1 式代入 3 式可得 T2 或 Ux 4 x N U U T1 N U T T 1 2 若取 T0为时钟周期 则 T1 N1T0 T2 N2T0 将 T1 T2代入 4 式得 Ux 5 2 1 N N UN 即计数器上的数值直接表示被测电压大小 四 软件设计 本系统的软件设计主要包括 开关控制 中断处理 定时计数器等模块 软件流 程图如附图 5 所示 6 五 系统测试 1 测试使用的仪器 测试使用的仪器 五位半真有效值数字台式万用表 型号 UT805 示波器 型号 GOS 620 2 指标测试和测试结果 指标测试和测试结果 表 测试结果 项目基本要求发挥部分要求实测指标 测量范围10mV 2V10mV 2V 量程200m 2V2V 测量分辨率1mV 2V 档 1mV 2V 档 测量误差 0 5 5 个字 0 5 5 个字 采样速率 2 次 秒 2 次 秒 输入电阻 1M 1M 性能抑制工频干扰功能 自动调零功能 自动 转换量程功能 功能都已实现 3 测试结果分析 测试结果分析 测量方法 取一路输入信号送入本系统双积分式 DVM 输入极 LED 数码管显示 输入信号的电压值 同时用五位半真有效值数字台式万用表监测输入信号的电压值 用示波器观察双积分 DVM 的工作波形 通过对两组数据的比较 检测本系统积分式 直流数字电压表的性能参数 测量数据如下表所示 表 1 测量电压数据记录 UxUU1 40 mV40 02mV40 030 05 80 mV79 98mV79 980 025 120 mV120 1mV120 140 083 160 mV159 9mV159 870 063 400 mV400 2mV400 10 05 800 mV0 8001V0 80040 013 1 2V1 197V1 19660 025 1 6V1 601V1 60080 063 Ux 真有效值数字台式万用表显示电压数值 U LED 数码管显示电压值 U1 被测电压值 测量相对误差 由上表数据可得 双积分式 DVM 电路采样过程中 由于采样时间以及内部晶振频 7 率之间存在一定的误差 因此造成最终显示电压的精度下降 产生系统误差 参考文献 1 魏岫崑 姜邈 吴秀珍 电子测量仪器 天津科学技术出版社 1986 2 宋启峰 电子测量技术 重庆大学出版社 2000 3 徐开友 王成珍 王保均 牛秀卿 低频电子线路 天津大学出版社 2001 4 何宏 单片机原理及接口技术 国防工业出版社 2006 5 李忠国 陈刚 单片机应用技能实训 人民邮电出版社 2006 附附 录录 附图 1 基本式积分电路转换原理方框图 检零器闸门 时钟脉冲源 积分器 C R K1 K2 K3 附图 2 三相积分式转换原理图 Ux UN C R K1 K2 K3 U1 U2 Caz K4 附图 3 系统的总体原理图 8 3 2 6 74 IC2 OP 07 RR1RR2RR3RR4 RR5RR6RR7RR8 R14 200K C14 1uF C15 1uF C2 334 C1334 C16 104 8V 12 13 K2A IC5 43 5 K1C R16 200K 89 6 K3D 1110 12 k4B 5 6 7 IC4B LF353B R17 510 2 3 1 84 IC4A LF353A R27 510 R19 R32 510K R25 100K C12 470uF C3 39uF R4 1 5K R5 10K R31 5 1K Q2 9013 5V 12 U1A 7406 56 U1C 7406 34 U1B 7406 89 UID INT0 R7 R8 R9 R11 2M R12 2M R13 2M P1 1P1 5P1 2 Ux K1K2K3 K4 K1 K2 K3 K4 INT0 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RTSET 9