数字式智能电压表的设计.doc

绵阳师范学院2012届本科毕业设计（论文）绵阳师范学院本科生毕业设计(论文)为防止文章剽窃，维护版权正当权益，特上传该文章。其他人所有均为侵权剽窃。本论文为毛老师写作文章，编号50% 1205-sh46146题 目 数字式智能电压表 专 业 电气工程及其自动化 院 部 物理与电子工程学院 学 号 姓 名 指 导 教 师 答 辩 时 间 二0一二年五月 数字式智能电压表的设计学生指导教师摘 要：随着电子科学技术的发展，电子测量的技术发展越来越广泛，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而且在电压测量之中应用更加普遍，本课题的设计就是要改变传统电压表单一、精确度不高的缺点，设计了一种新型的电压表，可以实现测量交直流电压，自动转换量程、数字显示等功能，充分体现了数字式智能电压表的优越性、精确性与实用性。本设计以单片机为核心来控制电压表的操作，本课题主要用解决A/D转换、删除部分关键词：A/D；单片机；数字式；智能电压表；Intelligent digital voltmeter designUndergraduate：Supervisor：Abstract：With the development of electronic science and technology, electronic measurement become the e-worker must have the means, the measurement accuracy and functional requirements of increasingly high, while the voltage measurement is very strong, because the voltage measurement of the most common. This program is in order to change the single and not accurate of the traditional voltmeter ,This program design a new-model voltmeter, it can realize to measure in a large number of digital AC or DC voltage meter ,change the range automatic and shows digital and so on, It reflects superiority, accuracy, practical sufficiently of the intelligent 删除部分Keywords： A/D; AT89S52; Digital; Intelligence Voltmeter目 录1绪论21.1数字式智能电压表概述21.2本次设计数字电压表的组成原理：21.3硬件系统流程概述31.4本次设计的研究方向32硬件设计42.1电源电路42.2过压保护电路42.3过零检测电路52.3.1过零比较器52.3.2过零检测电路原理图62.4电压信号采样72.4.1分压衰减电路72.4.2直流电压测量部分82.4.3交流电压测量部分82.4.4自动量程接口切换电路102.5 A/D转换电路162.6单片机部分172.7外围接口电路182.7.1 LED液晶显示部分182.7.2键盘与单片机的连接203系统的软件设计203.1单片机主程序流程框图203.2定时器T0、TI 中断服务程序203.3电压值计算子程序213.4显示程序21参考文献24致 谢25附录A：电路总图26附录B：元器件清单28附录C：程序清单29绵阳师范学院2012届本科毕业设计（论文）1绪论1.1数字式智能电压表概述传统的指针式刻度电压表功能单一，精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需求。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转化成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰删除部分换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新的水平。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。删除部分数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。1.2本次设计数字电压表的组成原理：本设计是由AT89S52作为整个系统控制的核心，整个系统由输入电路、A/D转换电路、电源电路、单片机AT89S52、键盘控制电路及LED显示电路六大部分组成。如图1-1所示： 删除部分其中输入电路如图1-2所示：图1-2 输入电路框图整个系统由单片机AT89C51控制电压的输入与输出，模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减后，自动选择量程后，若测量直流电压直接送到A/D转换，若测量交流电压先把交流转换为直流后送到A/D转换电路进行A/D转换，然后送到单片机进行处理，处理后的数据送到LED中显示。量程的自动删除部分(1) 盘控制电路及LED显示电路提供+5V的电源。(2) 过压保护电路：压敏电阻是一种新型过压保护元件，其电阻值可随端电压的不同而变化，它可直接并在分压器前面，不需要加限流电阻。压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路需要来确定。(3) 过零检测电路：用过零比较器来检测所测电压的信号。(4) 分压电路与自动量程选择电路：通过模拟开关自动调整量程并将被测电压自动规范到A/D转换电路所要求的电压值。删除部分1.3硬件系统流程概述 被测模拟电压经过初始最高档位切换到最大分压电路衰减后，如果为交流电压先整流为直流，接着由运算放大器OP07进行放大后，再送给比较电路来判断量程是否合适并且选择合适的量程，然后将电压信号通过逐次逼近式A/D转换器的ADC0809型转化为相应的脉冲信号，脉冲信号经过隔离后由单片机在固定时间(100s)内对脉冲信号进行计量，从而完成A/D转换的功能，最后由单片机对A/D转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值(BCD码)，通过单片机驱动四个LED数码管显示结果。1.4本次设计的研究方向在设计该电压表的过程之中，在如何判断交直流电压并且如何让交直流自动选择各自运行的路线等方面，做出了深入研究。删除部分2硬件设计2.1电源电路由于单片机及所用的芯片均为5V直流供电，经过变压器将其变为低压交流电压，低压电压经过桥式全波整流变成直流电压，再经过双T电容滤波加集成稳压芯片(7805和7905)最终变成稳定的5V直流电压。本电路还设计电路保护和电源指示灯。在使用数字电压表测量开关电源电路中的电压时，经常会由删除部分图1-4电源电路原理图2.2过压保护电路本课程设计的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定交直流最高电压量程为500V(有效值)。通常可以采用火花放电器或压敏电阻器作为过压保护。压敏电阻器是电压灵敏电阻器VSR(Voltage-Sensitive Resistor)的简称，属于一种新型过压保护元件。压敏电阻器是由氧化锌(ZnO)为主要材料制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值可随端电压的不同而变化。压敏电阻器的工作删除部分过脉冲电流的最大值，其中，脉冲电流从90%VP到VP得时间为8s，峰值持续时间为20s)指标可达100A20KA，漏电流小(低于几至几十微安)，工作稳定可靠。其电阻温度系数小于0.05%/。压敏电阻器伏安特性具有对称性，在正、反向伏安特性中能起到稳压作用，元件本身没有极性，因为它还可作为小电流(小于1mA)的双向限幅器或稳删除部分图2-2压敏电阻及其保护电路图 2.3过零检测电路2.3.1过零比较器删除部分图2-3 电压从运放的反相端输入的过零比较器及输入输出曲线输入信号由负值变为正值，在过零处，输出电压的极性发生变化，删除部分特性称为下行特性。而若如图2-4(a)所示信号电压从运放的同相端输入，反相端接地，这时电路的输入输出特性曲线如图2-4(b)所示。信号电压由负值变为正值，删除部分2.3.2过零检测电路原理图 删除部分管截止，三极管集电极通过上拉电阻R4，形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，在过零检测端口D点形成100Hz脉冲波形(如图2-8)，其中，删除部分 2.4电压信号采样2.4.1分压衰减电路电压输入电路如图2-9所示。该电路是以5V作为基本量程，共设为5个挡：5V、50V、100V、250V、500V。图中，5个电阻R1R5为分压电阻。均采删除部分再计算500V挡的电阻值时，由于当输入满量程500V时，输出为5V，故减少100倍，也就是分压衰减系数为0.01，=10K删除部分同理可以算出量程为250V档的电阻值，由于当输入满量程250V时，输出为5V，故减少50倍，也就是衰减系数为0.02，那么，。删除部分2.4.2直流电压测量部分若检测到得电压信号是直流，则经过衰减后的电压就可以直接送到放大电路中，再送给A/D转换后送入单片机处理和显示。2.4.3交流电压测量部分在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流，而是交流。此时，绝对不能把交流信号直接输入到数字电压表中去，必须先要把被测的交流信号变成直流信号以后，才可以输入到数字电压表去进行测量。交流电压的测量电路采用平均值的AC/DC转换电路，5个交流电压的量程删除部分电压，测量交流电压时仍借用直流电压档的分压器。利用低漂移双运放IC1(1/2TL062)组成平均值响应的线性半波整流电路。这种电路可避免二极管在小信号整流时引起的非线性误差，使输入电压VIN(RMS)与输出电压删除部分数必须大于2.22倍，才有调整的余量。电路中的R53、R54是负反馈电阻，可将IC1偏置在线性放大区，同时控制运放的增益。现R53=R54=100K，IC1同相删除部分目的在于提高其输入阻抗，减小对输入信号的衰减。尽管IC1属于低漂移运放，但考虑到AC/DC转换器的输入电压很弱，即使漂移电压很小，也可能造删除部分时VD5导通，VD4截止，IC1的输出电流途经C16VD5R55R57RP4地(COM端)，并经过R56对C17进行充电。负半周时VD4导通，VD5截止，电流途经地RP4R57VD4C16IC1。C17缓慢地放电，放电时间常数删除部分流电压，经过由R56和C17组成的平滑滤波器可滤掉交流纹波，得到的平均值电压V0，送至ADC0809对V0 进行A/D转换。RP4是交流电压档的校准电位器，调整RP4可使整个AC/DC 转换器的电压放大倍数为2.22倍，令仪表直接显示出被测电压的有效值，负半周时，VD4为反向电流提供通路，C14是运放的删除部分作用，才保证了其几乎没有损失地进行ACDC 的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV 左右，其在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。如图2-7所示。删除部分图2-10交流电压测量图2.4.4自动量程接口切换电路基本原理：自动量程切换接口由10 倍放大器电路、欠量程识别电路、换程控制电路组成。结构框图如图2-8所示。删除部分电路工作原理如下：当电路上电后，换程控制电路自动将量程设置为最高挡，即衰减为0.0001，然后欠量程识别电路对放大后的输出Uo 进行判断。判断标准是以和它相配的A/D 转换器的输入上限作为其上限阀值Umax，以9%Umax 作为其下限阀值Umin，UoUmin 为欠量程。若欠量程，则由换程控制电路控制量程由高到低变化至放大电路输出Uo 大于Umin。若输入Ui 变化后可先使仪表复位到最高挡，再由电路自动根据Ui 减至合适量程为止。以上过删除部分和单片机换程信号。(1)10 倍放大器电路通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。运算放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据负反馈电路的接法，可以实现反相运算、同相运算和差动运算等。由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微弱的微伏级信号，而一般的通用放大器都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。因此在设计中要采用高精度运算放大器或测量放大器。删除部分图2-12 10倍放大电路图(2)负电压识别及反相电路 在直流电压的测量过程中，不仅仅只是对正电压的测量，必然还会涉及到测量负电压。在这个问题上，常用的方法是采用同相加法器给被测电压加上一个基准删除部分0U4V，由于是采用软件进行自动量程转换，电压经过抬高后无法有效地进行欠量程判断，因此采用了与零比较的方案。当输入电压大于零时，LM339向单删除部分如图2-14负电压反相电路 (2)欠量程识别电路因为初始电压量程设置为最高挡，因此只需要欠量程信号比较即可调节量程。欠量程识别电路的原理示意图如图2-10 所示。该电路才用LM339 中的一只运放构成下限阀值比较器，当Uo 小于Umin 时，LM339 输出低电平，表示欠量程信号UR；当Uo 大于Umin 时，LM339 输出高电平RR，表示量程合适。由于还存在负电压测量问题，而正电压和经过反相器的负电压是通过不同的线路由多路模拟开关CD4051(2)选择进入V/F转换器的，所以我们需要两个上述的欠删除部分 (3)换程控制电路 (1)CD4051多路开关简介CD4051是一个双向8通道多路开关，相当于一个单刀八掷开关，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。它有3个二进制控制输入端A、B、C和一个禁止输入端INH，并由3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。这些开关电路在整个删除部分通，允许模拟量输入。CD4051导通电阻小，在常温下的导通电阻为几百欧姆。供电电压范围较宽，速度相对较快，控制简单，适合作为量程转换模块中选择删除部分 (2)换程电路换程控制电路的原理示意图如图2-11 所示。删除部分图2-18换程控制电路图该电路由分压电路、多路模拟开关和单片机I/O口组成。其作用是按输入条件信号(正负电压判断信号，欠量程信号、原量程信号)送给单片机P1.5和P1.6 进行判断，然后由单片机P1.0、P1.1、P1.2 输出量程控制信号送入模拟开删除部分最低量程时仍欠量程，则维持最低量程不变化；量程合适时，维持原量程不变；每挡量程都能达到并保持；当量程为最低挡时仍欠量程，则维持原量程不变化；电路上电时，量程信号从最高挡起步。上电时电路的量程起步则由单片机P1.0、P1.1、P1.2 口解决，即初始设置为P1.2=1、P1.1=0、P1.0=0。选通CD4051(1)开关的X4通路(4)自动切换应用电路删除部分时测量电压信号Ui通过分压电路后输出为原来0.0001倍。如果是测量直流电压则直接对其由OP07 组成的电路放大10倍后，即通过由LM339构成的删除部分压，那么就必须经过由LM124构成的电压反相器将负电压转换为等值的正电压后再与电压比较器比较判断送入量程识别电路进行判断。如果测量的是交流电压，应先对衰减信号进行放大、隔直、整流、滤波，然后对输出的直流删除部分行比较直至量程合适；同时输出电平给CD4051(2)的INH脚，控制它的有效性，当电平为0时，模拟开关有效进而使电压进入A/D转换电路进行压频转删除部分2.5 A/D转换电路A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，二是逐次逼近式A/D转换器，三是并行A/D转换器。双积分A/D转换器通过两次积分将输入的模拟电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。它的优点是分辨率高，抗干扰性好，价格便宜，但转换速率低。删除部分D/A转换器输出进行比较，一个时钟周期完成1位转换，进过n次比较而得到数字值。它的优点是精度、速度、价格适中、不存在延迟问题。适合于中速率而分辨率较高的场合。并行A/D转换器是内部有多个比较器，只需要作一次比较就可完成转换。优点是它是所有A/D转换器中速度最快的，但价格也昂贵，分辨率却不是很高。在转换精度、转换速率、以及经济上的考虑，该系统决定选用逐次逼近式A/D转换器的ADC0809型。ADC0809是典型的8位MOS型8通道逐次逼近式A/D转换器，每采集一次一般需100s。图2-30逐次逼近式A/D转换原理图ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码删除部分A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。其中ADC0809引脚图如图2-14所示： 删除部分图2-31 ADC0809引脚图2.6单片机部分单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，如图2-15所示。该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机，与AT89C51完全兼容。AT89S52还有以下主要特点：采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术；其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器；删除部分狗定时器复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。删除部分2.7外围接口电路 单片机的外围接口电路包括包括液晶显示部分与键盘输入部分。2.7.1 LED液晶显示部分LED显示器是由N个LED显示块拼接成N位LED显示器。N个LED显示块有N跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。删除部分称为静态显示。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口编程容易。付出的代价是占用口线较多，若用I/O接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片74LS373芯片。如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。(2)LED动态显示方式：删除部分或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选删除部分管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。所以，由于本系统涉及到4位显示输出，采用LED动态扫描显示方式。主要由一个4位一体的7段LED数码管(SM410564)构成，用于显示测量到的电压值。它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图2-16所示。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89C52的P1口产删除部分根据设计精度要求LED采用3位半共阴级数码，利用单片机的I/O口驱动LED数码管的亮灭，设计中由P0口驱动LED的段码显示，即显示字符，由P3口的P2.0,P2.1通过74LS138译码来输出控制信号使对应的小数点位有效并显示。AT89S52单片机最小系统及显示电路如图2-17示：图2-34AT89S52单片机最小系统及LED显示电路图另外，一般I/O 接口芯片的驱动能力是很有限的，在LED 显示器接口电路中，输出口所能提供的驱动电流一般是不够的尤其是设计中需要用到多位LED，此时就需要增加LED 驱动电路。驱动电路有多种，常用的是TTL 或MOS 集成电路驱动器，在本设计中采用74LS244 芯片驱动电路，如上图所示。2.7.2键盘与单片机的连接 删除部分3系统的软件设计单片机主要的程序有数据采集模块(包括脉冲计数、数据处理、中断处理等几个子模块)、量程切换模块、显示模块等主要的功能模块。3.1单片机主程序流程框图删除部分图3-1主程序流程框图3.2定时器T0、TI 中断服务程序本课题以在200ms 内对信号进行计数，设定时器T0 工作在方式1 计数模式，初值为TH0=0，TL0=0，定时器T1 工作在方式1 定时模式定时50ms 则需进行4次即可。初值TH1=(65536-50000)/256=0X3C，TL0=(65536-50000)%256=0XB0。其中断服务程序如3-2 所显示。关定时器T0，清定时次数，置计数结束标志flag返回Y中断服务1重装定时器初值定时次数加14sN中断服务程序0计数值加1返回图3-2定时T0，T1中断程序框图3.3电压值计算子程序当定时器T1 定时次数达到设定值，即200ms 时，关定时器T0，读取计数值T0count,计算频率。频率f=T0count*65536+TH0*256+TL0，然后根据公式删除部分图3-3电压计算程序框图3.4显示程序对电压值数据进行BCD 码转换并送显示缓冲区，查表字型码并点亮对应的量程信号下的小数点。程序流程图如图3-4 所示。删除部分4结 论本次的设计题目是数字式智能电压表，是一个基于单片机的电压测量系统，本次设计突破了传统指针式电压表的设计模式，设计了一种新型的数字显示的电压表，该数字电压表具有很高的智能性，具有测量精度高，能自动切删除部分过零检测电路、A/D转换电路、键盘控制电路、LED显示电路等。整个系统电路结构简单，性价比好，运行起来安全有效。本次设计的创新点在于对电压信号的采集判断上，运用了一个过零检测电路，来判断所测的电压时交流还是直流，与传统的电路相比，具有更加智能化的特点，其处理速度快、稳定性好、性价比高。由于本人的实际设计经验不足以及水平有限，系统中可能会存在着一些缺陷，而且没有实物验证，但是其硬件电路的设计思想还是符合实际电路设计的要求。参考文献1李建忠编著.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社,2002：112-127.2何立民.单片机应用技术选编(9)M.北京：清华大学出版社,2006：179-197,278-285.3朱勇,陈其乐,刘浩等.单片机原理及应用技术M.北京：清华大学出版社,2006：122-138.4宋浩,田丰.单片机原理及应用M.北京：清华大学出版社,2006：180-197,278-285.5郭强等.液晶显示应用技术M.北京：电子工业出版社,2000：120-177.6李光飞,李良儿.单片机C程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社,2004：335-342.7阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社,2006：120-155.8徐爱钧.智能化测量仪表原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版社,2004：205-225.9刘伟,赵俊逸.单片机学术年会论文集C.北京：北京航空航天大学出版社,2003：790-794.10苏文平编著,电子电路应用实例精选M.北京：北京航天航空大学出版社,2001：166-201.11高美珍,555时基芯片及其在A/D转换中的应用J.电子工程师,2005：38-40.删除部分致 谢在这毕业之际,我终于完成了自己的毕业设计,首先,我要感谢我的导师在大学四年里对我的教导,无论是从选题,还是到写作,都是在李老师的悉心指导下完成的,李老师是一个知识渊博的人,他在学习上给我提出了许多新的见解,让我受益匪浅,对于许多新的问题,他都给我提出了思路,让我想出自己的见解,找出解决问题的办法.他严谨的工作态度在学习中给予了我很大的榜样作用.他不仅仅是在学术上给了我指导,在生活工作中也给了我无尽的关怀,这一切的一切都将使我终身难忘.在整个设计的过程中,我不但把这四年所学的基础知识和专业知识加以巩固,而且在搜集资料和查阅书籍的同时,丰富了自己的知识,增加了见闻,与此同时,也学到了许多有用的知识.让我对自己的毕业论文,有了更为深刻的认识,在此,我对李老师表示深切感谢.除此之外,我还要感谢我们系的其他老师,在这次设计中,我们系的老师给了我很大很多宝贵的意见,我的论文才得以顺利的完成.也要感谢在我身边的老师和同学们,在这四年之中给了我无微不至的关心和帮助.在我们08级5班这个大家庭中,每个人都在努力向上,友爱互助,如此好的学习氛围,使我有了源源不断的学习动力.最后,我要感谢我的亲人和朋友,是他们在我的背后默默的给我帮助和关心,才使我能全心全意