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毕业设计83设计一款数字钟，以89C52单片机为核心
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计83设计一款数字钟，以89C52单片机为核心,电气电子毕业设计论文
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I 摘 要 数字钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本文主要就是设计一款数字钟，以 89C52 单片机为核心，配备液晶显示模块、时钟芯片、温度传感器等功能模块。数字钟采用 12/24 小时制方式显示时间，定时信息，遥控止闹， AM、PM 提示以及年月日显示等功能。同时还能对温度、电压等进行测量。 文章的核心主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、时钟电路、人机接口电路、信号处理电路、执行电路等几部分组成。软件用 C 语言来实现，主要包括主程序、键盘扫描子程序、温度测量子程序、电压测量子程序 、时间设置子程序等软件模块。 关键词 单片机 液晶显示器模块 数字钟 数据采集 nts II Abstract The digital clock is most common in the daily life,using is also most widespread.This article mainly designs a section digital clock,Take the 89C52 one-chip computer as the nucleus,provides the liquid crystal display module,clock chip, temperature sensor functions module and so on.The digital clock uses 12/24 hour system way demonstration time,timeing information.The remote control stops noisily.AM, PM prompt,as well as year, month and day demonstration functions and so on.Simultaneously also can carry on the survey to the temperature,voltage and so on. This article nucleus mainly includes the hardware design and software program two big aspects.The hardware circuit design mainly includes central processing element electric circuit,clock electric circuit,man-machine connection electric circuit,signal processing electric circuit,carring out the electric circuit several parts and so on.Software programs the realization with the C language.Mainly includes the main program,keyboard scanning subroutine,temperature survey subroutine,voltage survey subroutine,time establishment subroutine software module and so on. Keyword One-chip computer Liquid-crystal display module Digital clock Data acquisition nts III 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 第二章 方案设计与论证 . 2 2 1 主功能设计 . 2 2 1 1 时钟电路设计 . 2 2 1 2 闹钟电路设计 . 2 2 2 辅助功能设计 . 3 2 2 1 温度测量电路设计 . 3 2 2 2 电压与电网频率测量电路设计 . 3 第三章 硬件设计 . 4 3 1 单片机外围电路 . 4 3 1 1 振荡电路 . 4 3 1 2 复位电路 . 5 3 2 时钟电路 . 7 3 3 温度测量电路 . 8 nts IV 3 4 电压与电网频率测量 . 10 3 4 1 电压的衰减电路 . 11 3 4 2 电压测量电路 . 13 3 4 3 电网频率测量电路 . 16 3 5 A/D 转换电路 . 21 3 6 音乐闹钟电路 . 24 3 7 遥控部分 . 25 3 8 键盘与显示电路 . 26 3 8 1 键盘部分 . 26 3 8 2 显示部分 . 29 3 9 电源设计 . 31 3 10 通信部分 . 32 第四章 软件实现 . 34 4 1 编译器介绍 . 34 4 2 软件编程思想 . 35 4 3 辅助芯片介绍 . 36 nts V 4 3 1 液晶显示器 （ LCD） 指令介绍 . 36 4 3 2 时钟芯片 （ DS12C887） 介绍 . 38 结论 . 40 致谢 . 41 参考文献 . 42 附录 1 . 43 附录 2 . 56 附录 3 . 72 nts 1 第一章 绪论 在当代繁忙的工作与生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响。为了更好的利用我们自己的时间，我们必须对时间有一个度量，因此产生了钟表。钟表的发展是非常迅速的，从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字 式钟表，即使现在钟表千奇百怪，但是它们都只是完成一种功能 计时功能，只是工作原理不同而已，在人们的使用过程中，逐渐发现了钟表的功能太单一，没有更大程度上的满足人们的需求。因此在这里，我想能不能把一些辅助功能加入钟表中去。 在此设计中所设计的钟表不但具有普通钟表的功能，它还能实现多个额外的功能：温度测量、电压测量、电网频率测量，而且还能进行遥控止闹。 本设计主要分为硬件电路设计和软件实现两大部分。硬件电路设计采用模块设计：中央处理电路、时钟电路、温度测量电路、电压与电网频率测量电路、V/F 转换电路、音乐闹钟 电路、遥控止闹电路、键盘电路和液晶显示电路、指示灯电路、通信电路以及电源电路几大部分；软件采用 C 语言编程实现，设计采用按功能模块划分，包括：主程序、显示程序、电网频率测量程序、电压测量程序、温度测量程序、加 1 程序、减 1 程序。 nts 2 第二章 方案设计与论证 2 1 主功能设计 此部分主要包括有两部分，即时钟电路和闹钟电路两部分。 2 1 1 时钟电路设计 方案一： 利用单片机内部的定时功能来实现时钟的走时，通过编程实现每 1秒产生一次中断，每产生一次中断，秒单元加 1，秒单元加到 60 时，跳回到零再继续加，同时分单元加 1，以次类推，从而实现时、分、秒的走时，并显示。 由于此方法在断电后将停止走时，且通电后必须对时钟再进行调时、校准，这是比较麻烦的，故不采用此方法。 方案二： 选用 DS12C887 专用时钟芯片。 DS12C887 芯片内部带有晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池，且一起封装在该芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，因此无需电位检测端，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电。充电一次可供 DS12C887 运行半年之久，保证芯片在正常工作时的时钟数据不会丢失。而且 DS12C887 芯片具有完备的时钟、闹钟及到 2100 年的日历功能，可以选择 12 小时制和 24 小时制两种显示方式，如果是12 小时制，则有 AM 和 PM 显示，另外还有星期、夏令时操作及闰年自动补偿等功能。 由于 DS12C887 的诸多优点，如掉电后，可以由内置锂电池供电，保证时钟正常运行，在重起后无需进行时钟校准，这给用户带来了很大的方便，故采用此方案。 2 1 2 闹钟电路设计 方案一： 采用一个由红外线发射器和红外线接收电路两部分组成的遥控开关，利用 555 定时器对停闹时间起一个延时作用。 由于遥控开关的红外线发射器与接受器 是分离的，这样增加了数字钟的设nts 3 计任务，从而增加了数字钟的成本，对于数字钟的应用范围，这是没有必要的。故不用此方法。 方案二： 采用一个红外光发光二极管和一个光敏三极管组成遥控控制电路，采用 555 定时器形成延时电路，这样的电路简单，而且容易实现。闹钟采用 7920A集成音乐芯片，采用 M51182L 集成放大电路对音乐信号进行放大。 比较方案一和方案二的优缺点，故在这里采用方案二。 2 2 辅助功能设计 2 2 1 温度测量电路设计 方案一： 利用负温度系数热敏电阻为核心进行测温电路的设计。负温度系数热敏电阻在工作 范围内电阻随温度的升高而降低，它的灵敏度高、响应快。由于此热敏电阻是随温度的增加而降低，增加了在软件实现时的工作量，且线形度度不好。 方案二： 利用 AD590 绝对温度 -电流传感器。 AD590 是电流型温度传感器，是以电流输出量来指示温度，其典型的电流 -温度灵敏度是 1A/K ，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输上的电压信号的损失和噪声干扰问题，由于它采用最新的薄膜电阻激光微调技术标准，使得 AD590 具有很高的精度，测量范围在 -55oc +150oc。 比较这两个方案优点 与缺点，所以在这里采用方案二。 2 2 2 电压与电网频率测量电路设计 方案一： 利用整流桥将交流电直接转换成直流电进行测量，这样电压的测量范围会比较小。同理，电网频率测量也只才用一个档进行测量，一样会降低测量范围。故不选用此方案。 方案二： 利用电压衰减电路把电压信号分为几个档分别进行测量，这样提高了测量的范围，增加了使用范围；同理，把频率也分为几个档进行测量，这样会增加频率的测量范围。 比较这两个方案的优缺点，决定在此采用方案二。 nts 4 第三章 硬件设计 3 1 单片机外围电路 单片机正常工作时，必须需要一 些外围电路的支持，如振荡电路，它给单片机提供一个工作的时钟频率；一个复位电路，它可以确保单片机从起后程序从开始地址开始执行，确保程序的执行正确，而且在执行过程中出错时，可以对其进行复位，从而避免发生不必要的错误。 3 1 1 振荡电路 由于单片机的内部带有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器电路OSC，它的输入端与输出端 XTAL1、 XTAL2 外接一个石英晶振一起构成一个自激振荡器。当石英晶振起振后，能在 XTAL2 端输出一个 3v 左右的正弦波，使单片机的 OSC 电路按石英晶振相同的频率开始自激震荡。在外围电 路中再接入两个电容 1C 与 2C ，从而构成了一个完整的并联振荡电路。电路如图 3-1 所示。通常 OSC 的输出时钟频率典型值为 12MHz，电容 1C 与 2C 可以帮助起振，一般对电容值的大小没有什么严格的要求，但是电容容量的变化会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，所以电容使用10pfpf30 。 在本设计中，采用由石英晶振与电容 1C 、 2C 接在内部振荡器 OSC 的输入、输出端，构成并联振荡电路， 1C 、 2C 使振荡频率工作稳定性提高。其中石英晶振的取值为典型值，即 12MHz， 1C 、 2C 的电容选择 33pf。 X T A L 1X T A L 289 C 52图 3 - 1 外接晶振振荡电路33pf1C3 3 p f2C12 M H z图 3-1 外接晶振振荡电路 nts 5 用户也可以采用外部时钟，这种情况下外部时钟接到 XTAL1 或者 XTAL2的其中一个端口上，另外一个悬空或接地，电路如图 3-2 示。由于外部时钟是通过 2 分频触发器作为内部时钟信号，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但是高电平持续的时间和低电平持续时间应符合技术条件的要求。这样就提高了实现的难度和成本。 X T A L 1X T A L 289 C 52图 3 - 2 外接时钟振荡电路V SSNC外部时钟信号输入图 3-2 外接时钟振荡电路 3 1 2 复位电路 单片机在开机时，为了确保其他功能部件都处于一个确定的初始 状态，并从初始地址开始执行。复位信号由 RST 引脚输入，复位信号是高电平，且持续24 个时钟周期以上时，则会对单片机内部进行复位操作。 通常，复位的方法有自动上电复位、人工按钮复位、自动上电复位与人工按钮复位相结合三种方法。 自动上电复位电路如图 3-3 所示。其中电容 f10C ，电阻 k8R 是一个下拉电阻，使 RST 输入为低电平时为 0v。当给单片机上电时，由于电容 C 两端的电势差不能突变，从而使 RST 获得 +5v 的高电平电压，此高电平持续的时间超过了 24 个时钟周期，使单片机发生复位操作。 nts 6 R S T / V PD89 C 52图 3 - 3 上电复位电路V SS+ 5 v1 0 p f C8kR图 3-3 上电复位电路 人工按钮复位电路如图 3-4 所示。在单片机工作过程中，如果按下按钮开关 K，由于电容 C 的电势差不能突变，所以 RST 引脚获得了 +5v 的跳变电压，持续时间足以让单片机产生复位操作。 R S T / V PD89 C 52图 3 - 4 按键复位电路V SS+ 5 v1 0 p f CK图 3-4 按键复位电路 自动上电复位电路与人工按钮相结合的 电路如图 3-5 所示。此电路不但能保证单片机在开机时进行复位操作，而且在单片机工作过程中，如果程序出现错误，可以通过人工按钮进行复位。其中电容 1C 起到开机复位的作用，在开机之前， 1C 两端的电势差为 0，开机时由于 1C 两端的电势差保持不变，使得 RST得到一个 +5v 的高电平信号，而使单片机复位。在工作过程中， 1C 电势差为 5v，RST 引脚为低电平， 2C 电势差为 0，当按钮开关 K 按下时， 2C 的电势差保持不变，使得 RST 获得 +5v 高电平让单片机复位，但由于 1C 的 左端为低电平，所以接上一个电阻 k8 的电阻，以拉开 1C 右端与 RST 之间的电势差。 nts 7 R S T / V PD89 C 52图 3 - 5 上电复位与按键复位相结合的复位电路V SS+ 5 v1 0 p f 1C10pf 2CKk 8k 1图 3-5 上电复位与按键复位相结合的复位电路 为了让 程序在开机时能从一个确定的初始状态开始执行，且在工作过程中如果出现错误，可以进行人工复位，因此在这个设计中采用了自动上电复位与人工按钮复位相结合的方法。 3 2 时钟电路 时钟电路选用专用芯片 DS12C887，它与单片机的典型接法如图 3-6 所示。 P 0 - 789 C 52图 3 - 6 时钟电路RDWRA L E1I N TAD 0 - 7RDWRASI R Q+ 5 vV CCM O TG N DCS+ 5 vDS 12 C 887k10图 3-6 时钟电路 DS12C887 的读写控制引脚有两种工作方式。第一种是总线选择MOTORALA 总线时序时，读 /写都由 WR/ 引脚控制， DS 引脚控制向 DS12C887总线输入的是数据还是地址；第二种是总线选择 INTEL 总线时序的情况下，nts 8 WR/ 引脚作为 WR 的控制端口，而 DS 此时作为 RD 的控制端口。单片机也有RD 、 WR 的控制引脚作为向外围芯片的信号输入，这与 DS12C887 选用 INTEL总线时序时的引脚数相同，故 DS12C887 选用第二种总线方式，所以 DS12C887的 MOT 引脚接低电平 (接地 )或不接 (悬空 )。 AS 是地址锁存信号输入端，它与单片机的 ALE 引脚相连。当总线上传输的是地址时， ALE 自动输出一个高电平给 DS12C887 的 AS 引脚，这时输入的地址被送往 DS12C887 的内部地址锁存器锁存起来，然后 ALE 恢复低电平，进行下一次传输工作。 IRQ 是 DS12C887 的中断信号输出端，它通常与单片机的外部中断源输入端口相接，由于 IRQ 是一个漏极输出，所以需要外接一个上拉电阻，如果DS12C887 发出一个中断有效信号给单片机，单片机将转而执行 DS12C887 时钟芯片的中断服务程序。例如，在对闹钟设置好后，只要时钟的时、分、秒与闹钟的时、分、秒三个单元分别对应相等，则 DS12C887 会向单片机发出一个闹钟中断信号，从而使单片机停止当前执行程序，转去执行闹钟中断服务程序来驱动蜂鸣器发出声音，从而达到了闹钟的功能。 DS12C887 时钟芯片在开始工作后，时钟、日历、 RAM 中的数据均不会受到复位的影响，且一般情况下，时钟芯片工作后一般是不需要进行复位的。所以在这里不用外接复位电路。 CS 是 DS12C887的片选信号输入端。由于时钟电路需要每秒产生一次中断，即更新中断，并往 IRQ 送有效电平，使单片机对所显示的内容每秒更新一次，确保显示的时间是准确的时间，而不是过时的时间数据信息，而且为了确保单片机对时钟芯片可以实时操作，所以应使 DS12C887 的片选端电位总是有效，即 CS 总是接地。 3 3 温度测量电路 测温电路以 AD590 温度传感器、 OPA27 运算放大器、 MC1403 基准电压 源为主要核心。电路如图 3-7 所示。在电路图中，需要用到 12v 电源，其中 AD590的工作电压为 12V， MC1403 基准电压源的工作电压为 +12v。由于温度传感器AD590 是电流型温度传感器，输出的是以灵敏度 A/K1 的线形电流输出，而在本设计中用到的 A/D 转换是 V/F 代替，所以必须把 AD590 输出的电流转换成电压输出，这就需要运算放大器 OPA27构成一个负反馈放大电路，利用运放 OPA27的虚地，使 AD590 输出电流只能通过3R 、 4R构成的反馈电阻，使输出端输出的nts 9 电压为3R 、 4R上的电压，从而实现了 I/V 转换。 图 3 - 7 温度测量电路- 12 v+ 12 v 1 23MC 1403O P A 27-+AD 590f11Ck 21R8 . 2 k 2R9 7 . 6 k 3R5k 4R8k 5R TV图 3-7 温度测量电路 AD590 输出的信号是以 A/K1 的灵敏度输出电流，但是在这个设计中，主要是以摄氏温度（ oc）为温度单位的，所以需要有一个电路把 AD590 的灵敏度变为 cA/1 ，然后再送到 OPA27 运算放大器进行放大和 I/V 转换。 摄氏温度 cT 与绝对温度 KT 的关系为： KT = cT +273.15 或 cT = KT -273.15 （ 3-1） 所以这个对灵敏度变换的电路需要产生一个与 AD590 输出电流方向 反向，且大小等于 A15.273 。在电路图 3-7 中，由 MC1403、 1C 、 1R 、 2R 组成。 MC1403的输入电压为 +12v，在 2 引脚输出为 2.5v 的基准电压，其中电容 1C 的作用是为了提高输出的基准电压稳定性。由于 OPA27 运放的虚接地特征，在 MC1403 输出端接上 R1、 R2 使得在 OPA27 运放“负端”产生一个与 AD590 输出电流反向的电流oI。 oI=2.5/（ 1R + 2R ） 103 （ A ） （ 3-2） 其中oI的大小可以通过调节变阻 1R 来改变。由于oI的值为oI=273.15A ，2R =8.2k ，代入式（ 3-2）中可得 1R 应调节的大小： 1R =2.5/ oI -8.2 103 （ ） （ 3-3） 得： 1R =1.157（ k ） 因此，在 OPA27运算放大器的“负端”产生了一个 273.15A 的电流与 AD590产生的电流相抵消，从而实现了输出电流灵敏度为 1 cA/ 的灵敏度，即在 0 c时，输出为 0A ，在 100 c 时，输出为 100A 。 nts 10 由此可见， 1R 的主要作用是起到调零的功能。 在此设计中，测量范围一般在 0 c 100 c 之间，而且 V/F 转换电路的输入电压必须小于等于 10v，所以必须让测温电路的输出电压在 0 10v 之间变动，即灵敏度为 100mv/oc 的电压信号输出，才能满足 V/F 的输入信号的范围要求，否则，电压过大，容易烧坏 V/F 转换电路部分，而出现不必要的错误。 所以输出的电流经过运算放大器 OPA27变换成 100mv/oc的灵敏度的电压输出。由前面的介绍已经了解到，利用 OPA27“负端”虚接地的特点，知道输出电压为3R、 4R 上的电压和。 通过3R、 4R 上的电流产生的电压以vA为灵敏度，则 vA= iA （3R+ 4R ） （ 3-4） 其中 iA 为 OPA27 的“负端”输入电流灵敏度，即 iA =1 cA/ ，代入式（ 3-4）中，得 vA=1 10-6（ 97.6+ 4R ） 103（ cv/ ） （ 3-5） 代vA=100 cmv/ 入式（ 3-5）中，可以计算出 R4 的大小： 4R =vA-97.6=2.4（ k ） 由此可知， 4R 在理想情况下， 4R 应调节为 2.4k 的电阻大小。 此时，输出的电压灵敏度为 100 cmv/ 。则 0 c 时，输出为 0v； 100 c 时，输出为 10v 电压。由此可见输出电压oV与摄氏温度 cT 的线形关系为： cooTV =1010 即： cT =10oV（ 3-6） 综上所述，在温度测量电路中， 1R 起到了在 0 c 时，调节输出为 0v 电压，4R 为了调节 OPA27 运放的放大增益系数，在这里即为了调节输出电压灵敏度为100 cmv/ 。在工作中， AD590 有五个工作档位，分别为 I、 J、 K、 L、 M，其中M 档的误差最小，在测量范围内（ -55 c +150 c ）误差小于 0.3 c ，所以应使用 AD590 的 M 档进行测量。 3 4 电压与电网频率测量 在数字钟设计中附加了电压测量、电网频率测量两种辅助功能，主要是为了人们的应用方便。电压测量主要是为了方便人们对日常用电电压的测量，测nts 11 量范围为 0v 300v；电网频率测量主要是完成对一定范围（ 0kHz 300kHz）的交流电的频率测量。 3 4 1 电压的衰减电路 电压衰减电路如图 3-8 所示。为了能使测量的电压范围大，而且降低测量时的相对误差，电压衰减电路把输入的电压信号分成了三个档次。由于在 V/F转换电路中采用的输入电压不能超过 10v，所以，衰减电路不论采用哪一档，其输出电 压（直流）或者电压有效值（交流电）不能超过 10v。在电路中，电容的作用是为了隔直通交的作用。当输入的是交流电时，直接通过电容，然后进行电压衰减；当输入的是直流电时，开关 S 闭合，直流电直接进行电压衰减。在电路中，电容的值不能取的太小，因为电容的阻抗值与电容大小成反比关系。如果电容取得太小，对于低频率的信号将不易通过。 iVoV f104S110100图 3 - 8 电压衰减电路M 91Rk 1 0 03Rk 0092R图 3-8 电压衰减电路 衰减电路衰减后的电压（或频率）信号会送到电压测量电路（或电网频率测量电路），当是直流电时，将不传递频率信号给 电网频率测量电路。 电路中有三个串联电阻，它们的总电阻值为 10M ，这三个串联电阻主要完成电压的衰减工作。由于要求衰减电路的输出电压V的范围为 0 10v，所以在输入端输入的电压最大值为maxV，则 nts 12 maxV=3o10100V 10 106 （ 3-7） 把V的最大值 10v 代入式（ 3-7）中，可得 maxV=1000 （ v） maxV所得到的值只是一个理论值，如果把人们在使用数字钟测量电压时的安全系数，还有数字钟的应用范围等因数考虑进去，maxV的值就不能太大，因此在这里maxV取 300v。 在电路中，通过三个电阻把 电压分为三个档次。在第一档，电压没有经过衰减，而是直接输出，即输出的电压与输入的电压大小相等，表明此时输入的电压在允许输出电压范围内（ 0v 10v），所以第一档的电压输入范围为 0v 10v。 在第二档时，输出的是经三个电阻分压后，电阻 R2、 R3 上的电压，设输入的电压最大值为 i2V ，输出电压最大值为maxV，则有： i2V = 6maxo101V 10 106 （ 3-8） 将maxV=10v 代入（ 3-8）式中得： i2V =100 （ v） 由于 0v 10v 是属于第一档的测量范围，所以第二档的测量范围是 10v100v。 在第三档时，输出的是电阻3R上的电压，设输入的电压最大值为i3V，输出电压最大值仍然为maxV，则有： i3V=3maxo 10100V 10 106 （ 3-9） 同理可得 Vi3=1000 （ v） 由于此时i3V超过了maxV=300V，所以i3V只能取maxV的值，即 i3V=300v 所以第三档的测量范围为 100v 300v。 电压测量范围与档位对应关系如表 3-1 所示。 表 3-1 电压测量对应档位 档位 第一档（ 1） 第二档（ 10） 第三档（ 100） 测量范围（ v） 0 10 10 100 100 300 nts 13 3 4 2 电压测量电路 电压测量电路主要由电压跟随电路、交流电压测量电路两部分组成。电压跟随电路主要是对从电压衰减电路输入来的交流或直流信号的电压起一个跟随作用，从而形成电压测量电路的输入级保护电路，它的特点是输入电压和输出电压相等且同相；交流电测量电路是完成把电压跟随电路的输出电压进行整 流并且输出与交流电的有效值相等的电压。 1. 电压跟随电路 电路如图 3-9 所示。 iVoV图 3 - 9 电压跟随电路-+564117LM 324+ 5 v- 5 v100 kRD 1 D 2图 3-9 电压跟随电路 在电路中，四端集成运放 LM324 有很好的电压跟随性。由于 LM324 是属于共集电极输出型运算放大器，它的电压增益小于 1，但有接近于 1，且输出与输入同相。由共集电极输出型运放的特点知 LM324 的输入电阻高，这样有利于对电压衰减电路输出电流的采样；同时，输出电阻低，可以减少后级电路负载变动时对电压增益的影响。 在 LM324 的前端接上两个半导体二极管 D1、 D2 是为了让交流电的正负周期都能通过 LM324。在输入交流电时，当处于正半周期，则从 LM324 的 5 引脚输入且通过 LM324 经过放大得到与输入同相、相等的电压输出，而 6 引脚输入的不能通过 LM324；当处于负半周期时，在 5 引脚输入的为负电压，导致 LM324内部的晶体管截止，而不能通过 LM324，但是此时半导体 D2 将导通，使得 LM324的 6 引脚获得一个电压信号，使得 LM324 内部的另一个晶体管导通，让输入电压通过 LM324 输出，并保持原始电压的大小、相位输出。 nts 14 由于 LM324 虽然可以作为一个电压跟随器，但是对电流 也有放大作用，为了保护后级电路，必须限制 LM324 的输出电流，设 LM324 的输入电流为 iI ，输出电流为I，电流增益为 iA ，则它们的关系为： I= iA iI 由此式可知，通过限制 LM324 的输入电流来限制 Io，所以电路图中的输入极又串联了一个电阻 R =100k 。 由以上的分析可知，图 3-9 中i VV ，即 LM324 输出电压与电压衰减电路的输出电压相等， LM324 起到了一个电压缓冲作用。 2. 交流电测量电路 交流电电压测量电路如图 3-10 所示。电路主要由 IC1、 IC2 两部分组成，分别是精密半波整流和平均值 -有效值变换电路。 图 3 - 10 电压测量电路k 101Rk 102Rk 103R. 2 k 64Rk 205R9k 36Rk 10wRk 207R- 5 v+ 5 v- 5 v+ 5 vD 1D 2f10C-+-+121314411114DCACIC 1IC 2LM 324LM 324 V V VVK图 3-10 电压测量电路 IC1 把经过电压跟随后的电压进行半波整 流后，再变换成平均值 V 输出给IC2。电路中， IC1 采用的主要芯片是 LM324，由 LM324 的 13 引脚输入， 12 引脚接地， 14 引脚输出，且根据它的外围电路的接法，可知， LM324 的输入与输出相位相差相位。在电路图中，其中半导体二极管 D1、 D2 是完成交流电的正负周期的选择性通过。当交流电 V 处于正半周期时，第十四引脚输出将会变为负半周期，即相位相差相位，此时， D2 导通， D1 截止，电压信号被传输给 IC2，且也通过 2R 实现负反馈，其中 LM324 的负反馈放大系数1vA为： 1vA=12RRnts 15 在这里 1R = 2R =10k ，所以电压增益系数为1vA=1，即 LM324 在 IC1 中无放大作用。 当交流电 V 处于负半周期时， D1 导通， D2 截止，通过 LM324 的电压信号不能通过 D2 而传输给 IC2，但是通过 D1 与3R反馈到 LM324 的输入引脚，实现负反馈放大，因此负半周期的电压信号在 LM324 中循环放大，但是放大系数为v1A=1，也就是无放大作用且不能传输出去。所以交流电 V 的负半周期不能传到IC2。 由以上的分析可知，在 D2 的输出端得到的是与交流电 V 正半周期反向的的电压，而在 V 负半周期， D2 的正极输出为 0v，从而获得了交流电 V 的平均值电压 V ，相位与交流电 V 相差相位。 IC2 部分完成对平均电压 V 变换成与交流电 V 的有效电压 V 大小相等的电压信号输出。在 IC2 中，5R、6R、wR主要是为了控制电压增益系数的大小。电路中采用的也是电压负反馈型放大电路，wR是一个可变电阻，是为了在进行硬件测试时，调节增益系数，即起到了输出校准的作用。电容 C 起到了稳定电压作用，将半波整流后的电压变得平滑。由于在通过 IC2 时，相位又翻转了相位，从而使输出的电压信号与原始信号同相。 下面对电路的参数进行分析。 半波整流后的平均电压 V 、交流电的有效电压 V 、交流电的峰值 mV 之间的关系如图 3-11 所示。由图可知， V 、 V 、 mV 之间的关系为： V = 0 m2 1 tdtSi nV=m1V=0.318 mV V = m21 V 0.707 mV 要使V=V ，则 IC2 的电压增益系数v2A为； v2A=mm318.0 707.0 VVVV =2.22 由 IC2 电路可知， IC2 的电压增益系数v2A也可表示为： v2A=5w6 R RR （ 3-10） 在这里，6R=39k ，5R=20k ，v2A=2.22，代入式（ 3-10）中得： wR=5.4（ k ） 所以在图中可变电阻wR的电阻值最大取 10k 。 nts 16 峰值的 最 大 值 m VV有 效 值 V平均值 V的 关 系 图 11图3 VVV图 3-11 V V mV 的关系图 下面分别取三个不同大小的输入交流电来验证： （ 1） .当输入有效值为 V =10（ v）的交流电，则mV= 102 =14.14（ v）。 IC1 的输出半波整流电压，其平均值为 V =0.318mV 4.5（ v）。 IC2 输出的直流电压V=v2A V=2.22 V 10（ v）。 （ 2） .当输入有效值为 V =8（ v）的交流电，则mV= 82 =11.312（ v）。 IC1 的输出半波整流电压，其平均值为 V =0.318mV 3.6（ v）。 IC2 输出的直流电压V=v2A V=2.22 V 8（ v）。 （ 3） .当输入有效值为 V =5（ v）的交流电，则mV= 52 =7.07（ v）。 IC1的输出半波整流电压，其平均值为 V =0.318mV 2.25（ v）。 IC2 输出的直流电压V=v2A V=2.22 V 5（ v）。 经过以上三个值的论证， IC2 输出的直流电压V与输入的交流电的有效值 V相等。 另外，图 3-10 中还增加了一根直接从电压测量电路输入端接到输出端的导线，由于直流是恒定不变的，所以直流电压不需要经过半波整流与平均值 -有效值变换电路。当测量直流时，开关 K 接在 DC 支路上；当测量交流时，开关 K接在 AC 支路上。 3 4 3 电网频率测量电路 电路如图 3-12 所示。在电路中，首先把从电压衰减电路输出的电压信号变成方波电压，再取方波电压的平均值，再经过反向后传给 V/F 转换电路。 nts 17 f1031Ck 1 0 01Rk 12Rk 1 0 03RM 14Rk 15RM 16RD1VT1+ 5 v+ 5 v1312174 LS 13270 27R1 A1 R 1 B VCCG N D3 2 16 14158Q. 8 k 48Rk 39Rf1032CTC74 LS 123IC1IC20k 210Rk 111R+ 5 v + 5 v + 5 v- 5 v- 5 vk 2.1712R0k
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