基于LabView的智能数字电压表的设计.doc

吉吉 林林 农农 业业 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 题目名称 基于 LabVIEW 的智能数字电压表设计 学生姓名 强维右 12083427 院 系 信息技术学院专业年级 08 电子信息科学与技术 指导教师 黄东岩 职 称 副教授 2012 年 5 月 29 日 目目 录录 题目 I 摘要及关键词 I 1 绪论 1 1 1 前言 1 1 2 本课题研究的意义 1 1 3 本设计所完成的主要工作 1 1 3 1 整体实现思路 1 1 3 2 工作重点 2 2 系统总体设计 2 2 1 系统概述 2 2 2 系统的工作原理 3 3 系统的硬件设计 4 3 1 电压测量部分 4 3 1 1 输入电路的设计 4 3 1 2 A D 转换电路的设计 5 3 1 3 中央控制电路的设计 12 3 2 无线传输部分 13 3 2 1 PTR2000 芯片的介绍 14 3 2 2 PTR2000 典型应用电路说明 15 3 3 LED 显示部分 16 3 4 单片机与 PC 机的通信接口部分 19 3 5 LABVIEW 上位机操作界面部分 20 4 系统的软件设计 21 4 1 电压测量部分的软件控制 22 4 2 无线传输部分的软件控制 23 4 3 显示部分软件控制 24 4 4 LabVIEW 上位机操作界面的软件控制 26 4 4 1 LabVIEW 串口 VI 介绍 26 4 4 2 LabVIEW 串口 VI 的使用 26 5 结束语 28 参考文献 28 致 谢 29 I 基于基于 LabVIEWLabVIEW 的智能数字电压表设计的智能数字电压表设计 学 生 强维右 专 业 电子信息科学与技术专业 指导教师 黄东岩 摘摘 要要 随着电子科学技术的发展 电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段 对测 量的精度和功能的要求也越来越高 而电压的测量甚为突出 本设计在参阅了大量前人 设计的数字电压表的基础上 利用单片机技术结合 A D 转换芯片 ICL7135 和无线传输 芯片 PTR2000 构建了一个基于 LabVIEW 的直流数字电压无线测量系统 该电路采用 AT89S52 单片机为核心控制器 使用 ICL7135 高精度 双积分 A D 转换电路进行电压 数据采集 利用 PTR2000 无线传输并使用 LCD 液晶模块显示 同时可以与 PC 机进行 串行通信 然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程 以及硬件系统和软件系统的设 计 并给出了硬件电路的设计细节等 关关键词键词 单片机 电压表 虚拟仪器 LabVIEW Based Intelligent Digital Voltage Meter Design Name Weiyou Qiang Major Electronic information science and Technology Specialty Tutor Dongyan Huang Abstract With the development of electronic technology electronic measurement of the vast number of electronic workers must master the means to measure the accuracy and function requirements are also getting higher and higher while the voltage measurement is obvious This design through a large number of former design digital voltage meter based on single chip technology using the combination of A D conversion chip ICL7135and wireless communication chip PTR2000to build a LabVIEW based DC digital voltage wireless measurement system The circuit uses AT89S52 as the core controller using ICL7135 high precision double integral A D conversion circuit for voltage data acquisition use PTR2000 wireless transmission and the use of LCD LCD display module at the same time with PC machine serial communication Then in detail introduced the DC digital voltage meter design process as well as the system s hardware and software design and gives the hardware circuit design details Keywords Single chip microcomputer voltage meter virtual instrument 1 1 绪论 1 1 前言 随着大规模集成电路 计算机技术的迅速发展 以及人工智能在测试技术 方面 的广泛应用 传统电子测量仪器在原理 功能 精度及自动化水平等方面发生了巨大 的变化 逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器 智能仪器 目前 不 仅大多数传统电子仪器已有相应换代的智能化产品 而且还出现了一些全新的仪器类 型和测试系统体系 仪器智能化已经成为现代电子仪器发展的主流方向 智能数字多 用表 DMM 数字多用电表由于其具有准确度高 测量范围宽 测量速度快 体积小 抗干扰能力强 使用方便等特点而广泛应用于国防 科研 工厂 学校 计量测试等 技术领域 但其规格不同 性能指标多种多样 使用环境和工作条件也各有差别 因 此应根据具体情况选择合适的数字多用表 我国在智能仪器的开发和应用方面 近年来已取得了不少可喜的成果 然而 与工 业发达国家相比仍存在一定的差距 但是这种差距正在逐渐缩小 单片微型计算机 又称为单片微控制器 作为计算机的一个重要的分支 近年来发展极其迅猛 已成为新 一代电子设备不可缺少的核心部件 得到了广泛的应用 特别是在智能仪器仪表 工业 测控 家用电器和机电一体化等领域 其更是随处可见 以单片机和可编程器件相结合 构成的新一代智能化电子仪器 已成为一项新型的工程应用技术 因而 对于电子 电 气工程技术人员以及其他工程技术人员来说 了解和熟悉智能化电子仪器的工作原理 与应用技术 具备智能仪器的设计能力是非常必要的 1 2 本课题研究的意义 智能仪器是一种典型的微机 大多数为单片机 应用系统 它是计算机技术 现代 测量技术 通信技术以及网络技术相结合的产物 无论在测量速度 精确度 灵敏度 自动化程度和性能价格比等方面 都是传统仪器所不能比拟的它已成为仪器仪表的发 展方向 仪器仪表是认识世界的工具 认识世界往往是改变世界的先导 如今仪器及 检测技术已成为促进当代生产的主流环节 仪器整体发展水平是国家生产力的重要标 志之一 随着科学技术的发展 传统的测试方法逐步被现代测试技术所取代和更新 以计算机技术为基础的数字化 自动化和智能化测试技术迅速发展 基于单片机的各 种智能化控制和基于微机数据采集和数据处理技术取样测量的研究是目前电测量发展 的方向 周期短 成本低 易于实现测试仪器的自动化 标准化和通用化 并可方便 地实现功能扩展 具有良好的发展前景和社会效益和经济效益 2 1 3 本设计所完成的主要工作 1 3 1 整体实现思路 根据本设计的任务要求 首先在微处理器 单片机 的控制下 被测电压通过输入 电路 A D 转换器转换成相应的数字量 存入到数据存储器中 接着微处理器对采集的测 量数据进行必要的处理 例如计算平均值 减去零点飘移等 然后将处理后的数据通过无 线传输模块 PTR2000 实现数据对上位机的无线传输 在上位机一侧 由 LabVIEW 编写 的操作界面实时显示精确的电压数据 1 3 21 3 2 工作重点工作重点 输入电路的设计 A D 转换芯片的选择 CPU 的选型 无线传输电路的设计 单片机与上位机的通信电路选择以及上位机的界面编程是本设计的主要工作重点 同 时如何能选择最优的方案是本设计成功的重中之重 在以上工作做好之后还要对各部 分电路进行实验 调试 最后完成系统的联调 2 系统总体设计 2 1 系统概述 本设计的主要工作是研制一种基于 LabVIEW 的智能数字电压表 系统采用电压 测量电路 无线通讯 单片机控制和上位机通讯界面构成高精度的智能数字测压系统 该系统主要有以下几大部分构成 电压测量部分 无线传输部分 RS232 电平转换 部分 数字显示部分和上位机控制部分 电压测量部分主要完成对电压信号的采集和处理 最后得到高精度的电压数据 首先在微处理器的控制下 被测电压通过输入电路 A D 转换器转换成相应的数字 量 存入到数据存储器中 接着微处理器对采集的测量数据进行必要的处理 例如计 算平均值 减去零点飘移等 最后显示处理结果 上述整个工作过程都是在存放 ROM 中的监控程序的控制下进行的 无线传输部分主要是利用 nordic 公司生产的单片无线收 发芯片 PTR2000 实现 数据的无线传送和接收 PTR2000 是一种新型的单片无线收发数据模块 该器件为 超小型模块器件 具有超低功耗 高速率 19 2Kbps 无线收发功能 且性能优异 使用方便 可广泛应用于无线 数据传输产品的设计领域 无线数据收发模块 PTR2000 芯片 它的显著特点是所需外围元件少 因而设计非常方便 该模块在内部 集成了高频接收 PLL 合成 FSK 调制 解调 参量放大 功率放大 频道切换等功 能 因而是目前集成度较高的无线 数据传输产品 3 RS232 电平转换部分的作用是实现单片机与 PC 机在通信过程中的电平匹配问题 RS 232C 规定了自己的电器标准 由于它是在 TTL 电路之前研制的 所以它的电平 不是 5V 和地 而是采用负逻辑 即逻辑 0 5V 15V 逻辑 1 5V 15V 因此 RS 232C 不能和 TTL 电平直接相连 使用时必须进行电平转换 否则将使 TTL 电路烧坏 常用的电平转换电路是 MAX232 电平转换电路 数字显示部分主要是实现电压的显示 使测压过程更加方便 直观 快捷 本系 统采用的是深圳市瑞特电子有限公司生产的 12232F 型的液晶显示器 内置 8192 个 16 16 点汉字库和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集图形点阵液晶显示器 它主要由行驱 动器 列驱动器及 128 32 全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可以显示 7 5 2 个 16 16 点阵 汉字 与外部 CPU 接口采用并行方式控制 上位机操作界面主要是由 LabVIEW 编程实现的 LabVIEW Laboratory Virtual instrument Engineering 是一种图形化的编程语言 它广泛地被工业界 学术界和研 究实验室所接受 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件 LabVIEW 集成了与满 足 GPIB VXI RS 232 和 RS 485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能 它还 内置了便于应用 TCP IP ActiveX 等软件标准的库函数 这是一个功能强大且灵活的 软件 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器 其图形化的界面使得编程及使用过程 都生动有趣 图形化的程序语言 又称为 G 语言 使用这种语言编程时 基本上不写程序代码 取而代之的是流程图 它尽可能利用了技术人员 科学家 工程师所熟悉的术语 图 标和概念 因此 LabVIEW 是一个面向最终用户的工具 它可以增强你构建自己的科 学和工程系统的能力 提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径 2 2 系统的工作原理 系统的工作原理图如下图所示 4 输入电路输入电路 A D 转换转换 LCD 显示显示 单单 片片 机机 发射模块发射模块接收模块接收模块 单单 片片 机机 RS232 电平电平 转换转换 上位机上位机 PC 显示显示 被测电压被测电压 图 2 1 系统原理框图 Fig 2 1 Principle Diagram of System 由上图可知 整个智能数字电压表由五大部分构成 电压测量部分 无线传输部 分 单片机与上位机通信部分 显示部分和上位机界面部分 本设计研制的无线智能 数字电压测量系统 可实现无线传输电压 具有较高的实用价值 设计的电路具有精 度高 电路简单易于实现的特点 而且电压数据的无线传输为现场测温提供了一种更 易于观测处理的方案 单片无线收 发芯片 PTR2000 仅使用 PCB 天线 通信距离可达 10m 3 系统的硬件设计 3 1 电压测量部分 以微处理器为核心的智能数字电压表是最基本的智能数字电压表 模拟部分的主 要电路是输入电路和 A D 转换器电路 输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量 程转换 输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路 3 1 13 1 1 输入电路的设计输入电路的设计 将输入电路和 A D 转换器两部分电路合称为模拟部分 DVM 的许多技术指标 都是由模拟部分来决定的 无论一台智能 DVM 的功能有多么强大 其基本测量水平 主要由模拟部分来决定 本节先讨论输入电路 输入电路的作用是提高输入阻抗和实 5 现量程转换 智能 DVM 输入电路主要由输入衰减器 输入放大器 A1 有源滤波器 输入电流补偿电路及自举电源等部分组成 有源滤波器是否接入由微处理器通过 I O 接口电路实施控制 该滤波器对 50Hz 的干扰有 54dB 的衰减 输入电流补偿电路 的作用是减小输入电流的影响 自举电源的参考点不是它而是输入信号 输入放大器 工作点基本上不随输入信号的变化而变化 这对提高放大器的稳定性及抗共模干扰能 力等性能是很有益处的 输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电 路 图 3 1 量程标定电路原理 Fig 3 1 Range Calibration Circuit Principle S 为继电器开关 控制 100 1 衰减器是否接入 VT5 VT10 是场效应管模拟开关 控制放大器不同的增益 继电器开关 S VT5 VTl0 在微机发出的控制信号的控制下 形 成不同的通 断组态 构成 0 1V 1V 1OV 10OV 1000V 五个量程及自测试状态 送入 A D 转换器的输入规范电压为 OV 3 16V 同时 由于电路被接成串联负反馈形式并且 采用自举电源 0 lV 1V 10V 三挡量植的输入电阻高达 1000OM lOV 和 1000V 挡量 程由于接入衰减器 输入阻抗降为 1OM 当 VT5 VT6 VTs 导通 继电器开关 S 吸合 时 电路组态为自测试状态 此时放大器的输出应为 3 12V 仪器在自诊断时测量该 电压 并与存储的数值相比较 若两者之差在 6 内 即认为放大器工作正常 3 1 2 A D 转换电路的设计 完全靠硬件电路来实现的模数转换器精度不可能达到很高 高精度的智能DVM 一般不直接采用集成 A D 转换器芯片 而是在一般 A D 转换器的基础上 借助于软件 来形成高精度的 A D 转换器 其中 广为采用的有多斜积分式 A D 转换器 脉冲调宽 式 A D 转换器等 多斜积分式 A D 转换器 多斜积分式 A D 转换器是在双积分式 A D 转换器的基础上发展起来的 双积分 式 A D 转换器具有抗干扰性能强的特点 在采用零点校准和增益校准前提下其转换精 度也可以做得很高 但显著的不足之处是转换速度较慢 并且分辨率要求愈高 其转换 6 速度也就愈慢 由于比较器带宽有限 因此不能简单地通过提高时钟频率来加快转换 速度 如果采用软件计数 则时钟频率的提高更是有限度的 除此之外 双积分式 A D 转换器还存在着 零区 等问题 采用三斜积分式 A D 转换器可以较好地改善转换速 度慢这个弱点 它的转换速率分辨率乘积可比传统双积分式 A D 提高二个数量级以上 三斜积分式 A D 转换器的转换波形是将双积分式 A D 转换的反向积分阶段 T2 分为 T21 和 T22 两部分 在 T21 期间积分器对基准电压 UR 进行积分 放电速度较快 在 T22 期间积分器改对较小的基准电 UR 2m 进行积分 放电速度较慢 在计数时 把计 数器也分成两段进行计数 在 T21 期间 从计数器的高位 2m 位 开始计数 设其计数值 为 NI 在 T21 期间 从计数器的低位 20 位 开始计数 设其计数值为 N2 分析可得三斜 积分式 A D 转换器的基本关系式 UX 3 1 N T TU m R 1 0 2 三斜积分式 A D 转换器可以使测量速度大幅度提高 四斜积分式 A D 转换器是为解决双积分式和三斜积分式 A D 转换器存在的零区 问题而提出的 其解决的方法是 在取样期结束时 先选用与被测电压同极性的基准电 压积分一段固定的时间 Tc 以产生上冲波形 避开零区 然后再按上述三斜积分式 A D 转换的方法去进行反向积分 从而构成四斜积分式 A D 转换器 由于 Tc 是固定的 因此 该上冲使测量结果增加的数值也是固定的 这很容易用软件的方法来扣除 图 2 10 示出了四斜积分式 A D 转换器的原理图 图 3 2 四斜积分式 A D 转换器原理 Fig 3 2 Four Oblique Integral A D Converter Principle 积分器的输入端经六个开关分别与被测电压 各种基准电压和模拟地相接 由 6 个 D 触发器组成的输出口实施对这些开关的控制 微处理器通过执行输出指令将不同 的数据送往该输出口就可以使不同的开关接通 比较器 I 和比较器 II 的输出分别经 7 三态反相器连接到数据总线的 D7 和 D0 位 这两个三态门构成了微处理器系统的一 个输入口 通过向该口执行输入指令对 D7 和 D0 位进行判别 就可以确定当时积分器 的状态 计数器是由微处理器内部的 8 位寄存器 B C D 级联组成 其中寄存器 B 为计 数器的低 8 位 寄存器 D 为计数器的高 8 位 这里选择系数 m 7 因此在 T21 期间将 从寄存器 B 的最高位计数 在 T22 期间将从寄存器 B 的最低位计数 脉冲调宽式 A D 转换器是 Solar tron 公司的专利 它也是在双积分式 A D 转换器 的基础上发展起来的 脉冲调宽式 A D 转换器主要克服双积分式 A D 转换器的下述 不足之处 积分器输出斜波电压的线性度有限 使双积分式 A D 转换器的精度很难高 于 0 01 积分器式 A D 转换器采样是间断的 因此不能对被测信号进行连续监测 脉 冲调宽式 A D 转换器的原理框图如图 2 11 a 所示 由一个积分器 两个比较器 一个可逆计数器和一些门电路组成 积分器有三个输入信号 被测信号 Ux 强制方 波 Uf 以及正负幅度相等的基准 UR 由于强制方波的作用大于其余两者之和 所以积 分器输出为正负交替的三角波 当三角波的正峰和负峰超越了两个比较器的比较电平 U 和 U 时 比较器便产生升脉冲和降脉冲 一方面 升降脉冲用来交替地把正负基准 电压接入到积分器的输入端 另一方面 升降脉冲分别控制门 和门 以便控制可逆 计数器进 行加法计数和减法计数 上述分析可知 当 Ux 0 时 积分器的输出动态地对 零平衡 因而升降脉冲宽度相等 可逆计数器在一个周期内的计数值为零 如果有信号 Ux 输入时 它将使积分器输出正向斜率增加负向斜率减少 从而使升脉冲宽度增加 降 脉冲宽度减少 则可逆计数器加法计数多于减法计数 两者之差即代表 Ux 的大小 上 述 A D 转换器各点波形如图 2 11 b 所示 为简化起见 没考虑正负基准电压对积 分输入电压的影响 被测电压的平均值与可逆计数器进行加法计数的时间与减法计数 之差成正比 即与计数器的计数值成正比 由于脉冲调宽式 A D 转换器中的积分器在 每个测量周期中要往返多次 使积分器的非线性得到了良好的补偿 由于 A D 转换对 Ux 的采样是连续的 便于对 Ux 不间断地检测 克服了双积分 A D 转换器前述的不足 8 图 3 3 脉冲调宽式 A D 转换器原理 Fig 3 3 Pulse width modulation A D converter principle 在本设计中使用的 A D 转换芯片是 ICL7135 ICL7135 精度高 抗干扰性能好 价格低 应用十分广泛 下面为 ICL7135 的引脚定义 主要特性及其与单片机的接口 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 V REFERENCE ANLOG COMMON IN OUT AZ IN BUFF OUT REF CAP REF CAP IN LO IN HI V MSD D5 LSB B1 B2 UNDERRANGE OVERRANGE STROBE R H DIGITAL GND POL CLOCK IN BUSY LSD D1 D2 D3 D4 MSB B8 B4 ICL7135 图 3 4 ICL7135 的引脚图 Fig 3 4 ICL7135 Pin Map 9 ICL7135 的引脚功能及主要特性 ICL7135 是双斜积分式 4 位半单片 A D 转换器 28 脚 DIP 封装 其引脚功能如下 1 脚 V 5V 电源端 2 脚 VREF 基准电压输入端 3 脚 AGND 模拟地 4 脚 INT 积分器输入端 接积分电容 5 脚 AZ 积分器和比较器反相输入端 接自零 电容 6 脚 BUF 缓冲器输出端 接积分电阻 7 脚 CREF 基准电容正端 8 脚 CREF 基准电容负端 9 脚 IN 被测信号负输入端 10 脚 IN 被测信号 正输入端 11 脚 V 5V 电源端 12 17 20 脚 D1 D5 位扫描输出端 13 16 脚 B1 B5 BCD 码输出端 21 脚 BUSY 忙状态输出端 22 脚 CLK 时钟信号输入端 23 脚 POL 负极性信号输出端 24 脚 DGND 数字 地端 25 脚 R H 运行 读数控制端 26 脚 STR 数据选通输出端 27 脚 OR 超量程状态输出端 28 脚 UR 欠量程状态输出端 ICL7135 的主要性能特点为 1 输入阻抗达 109 以上 对被测电路几乎没有影响 2 自动校零 3 有精确的差分输入电路 4 自动判别信号极性 5 有超 欠压输出信号 6 采用位扫描与 BCD 码输出 本设计中使用单片机串行方式采集 ICL7135 的数据以实现单片机电压表和小 型 智能仪表的设计方案 ICL7135 的测量周期 ICL7135 的测量周期包括下列四相 节拍 1 AUTO ZERO 自动调零 相 图 3 5 Vid 常数时 ICL7135 的时序图 Fig 3 5 Vid Constant ICL7135timing Diagram 在该相时 内部 IN 和 IN 输入与引脚断开 且在内部连接到 NLG 10 COMMON 基准电容被充电至基准电压 系统接成闭环并为自动调零 AUTOZERO 电容充电以补偿缓冲放大器 积分器和比较器的失调电压 此时 自动调零精度令受系统噪声的限制 以输入为基准的总失调小于 10 V 2 SINGAL INTEGRATE 信号积分 相 在该相 自动调零环路被打开 内部的 IN 和 IN 输入被连接至外部引脚 在固 定的时间周期内 这些输入端之间的差分电压被积分 当输入信号相对于转换器电源 不反相 NO RETURN 时 IN 可直接连接至 ANJG COMMON 以便输出正确的共 模电压 同时 在这一相完成的基础上 输入信号的极性将被系统所记录 3 DEINTEGRATE 去积分 相 该相的基准用于完成去积分 DEINTEGRATE 任务 此时内部 IN 在内部连接 ANLG COMMON IN 跨接至先前已充电的基准电容 所记录的输入信号的极性可 确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零 输出返回至零所需的时间正 比于输入信号的幅度 返回时间显示为数字读数 并由 1000 Vid Vref 确定 满 度或最大转换值发生在 Vid 等于 Vref 的两倍时 图 3 5 不同 Vid 时 ICL7135 的时序图 Fig 3 5 Vid ICL7135timing Diagram 4 ZERO INTEGRATE 积分器返回零 相 内部的 IN 连接到 ANLG COMMON 系统接成闭环以使积分器输出返回到零 通常这相需要 100 200 个时钟脉冲 但是在超范围 OVERRANGE 转换后 则需 要 6200 个脉冲 图 3 4 所示是 Vid 为常数时的 ICL7135 时序图 由图 3 4 可知 在 Signal Integrate 即信号积分 相开始时 ICL7135 的 BUSY 信号线跳高并一直保持高电平 直到 De integrate 去积分 相结束时才跳回低电平 在满量程情况下 这个区域中 的最多脉冲个数为 30002 个 其中 De integrate 去积分 相的脉冲个数反映了转换 结果 图 3 5 是不同 Vid 值时的 ICL7135 时序图 由图 3 5 可见 对于不同模拟量输入 ICL7135 的 BUSY 信号的高电平宽度也不同 11 在 ICL7135 与单片机系统进行连接时 如果使用 ICL7135 的并行采集方式 则 不但要连接 BCD 码数据输出线 又要连接 BCD 码数据的位驱动信号输出端 这样 至少需要 9 根 I O 口线 因此 系统的连接比较麻烦 且编程也非常复杂 而 ICL7135 的串行接法是通过计脉冲数的方法来获得测量转换结果的 由其时序分析可 知 在 Deintegrate 去积分 相 其脉冲数与转换结果具有一一对应关系 实际上 可以通过单片机 例如 ATMEL 公司的 51 系列单片机 AT89C52 的定 时器 T0 也可以使用定时器 T1 来计脉冲器 由于 定时器 T0 所用的 CLK 频率 是系统晶振频率的 1 12 因此可利用单片机 AT89C52 的 ALE 信号作为 ICL7135 的脉冲 CLK 输入 但要注意 在软件设计编程中 若指令中不出现 MOVX 指令 ALE 端产生的脉冲频率将是晶振的 1 6 至此 便可找到定时器所使用的频率与单片 机系统晶振频率的关系 以及 ICL7135 所需的频率输入与单片机系统晶振频率的关 系 为了使定时器 T0 的计数脉冲的 ICL7135 工作所需的脉冲同步 可以将 ICL7135 的 BUSY 信号接至 AT89C52 的 P3 2 INT0 引脚上 并且将定时器 T0 的选通控制 信号 GATE 倍 1 此时定时器 T0 是否工作将受 BUSY 信号的控制 由上述时序图可 知 当 ICL7135 开始工作时 即在积分波形的 Signal Integrate 相开始时 也就是 ICL7135 的 BUSY 信号跳高时 定时器 T0 才开始工作 且定时器 T0 的 TH0 TL0 所记录的数据与 ICL7135 的测试脉冲 从积分波形的 Signal Integrate 相开始时 Deintegrate 相结束这一区域内的脉冲称为测量脉冲 存在一定的比例关系 其系统连 接图如图 3 6 所示 在这种情况下 由于定时器 T0 和 ICL7135 所用的时钟不是同一路 因此 应当 找到定时器 T0 所记录的数据和测量脉冲之间的某种比例关系 其比例关系如下 Ftime Fosc 12 Fale Fosc 6 Freal Fosc 24 Ficl Fale N 其中 Fosc 为系统晶振频率 Ftime 为定时器所用频率 Fale 为单片机 ALE 输出的 频率 Freal 为 ICL7135 的测量脉冲频率 Ficl 为 ICL7135 所用的输入频率 该频率 可通过 Dale 分频得到 N 为分频比 该系统中 N 应选为 4 12 6K8 R1 100K R4 0 22uF C2 D1 D2 REF V AGND INT out AZ BOF CAP1 CAP2 IN Lo IN HI V DGND POC CLK BUSY ICL7135 Q Q CLK R D S VssS D R CLK Q Q VDD CD4013 89C52 INT0 ALE Vcc 89C52 100K R5 100K R3 1uF 1uF C3 0 1uF C4 0 01uF C6 30p C5 12 Y1 XTAL R2 10K 5V 5V 5V VCC VCC 图 3 6 ICL7135 与 89C52 的接口电路 Fig 3 6 ICL7135and89C52 Interface Circuit 3 1 3 中央控制电路的设计 本系统使用 ATMEL 公司生产的 89C52 单片机作为微控制器 控制测压和无线 传输过程 AT89C52 是 ATMEL 美国公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据 存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合 下图为 AT89C52 的引脚图 图 3 7 AT89C52 的引脚图 Fig 3 7 AT89C52 Pin Map 13 主要性能参数 1 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 2 8K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0Hz 24MHz 5 三级加密程序存储器 6 256 8 字节内部 RAM 7 32 个可编程 I O 口线 8 3 个 16 位定时计数器 9 8 个中断源 10 可编程串行 UART 通道 11 低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述 AT89C52 提供以下标准功能 8K 字节 Flash 闪速存储器 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 位定时计数器 一个 6 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 AT89C52 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 引脚功能说明 Vcc 电源电压 GND 地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作 为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时 转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平 此时可作输出口 作输出口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流 Iil P2 口 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平 此时可作输出口 作输出口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流 Iil P3 口 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 14 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重 要的用途是它的第二功能 RST 复位输入 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 输 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 PSEN 程序存储允许输出是外部存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序 存储器指令时 每个机器周期两次 PSEN 有效 EA VPP 外部访问允许 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 2 无线传输部分 本设计中采用的无线传输芯片是 nordic 公司生产的单片无线收 发芯片 PTR2000 现对芯片的主要功能和使用方法作简单介绍 3 2 1 PTR2000 芯片的介绍 射频收发芯片 PTR2000 工作在 433MHz 国际通用的 ISM 频段 FSK 调制和解调 抗干扰能力强 采用 PLL 频率合成技术 频率稳定性好 灵敏度高达 105dBm 最 大发射功率达到 10dBm 数据速率达 20Kbit s 可方便地嵌入各种测量和控制系统 中 在仪器仪表数据采集系统 无线抄表系统 无线数据通信系统 计算机遥测遥控 系统等中应用 PTR2000 具有两个信号通道 适合需要多信道工作的特殊场合 可直接与微控制 器接口 低工作电压 2 7V 3 6V 功耗低 发射时电源电流 8mA 接收时电源电 流 250 A 接收待机状态仅为 8 A 仅需外接一个晶体和几个电容 电感元件 即 可构成一个完整的射频收发器 电路模块尺寸为 30 22 6mm 3 PTR2000 采用 20 脚 SSOIC 封装 内部电路可分为发射电路 接收电路 模式和 低功耗控制逻辑电路几部分 发射电路包含有 射频功率放大器 锁相环PLL 压 控振荡器 VCO 频率合成器等电路 基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需 的基准频率 本机振荡用锁相环 PLL 方式 由在 DDS 基础上的频率合成器 外接的 无源回路滤波器和压控振荡器组成 压控振荡器由片内的振荡电路和外接的电感组成 要发射的数据通过 DIN 端 第 9 脚 输入 接收电路包含有 低噪声放大器 混频器 FSK 解调器 滤波器等电路 接收 电路中 低噪声放大器放大输入的射频信号 接收灵敏度 105dBm 混频器采用 1 级混频结构 混频器的输出信号经中频滤波器滤波后送入 FSK 解调器解调 解调后 的数字信号在 DOUT 端 第 10 脚 输出 9 脚 DIN 输入数字信号和 10 脚 DOUT 输 出数字信号均为标准的逻辑电平信号 需要发射的数字信号通过 DIN 输入 解调出 15 来的信号经过 DOUT 输出 12 脚通道选择 CS 0 为通道 1 1433 9MHz CS 1 为通道 2 434 33MHz 18 脚电源开关 PWR UP 0 为待机模式 19 脚 发射允许信号 TXEN 1 为发射模式 TXEN 0 为接收模式 PTR2000 内部结构图如图 3 8 引脚图如图 3 9 所示 图3 8 PTR2000内部结构图 Fig 3 8 The internal structure of PTR2000 图 3 9 PTR2000引脚图 Fig 3 9 The PTR2000 pin map 3 2 2 PTR2000典型应用电路说明 我们使用的是 PTR2000 快速开发套件 典型应用电路如图 3 10 所示 16 XC1 1 VDD 2 Vss 3 PLT1 4 VCO1 5 VCO2 6 Vss 7 VDD 8 DIN 9 DOUT 10 PER 11 CS 12 VDD 13 Vss 14 ANT2 15 ANT1 16 Vss 17 PWR 18 TXEN 19 XC2 20 PTR2000 C1 C7 C5 C12 C10 C11 C2 C8C9 C6 C4C3 R2 R1 R4 R3 L1 12 Y1 XTAL 5V 5V 5V 单单单 图 3 10 PTR2000 应用电路图 Fig 3 10 Application of PTR2000circuit Diagram 如图 3 10 所示 1 脚和 20 脚之间连接的是振荡电路 采用 4MHz 的晶振 9 脚 是数据的输入引脚 10 脚是数据的输出引脚 11 脚可以通过选择不同的 R3 值调整 发射功率 当 R3 22k 时 有最大发射功率 10dBm 15 脚和 16 脚是环形天线的 连接引脚 18 脚可控制工作和待机模式 19 脚可以控制发射和接收模式 在无线传输的高精度测压系统中 PTR2000 主要完成对电压数据的无线传输 图 3 11 是接收端电路框图 图 3 11 接收端连接框图 Fig 3 11 The receiving end connection diagram 微控制器的 I O 口 P2 6 控制 PTR2000 的片选端 P2 5 口控制 PTR2000 的 TXEN 端 即发送 接收控制端 实现半双工通信功能 P2 4 口控制 PTR2000 的 POWER UP 端 实现待机和上电的控制 达到节能目的 发送电路连接框图与接收 端连接框图相同 功能基本和接收端也相同 3 3 LED 显示部分 发光二极管显示器 LED 是单片机应用产品中常用的廉价输出设备 它是由若干 个发光二极管组成 当发光二极管导通时 相应的一个点或一个笔划发光 控制不同 17 组合的二极管导通 就能显示出各种字符 常用为七段显示器结构 但是当显示信息 量较多时 该种显示方式给使用者带来了极大的不便 而液晶显示器 LCD 具有功耗 低 体积小 重量轻等诸多其他显示器件无法比拟的优点 被广泛应用于便携式仪器 仪表和低功耗电子产品中 LCD 本身不发光只是调节光的亮度 目前市场上销售的 LCD 显示器都是利用液 晶的扭曲 向列效应制成 这是一种电场效应 夹在两片导电玻璃电极间的液晶经过 一定处理 它内部的分子成 90 度的扭曲 当线性偏振光透过其偏阵面便会旋转 90 度 当在玻璃电极上加上电压后 在电场作用下 液晶的扭曲结构消失 其旋光作用 也消失 偏振光便可直接通过 当去掉电场后液晶分子又恢复扭曲结构 它与PC 机相比 成本较低 可以实现汉字和数据的直观化 易于实现 LCD 可分为段位式 字符式和点阵式 其中 段位式 LCD 和字符式 LCD 只能 用于字符以下的简单显示 不能满足图形曲线及汉字显示的要求 而点阵式LCD 不 仅可以显示字符和数字 还可显示各种图形 曲线及汉字 便于实现人机对话操作 测量处理结果显示 并且可以实现屏幕的上下左右滚动 闪烁等功能 用途十分广泛 本系统采用的是深圳市瑞特电子有限公司生产的 12232F 型的液晶显示器 内置 8192 个 16 16 点汉字库和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集图形点阵液晶显示器 它主要 由行驱动器 列驱动器及 128 32 全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可以显 示 7 5 2 个 16 16 点阵 汉字 与外部 CPU 接口采用并行方式控制 具体时序图如图 3 12 3 13 所示 图 3 12 MPU 写资料到模块 Fig 3 12 MPU to Write Data to the Module 18 图 3 13 MPU 从模块读出资料 Fig 3 13 MPU Module Read Data From 电压显示电路如图 3 14 所示 其中 12232F 的数据线 DB0 DB7 与 PB 口相连 RS 控制引脚与 PC0 脚相连 RS H 表示 DB7 DB0 为显示数据 RS L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 图3 14 12232F与单片机的接口电路 Fig 3 14 12232F and MCU Interface Circuit R W 控制端与 PC1 脚相连 R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被写到 IR 或 DR 中 E 端为 使能信号 由单片机的 PC2 引脚控制 该电路中的点阵液晶显示模块独占 Atmega16 的相应口线 与其他硬件电路及地址无关 所以 CS 端可直接接地 RP 为对比度调节电位器 R1 C1 组成上电复位电路 C2 C3 为电源滤波电容 19 3 4 单片机与 PC 机的通信接口部分 目前 RS 232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口 RS 232 被定义 为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准 RS 232 采取不平衡传输方式 即所谓单端通讯 内部结构及引脚图如下 图 3 15 MAX232 的内部结构图 Fig 3 15 The internal structure of MAX232 收 发端的数据信号是相对于信号地 如从 DTE 设备发出的数据在使用 DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚 信号地 的电平 DB25 各引脚定义参见图 1 典型的 RS 232 信号在正负电平之间摆动 在发送数据时 发送端驱动器输出正电平在 5 15V 负电平在 5 15V 电平 当无数据传输时 线上为 TTL 从开始传送数 据到结束 线上电平从 TTL 电平到 RS 232 电平再返回 TTL 电平 接收器典型的工 作电平在 3 12V 与 3 12V 由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右 所以其共模抑制能力差 再加上双绞线上的分布电容 其传送距离最大为约15 米 最高速率为 20kb s RS 232 是为点对点 即只用一对收 发设备 通讯而设计的 其驱动器负载为 3 7k 所以 RS 232 适合本地设备之间的通信 其有关电气参数 参见下图 20 表 3 16 RS232 RS422 RS485 之间的电气参数比较 Tab 3 16 RS232 RS422 RS485Between Electrical Parameters 规定 RS232RS422R485 工作方式 单端 差分差分 节点数1 收 1 发1 发 10 收1 发 32 收 最大传输电缆长度 50 英尺400 英尺400 英尺 最大传输速率 20Kb S10Mb s10Mb s 最大驱动输出电压 25V 0 25V 6V 7V 12V 驱动器输出信号电平 负载最小值 负载 5V 15V 2 0V 1 5V 驱动器输出信号电平 空载最大值 空载 25V 6V 6V 驱动器负载阻抗 3K 7K10054 摆率 最大值 30V sN AN A 接收器输入电压范围 15V 10V 10V 7V 12V 接收器输入门限 3V 200