LED发光二极管显示的3位数字电压表的设计.doc

信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目: 发光二极管显示的3位数字电压表的设计 16摘 要电压表是测量仪器中不可缺少的设备，目前广泛应用的是采用专用集成电路实现的数字电压表。本系统以51单片机为核心，以双积分式A/D转换器MC14433、LED显示器为主体，设计了一款简易的数字电压表，能够测量0200V的直流电压，最小分辨率为0.1mv。该设计大体分为以下几个部分，同时，各部分选择使用的主要元器件确定如下：1、单片机部分。使用常见的AT89S51单片机，同时根据需要设计单片机电路。2、测量部分。该部分是实验的重点，要求将外部采集的模拟信号转换成数字信号，通过单片机的处理显示在显示器上，该部分决定了数字电压表的精度等主要技术指标。根据需要本设计采用双积分式A/D转换器MC14433进行模数转换。3、键盘显示部分。利用46矩阵键盘的所有按键控制量程的转换，3或4位LED显示。其中一位为整数部分，其余位小数部分。索引关键词：AT89S51单片机 模数转换 LED显示 目 录1 任务提出与方案论证61.1 课程背景61.2 研究的目的及意义61.3 设计任务61.4 设计方案论证62 总体设计82.1 数字电压表组成原理方框图83 详细设计93.1 输入电路93.2 A/D转换模块的设计93.3 显示电路模块的设计134 总结17参考文献18 1 任务提出与方案论证 1.1 课程背景在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的参中以电压的测量较为常见，以传统的模拟式电压表结构简单，价格低廉，模拟交流电压表的频率范围比较宽，因而在电压测量尤其高频电压测量中得到广泛应用。但由于表头误差和读数误差的限制，加之模拟式电压表的灵敏度和精度不高，从50年代逐步发展起了数字式测量电压方法，它是利用模拟数字转换器，将连续的模拟量转换成离散的数字量，然后利用十进制数来显示被测量的数值的一种电压测量仪表。1.2 研究的目的及意义电压是工业控制中主要的被测参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油化工等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同场合，不同工艺，所需电压高低范围不同；精度不同，采用的被测元件，测压方法，以及对电压的控制方法也不同；时效不同则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因此对电压的测控方法也多种多样。随着电子技术和微机的迅速发展，数字式仪表的绝大部分电路都以集成化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表显得格外精巧、轻便。更主要的，它具有精确度高、数字显示、输入阻抗高、测量速度快、自动化程度高、功能多样。当前，数字式电压表的缺点是交流测量时的频率范围不够宽，一般上限频率1MHz以下。 1.3 设计任务设计一台三位半直流数字电压表，主要技术指标如下：（1） 测量范围：直流分五档，200mv，2v，20v，200v，1000v,其中基本量程为200mv；（2） 测量速度2-5秒；（3） 分辨率0.1mv（4） 测量误差（5） 输入电阻（6） 主要功能：具有正负极性显示，超量程显示，量程自动转换、小数点显示等功能。1.4 设计方案论证数字电压表主要由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器、基准电源等，数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔端码，最后驱动显示器显示相应的数值。A/D转换器是数字电压表的核心部件，对它的选择有以下两种方案。方案一：采用双积分A/D转换器CC7107/CC7106,它是大规模集成芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，包含了A/D转换、逻辑控制、译码驱动等电路，只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表。方案二：采用双积分A/D转换器MC14433，它是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟部分和数字部分的电路集成在同一芯片内。使用时仅需外界两只电阻和两只电容，就可组成一个具有自动调零和自动极性转换功能的A/D转换系统。MC14433用作数字电压表时CC14433有两个基本电压量程。即满刻度为1.999V和199.9V。与CC7017/CC7106相比。CC14433的引脚数要少，它只有27个引脚，需外接的元件也相应减少，因此选用MC14433来设计数字电压表。2 总体设计2.1 数字电压表组成原理方框图直流数字电压表的组成原理框图如图2.1所示。 2.1 数字电压表组成原理方框图根据数字电压表的组成原理（如图2.1所示），可知它应是有输入电路，A/D转换器，计数器，显示电路，逻辑控制电路，时钟电路等几部分组成。现分模块进行电路设计。3 详细设计3.1 输入电路输入电路的作用一是要适应各种被测电压的测量即扩大量程，为适应MC14433A/D转换器对输入信号电压的要求（V 时，OR输出低电平，平时OR为高电平。1619端：DS4、DS3、DS2、DS1，多路调制选通脉冲信号输出的个位、十位、百位、千位。2023端：、，A/D转换结果输出信号BCD码，为MSB位。24端：，正电源端。3.2.3 MC14433 A/D转换器外围电路的设计1.电路组成MC14433的外围电路如图3.3所示。由图中可知，它由核心芯片MC14433及基准电源MC1403芯片组成。可将输入被测电压变换成BCD码输出，供显示电路显示。 图3.3 外围电路2.MC1403简介MC1403的输出电压Vo的温度系数是零，即输出电压与温度无关。该电路的特点是：温度系数小;噪声小；输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压变化量Vo0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UXX为负电压时，Q2端输出置“0”， Q2 负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM 使显示器的“-”(即g 段)点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR 。 当Q3=0 且 Q0=1时，表示Ux处于过量程状态。当Q3=1 且 Q0=1时，表示Ux处于欠量程状态。当OR = 0 时，|Ux|1999，则溢出。|Ux|Ur则OR 输出低电平。 当OR = 1时，表示|Ux|Ur 。平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。 MC14433的OR端与MC4511的消隐端BI 直接相连，当UX超出量程范围时，OR输出低电平，即OR = 0 BI = 0 ，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。 3.3 显示电路模块的设计3.3.1 显示电路的组成数字显示电路由七段锁存-译码-驱动器CD4511和七路达林顿驱动器阵列MC1412组成，如图3.5所示。 图3.5 显示电路3.3.2 数字显示电路的工作原理1. CD4511简介CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的码七段码译码器，特点如下：具有转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。1）CD4511的引脚，如图3.6所示。CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有8两个引脚8、16表示的是VDD、VSS。 图3.6 CD4511的引脚图2）CD4511的功能表。CD4511的功能表如表3.1所示。输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111XXXX锁存锁存3）工作原理（1） 锁存功能译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态控制。在图3.9中，当LE为0时，TG1导通，TG2截止；当LE为1时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（2） 译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（3）消隐BI为消隐功能段，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为J=（C+B）D+BI。如不考虑消隐BI项，使得J=(B+C)D，据上式，当输入BCD代码从10101111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。2.MC1413 简介MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有较高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413的引脚及内部结构如图3.7所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一个驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。 图3.7 MC1413引脚图和内部结构三位半数字电压表整机电路原理图 4 总结我设计的数字电压表除了功能还不够完善，还存在一些缺点，测量精度也不够高。要想得到较高的测量精度除了选用一些高精度器件外，还应注意器件的选择和搭配。其次，在设计中也应该考虑其造价及产品的便携性等等。如果能进行动态检测就更好了。数字电压表在实际中有很高的应用价值，通过它的使用可以提高很多实验的成功率。其发展前景很好。通过这次实践，我了解了数字电压表的用途及工作原理，熟悉了数字电压表的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次设计是对我专业知识的一次检验和巩固 。参考文献1 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练