以AD637为基础的交流毫伏表设计

1、i 以 ad637 为基础的交流毫伏表设计 摘 要 本设计是基于 ad637 电路的交流数字毫伏表电路设计。该毫伏表是基于真有效 值转换(true rms-to-dc converter)技术，以真有效值转换集成芯片 ad637 为核心， 以微控制器（mcu）为量程转换控制，以高精确度四位半 a/d 转换器为模数转换， 通过 lcd 显示，并辅以必要的外围电路设计而成。数字交流毫伏表系统主要由 mcu 控制模块、程控放大器模块、真有效值转换模块、电压数字显示模块等组成， 并且能够根据实际交流电压输入完成相应的量程转换功能，同时使用 lcd 显示测试 电压值。 该电路采用 icl7135 高精度

2、、双积分 a/d 转换电路，测量范围在 0-10 伏的交 流信号，用 lcd 液晶显示。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了双积 分电路的基本原理，89c51 最小系统的特点，icl7135 的功能和应用，lcd1602 的 功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。 关键词 真有效值 数字显示 icl7135 双积分 a/d 转换器 1602 液晶 ii to ad637 mv based on the design of exchange abstract the ad637 circuit design is based on the exchange of digita

3、l circuit design millivoltmeter. the table is based on the mv rms conversion (true rms-to-dc converter) technology to trms ad637 converter chip as the core, microcontroller (mcu) for the change of control of range, high precision 4 half a / d converter for analog-to-digital conversion, through the l

4、cd display, supplemented by the necessary from the external circuit design. digital ac millivolt meter system mainly by the mcu control module, program-controlled amplifier module, true rms conversion module, voltage digital display module, such as composition,and can in accordance with the actual a

5、c voltage input range corresponding to complete conversion, at the same time using the lcd display test voltage value. icl7135 precision of the circuit, double-integrating a / d conversion circuit, surveying the range of 0-10 v ac signal, the lcd liquid crystal display. given body of hardware and so

6、ftware systems focused on different parts of the circuit, introduced the double-integrating the basic principles of circuit, 89c51 minimum system characteristics, icl7135 function and application, lcd1602 functions and applications. the circuit design of novel, powerful and highly scalable. key word

7、s true rms digital display icl7135 double integral a/d converter 1602 lcd 目 录 中文摘要.i 英文摘要.ii 引 言.1 1 总体方案设计.2 2 技术方案论证与比较.3 2.1 真有效值直流变换模块设计方案.3 2.2 程控放大器模块设计方案.4 2.3 模/数转换模块设计方案.4 2.4 lcd 显示模块设计方案.5 3 系统硬件电路设计与实现.5 3.1 程控放大器电路设计.5 3.2 真有效值转换电路设计.8 3.3 a/d 转换电路设计.10 3.4 单片机最小系统电路设计.13 3.5 液晶显示电路设计.1

8、7 3.6 稳压电源的设计.20 3.7 报警电路设计.22 4 软件程序设计.23 4.1 量程自动转换程序设计.23 4.2 数据处理程序设计.24 4.3 液晶显示模块程序设计.26 5 系统调试.27 5.1 硬件调试.27 5.2 软件调试.28 总结.28 致 谢.29 参考文献.30 附 录.31 1 引言 数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用 的一种基本测量工具，有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。在电气测量 过程中，电压是一个很重要的技术参数。如何准确地测量模拟信号的电压有效值， 一直是电测仪器研究的内容之一。 目前，低精度交流数字毫伏

9、表大多采用平均值原理，只能测量不失真正弦信号 的有效值，故受到波形失真度的限制而影响测量精确度和使用范围。真有效值数字 仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度 高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用1。 在真有效值数字电压表设计中，提高系统的测量精确度、稳定性、改善线性、 提高频率响应特性是本设计中的关键。 数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式。和以往的仪器、仪表有所不 同的是该设计具有智能调挡功能，它是基于单片机为基础的智能化仪表，是单片机 应用领域中的又一个新的亮点。单片机的诞生和独立的技术发展道路，充分表明单 片机是一个应用于对象体系的智

10、能化工具。这也在仪表应用领域中得到充分肯定。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 cmos 化、低功 耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 本设计的智能数字交流毫伏表则采用双积分式 a/d 转换方案，从原理上克服了 模拟电压表的缺陷。而且在具体设计和实现过程中有效地保证了仪器的精度和灵敏 度。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上,都具有传统数字电压表无法比 拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的市场前景。 2 1 总体方案设计 交流毫伏表系统包括:数据采集部分、数据处理部分、结果显示部分等三个主要 组成部分。其中真有效值交流/直流转

11、换器是核心元件。本设计采用高精度 ad637 芯片，量程为 010v，精确度为 0.05%rdg+0.25mv. 系统设计的总体思路:首先将滤波后的模拟信号通过衰减放大电路将电压值转换 到 rms-dc 变换器的工作电压范围内，然后让变换结果通过模/数转换后直接送入 单片机，经软件算法的相应处理后送液晶显示。若输入的被测信号电压不在合适的 量程之内，单片机经过判断后控制模拟开关对衰减放大电路作相应的调整，以实现 仪器智能转换量程的功能，并起到了保护后续电路的作用。 系统原理框图如图 1-1 所示： 真有效值转换a/d 转换 程控放大器单 片 机 信号输入 对增益进行控制 lcd 显示 图1-1

12、 系统原理框图 从系统原理框图 1-1 中可以看出，交流毫伏表系统主要有五个功能模块：程控 放大器模块、单片机最小系统模块、真有效值转换模块、a/d 转换模块及液晶显示 模块组成。其中程控放大器模块、真有效值模块及 a/d 转换模块可以归纳为数据采 集部分；单片机模块和液晶显示模块可以分别认为是数据处理部分、结果显示部分。 除此之外，电源模块也是系统不了或缺的组成部分，是完成上述功能部分的基 础模块。 工作流程简述：交流电压信号经过程控放大器对交流信号进行增益调整后进入 信号真有效值转换，转换后的信号经过模拟信号到数字信号的转换过程2；经转换 后的信号经单片机处理程序先判断信号是否衰减适度，要

13、是衰减适度就送液晶显示 出来，如果衰减度太大或太小的话则进行衰减调整，经衰减合适后的信号经液晶显 3 示出来最终结果。 2 技术方案论证与比较 在技术方案中，系统功能模块主要涉及到系统的组成和元件的选择。系统模块 主要包括：程控放大器模块、真有效值直流(rms-dc)变换模块、模/数转换模块、 单片机最小系统模块、液晶显示模块等五个主要组成部分。通过对以上五大模块的 功能分析和比较，提出一下技术设计方案以供选择。 2.1 真有效值直流变换模块设计方案 真有效值直流变换模块是本设计的重点，它的设计与器件的选择关系到交流数 字毫伏表的精确度和灵敏度，通过对交流毫伏表设计文献、资料的学习和借鉴，提

14、出以下设计方案以供选择。 方案一：热点变换法。此方法包括热电偶效应平衡转换和热敏三极管变换。热 电偶配对很困难，并且有相应缓慢、过载能力差等缺点。 方案二：采样计算法。此方法是对周期信号进行快速采样，获得很多个离散值 ， 1 u ，存储在内存中再利用计算机的运算功能，按有效值数学定义：= 2 u 3 uu 8进行运算。 2222 123n uuuun 此方案虽然转换精度高，但是技术要求高，造价也高，不适合用于多位数字表 的设计。 方案三：模拟直接运算变换法。根据有效数学定义用集成组件乘法器、开方器 等依次对被测信号进行平方、平均和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。在 这种电路设计中，当输入

15、信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输 出幅度很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路动态范围很窄，精度不高。 方案四：单片集成有效值转换组件法。对数放大器转换是利用晶体管 pn 结平方 律传递关系而成的。单片集成电路 ac/dc 真有效值转换芯片，内部集成了实现算法 求取有效值的各种电路，能将任意波形的交流电压信号直接转换成与其有效值成比 4 例的直流电压，而不必考虑波形参数和失真度的大小。并且 ad63721对输入 200mv 带宽可达 1mhz，2v 输入时带宽可达 8mhz，输入 200mv 以下时可以前置放大电路， 且使用缓冲模式输入阻抗可达 100m 欧，因此 ad6

16、37 完全可以胜任题目要求。 比较以上四种方案，采用方案四进行 ac/dc 真有效值转换，电路简单，而且在 理论上能保证较高的精确度，性价比较高，具有实际的参考价值。 2.2 程控放大器模块设计方案 本设计的电压表显示范围为 0v10v，因后级有效值转换模块的输入电压范围 为 0.27v，因而需要进行量程的转换。根据被测信号的大小可把电压表的量程分 为 10v、1v 和 0.1v 三个量程段，相应的分压倍数为 0.2 倍、2 倍和 20 倍。 首先通过模拟开关选通不同的电阻通道分别实现 0.2 倍、2 倍和 20 倍的信号衰 减，然后采用集成运算放大器把被测信号放大 20 倍，从而实现增益的调

17、节。因为经 过放大器的信号最高频率为 1mhz、最大增益为 10 倍，所以要求反向放大器中的运 放增益带宽积 10mhz 以上，高速运放 op07 增益带宽积达到 200mhz，完全满足设 计要求。故本设计程控放大器模块采用 op07 作为该模块的主要器件。 2.3 模/数转换模块设计方案 模/数转换模块是数字交流毫伏表设计的一个重要环节，它的设计直接关系到后 续电路的被测量电压信号的处理和显示的精度。通过程控模块输出来的电压信号通 过模/数转换模块把模拟被测信号转换为数字被测信号，以便后级单片机处理模块正 常工作，因单片机只能接受数字信号。并且模/数转换模块的位数直接决定被测电压 的精度。以

18、通过学习和借鉴以往交流毫伏表的设计文献，提出以下设计方案。 方案一：8 位 a/d 转换器 ad0809 3 将交流电压的真有效值通过 ad0809 转换为数字量，然后通过由单片机 at89s51 控制，将数字量用 led 数码管显示出来。由于 ad0809 是八位的 a/d 转 换器，在精度方面无法达到题目的要求，所以放弃这一方案。 方案二：3 1/2 位 a/d 转换器 mc14433 mc14433 集成了双积分式 a/d 转换器所有的 cmos 模拟电路和数字电路。具 有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有 5 自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量

19、的阻容件即可构成一个完整的 a/d 转 换器。但是 mc14433 的满量程为 200v,无法满足本题的设计要求。 方案三: 4 1/2 位双积分 a/d 转换器 icl7135 icl7135 满度测量量程为2.0000v，在此范围内，准确度为1 个字。它具有 自动调零功能，保证在 0v 输入时读数为零，并且输入阻抗高于，输入漏电 9 10 流仅仅 1 pa（典型值）,允许差分输入方式。能够自动判断输入信号的极性，具有 读数保持功能。在超量程和欠量程情况下，能以闪烁的方式表示超量程状态，容易 实现量程的自动转换功能，并且具有更高的测量精度。 综合比较，选用 icl7135 更容易实现题目的基

20、本要求和发挥部分的要求。故本 系统选用方案三。 2.4 lcd 显示模块设计方案 液晶显示器（lcd）5是一种功耗很低的显示器，它具有体积小、功耗低、显 示内容丰富等特点，伴随电子技术的飞速发展，液晶显示器的价格越来越便宜，现 在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。它的使 用非常的广泛，不但在家用电器中经常应用，而且在现代电子设计中的应用也越来 越多。本设计使用的是 1602 液晶显示器。 1602 可以显示 2 行 16 个字符，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文等，完全满足本设计显示要求。 3 系统硬件电路设计与实现 系统硬件电路设计主要

21、包括：程控放大器模块、真有效值直流(rms-dc)变换模 块、模/数转换模块、单片机控制模块、液晶显示模块等五个主要组成部分。下面就 这五部分的硬件电路设计作如下分析和概括。 3.1 程控放大器电路设计 程控放大器模块由三部分构成：射极跟随器、模拟开关和集成运算放大器。 各部分的具体功能如下： 6 第一：射极跟随器 射极跟随器就是信号从发射极输出的放大器。其特点为输入 阻抗高，输出阻抗低，动态电压放大倍数小于 1 并接近 1，负载能力强，且输出电 压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用和功率放大作用。常作阻抗 变换和级间隔离用。 本设计当中的射极跟随器用的是 op07 集成运算放大器

22、，连接方式是基极与发 射极共地，基极输入信号，发射极输出。 第二：模拟开关 模拟开关 cd4051 相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通 道，由输入的 3 位地址码 abc 来决定。 “inh”是禁止端，当“inh”=1 时，各通道均 不接通。此外，cd4051 还设有另外一个电源端 vee，以作为电平位移时使用，从 而使得通常在单组电源供电条件下工作的 cmos 电路所提供的数字信号能直接控制 这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达 15v 的交流信号。例如，若模 拟开关的供电电源 vdd=5v，vss=0v，当 vee=5v 时，只要对此模拟开关施 加 05v 的数字控制信号，就可

23、控制幅度范围为5v5v 的模拟信号。 第三：集成运算放大器 根据设计要求，被测电压信号由于后级电路的输入要求 要做适当的放大或缩小。前级电路的输入电压经过射极跟随器和模拟开关之间的分 档电阻后被适当的衰减或放大，为考虑到系统设计的精度要求，后级放大电路要对 被测信号做适当的放大，以便真有效值转换电路能正常工作和满足系统精确度的要 求。 本设计用的是 op07 集成运算放大器，它经过外围电路构成放大倍数为 20 的信 号放大器。 程控放大器模块设计过程中所用器件简介: 第一：op07 op07 是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用 双电源，能达到最佳的放大效果。 o

24、p07 特点介绍： （1）低的输入噪声电压幅度0.35 vp-p (0.1hz 10hz) （2）极低的输入失调电压10 v （3）极低的输入失调电压温漂0.2 v/ （4）具有长期的稳定性0.2 v/mo （5）低的输入偏置电流 1na 7 （6）高的共模抑制比126db （7）宽的共模输入电压范围14v 图 3-1 op07 dip 封装 （8）宽的电源电压范围 3v 22v 可替代 725、108a、741、ad510 等电路。 op07 dip 封装如图 3-1 所示。 第二：cd4051 模拟开关 cd4051 相当于一个单刀 八掷开关，开关接通哪一通道，由输入 的 3 位地址码 a

25、bc 来决定。 “inh”是禁 止端，当“inh”=1 时，各通道均不接通。 此外，cd4051 还设有另外一个电源端 vee，以作为电平位移时使用，从而使 得通常在单组电源供电条件下工作的 cmos 电路所提供的数字信号能直接控 制这种多路开关，并使这种多路开关可 图 3-2 cd4051 芯片 传输峰峰值达 15v 的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源 vdd=5v，vss=0v，当 vee=5v 时，只要对此模拟开关施加 05v 的数字控 制信号，就可控制幅度范围为5v5v 的模拟信号。 第三：程控模块原理图如下图 3-3 所示。 x 4 1 x 6 2 x 3 x 7 4 x 5 5

26、 in h 6 v ee 7 8 c 9 b 10 a 11 x 3 12 x 0 13 x 1 14 x 2 15 u 2 c d4 051 r 1 90 k r 2 9k r 3 1k r 4 5k r 6 10 0k r 5 5k g nd g nd b nc +15 -1 5 +15 v out p1.6 p1.7 3 2 6 1 8 74 u 1 o p-0 7 3 2 6 1 8 74 u 3 o p-0 7 -1 5 图 3-3 程控放大器模块 8 模块工作原理简述：被测交流电压信号经过射极跟随器把前后级电路隔离开来， 隔离后的信号经过模拟开关（起初模拟开关最大档位有效，即 ba

27、:10）把信号经集 成运算放大器放大到下级电路要求的范围内，使后级电路能正常工作。 3.2 真有效值转换电路设计 普通数字电压表只能测量直流电压。如果要测量交流电压，必须增加交流/直流 （ac/dc）转换电路。由于本系统采用测交流有效值的方案，所以需要对交流信号 进行真有效值转换。 真有效值方法检测电压、电流的核心是 trms/dc 转换器，这类转换电路现已实 现单片集成化。就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综 合考虑，本设计选用了 ad 公司的 rms-dc 变换器件 ad637。它具有响应速度快，响 应时间和信号幅度无关等特点。根据其特性曲线，ad637 在输入电压在

28、 0.2v2v 范 围内有最佳频率响应，故衰减放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。ad637 是一块高精度单片 trms/dcc 转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。 ad637 集成芯片采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达 10 的信号时附加误 差仅为 1，频带宽度在 2v 输入时可达 8mhz。ad637 的制造工艺先进，采用激光修 正，一般情况下不需要加外部调整元件。惟一的外围元件是平均电容 ,用来设定平 均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小及稳定时间。ad637 的内部有独 立的缓冲放大器，既可作输入缓冲器用，亦可构成有源滤波器来减小纹波，提高测 量准确度。此外，芯片

29、内部输入端有过压保护电路，即使输入电压超过电源电压， 一般也不会损坏芯片。 ad637 的内部结构框图如图 3-4 所示19，主要由缓冲器、有源整流器、偏置电 路、平方/除法器和滤波电路组成。如图 3-4 所示，输入电压通过有源整流器转换成 单极性电流i1，加至平方/除法器的一个输入端。平方/除法器的输出电流为 ，有关 系式为： （3-1） 2 1 3 4 i i i 利用驱动并与构成一个低通滤波器，经外部提供一个电流，再 4 i 4 a av c 0 u 3 i 通过返回平方/除法器，完成下述隐含式有效值计算： 3 a 9 （3- 2 1 4 31 i avg i ii 2） （3- 2 0

30、 0 inu u u 3） 图 3-4 ad637 内部结构框图 理论验证：根据美国模拟公司提供的资料，我们可以得到在理想情况下 ad637 的频率响应。当时，频率上限为 300khz；时，mvuin100mvuin200 频率上限为 600khz；时，频率上限高达 8mhz。完全能够符合本题设vuin1 计需求。 图 3-5 ad637 频率响应图 10 ad637 的运算方程为： （3- 2 0 1 t i udt t u 4） 其中，t 为的周期。 i u 输入电压通过 ad637 中的绝对值电路变成单极性电流，加至平方/除法器的 i u 一个输入端，再经低通滤波/放大器，最终在 ad6

31、37 的 9 号脚输出直流电压。 0 u b uf fin 1 n c 2 c om m on 3 o ffs et 4 c s 5 d en in 6 db o ut 7 c av 8 r ms ou t 9 -v s 10 +vs 11 n c 12 v in 13 b uf fo ut 14 a d6 37 c 3 4.7uf c1 10uf c2 0.1uf v in +15-1 5 v out , 图 3-6 ad637 外围电路 综上所述，由 ad637 构成的转换电路具有准确度高，稳定性好，测量速速快等 特点，可以测量各种波形的有效值，且频带宽，是一种较理想的设计。 3.3 a/

32、d 转换电路设计 a/d 转换电路模块的核心是 4 个半位双积分 a/d 转换器 icl7135，icl7135 是 满量程为 2.0000v，精确度为1 个字的高精度 a/d 转换芯片，具有自动调零功能， 可以保证在输入为零时读数为零。 icl7135 芯片内部包括模拟电路与数字电路两大部分。模拟电路主要包括缓冲 器、积分器、比较器、过零检测器、极性触发器以及 4 组模拟开关。每个 a/d 转换 周期分成四个阶段： 11 自动调零正向积分零积分反向积分 图 3-7 a/d 转换周期 其中零积分阶段是比 icl7135 新增加的部分。设置零积分阶段的目的是在超量 程情况过去之后，能使积分器迅速

33、回零。 icl7135 的引脚功能及主要特性： 第一：芯片性能 icl7135 是双斜积分式 4 位半单片 ad 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

34、）（20）脚（d1d5）位扫描输出 端；（13）（16）脚（b1b4）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 （rh）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。 图 3-8 icl7135 芯片 第二：icl7135 的主要性能特点 （1）输入阻抗达 以上，对被测电路几乎没有影响； 9 10 （2）自动校零； （3）有精确的差分输入电路； 12 （4）自动判别信号极性； （5

35、）有超、欠压输出信号； （6）采用位扫描与 bcd 码输出； 第三：icl7135 a/d7 转换原理 icl7135 采用高阻抗差分输入方式，总失调电压小于 10v,其 a/d 转换器采用 双积分式，共分 4 个阶段：自动调零，输入信号积分，标准信号反积分，积分器归 零。模/数转换过程如图 3-9 所示。 图 3-9 icl7135 芯片 由图 3-9 可以看出，icl7135 在对输入信号进行积分时,其 busy 信号线由低向 高跳变并一直保持高电平，直到标准信号反积分结束时才跳变到低电平。在此过程 中，对输入信号的积分一般保持 10001 个时钟脉冲，而在满量程的情况下,反相标准 积分值

36、为 20001（当 vin=2vref 时），对于不同的模拟量输入，icl 7135 反向标 准积分脉冲数不同，busy 信号的高电平宽度也不同，且反向积分脉冲数正比于输 入信号幅度，与测量结果有一一对应关系。在转换过程中，icl7135 提供一输入信 号极性判断引脚 pol，当输入（vin+-vin-）为正值时，pol 信号为高电平， （vin+-vin-）为负值时，pol 信号为低电平。 第四：icl7135 与 mcs-51 单片机的串行连接 由 icl7135 的转换原理可知，可以通过脉冲计数的方式获得测量的结果，且只 需要 3 条控制线 clk、busy、pol。microchip

37、推出的 pic 系列单片机具有驱动能 力大，抗干扰能力强，价格适中等优点。其推出的 mcs-51 系列，有 216kflash 13 内存，1 个 16 位定时器，2 个 ccp 比较/捕捉模块，多于 22 个 i/o，唯一的遗憾 是没有符合 7135 的采样时钟。考虑到仪表需要通信及隔离模拟变送输出，采用 16m 赫兹晶振，利用 16 位定时器 t1 作为 icl7135 的同步计数脉冲，busy 接于 ccp1 引脚，工作于捕捉方式，用于测量脉冲宽度；而 icl7135 的 clk 时钟，则利 用 cpu 的晶振接于高速反相器，再经分频取出。考虑到采样速度及对 50hz 电源的 抗干扰影响

38、，以及温度变量的惯性大的特点，取 clk=250khz，采样速度约为 4 次 /min。系统硬件连接如图 3-10 所示： vcc 1 ref 2 anlg 3 intout 4 auto zero 5 buff out 6 cref+ 7 cref- 8 in- 9 in+ 10 vcc 11 d5 12 b1 13 b2 14 b4 15 b8 16 d4 17 d3 18 d2 19 d1 20 busy 21 clk 22 polarity 23 dgtlgnd 24 run/hold 25 stor 26 over range 27 under range 28 u7 icl7135

39、 vcc 1 vo 2 gnd 3 nc 4 nc 5 nc 6 nc 7 nc 8 u6 mc1403 gnd 1 trig 2 out 3 reset 4 cont 5 thres 6 disch 7 vcc 8 u8 ne555 +5 c41uf c51uf r9100k c6 1uf r6 100k d1 in4148 c9 0.1uf +5 r8100k r15 10k r16 100k c7 330pf c8 0.1uf r7 100k r5 100k r17 100k +5 -5 vin p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.5 p1.4 p3.2 图 3-10 a/d

40、转换电路 第五：提高 a/d 测量显示电压稳定性措施 icl7135 采用双积分原理，基准电压源的稳定性对其影响较大，本设计采用 ne555 做电压基准，电压温度系数可达 0.0000003v/，温漂影响极小，具有长期稳 定性好，噪声电压低等优点。 icl7135 外部时钟信号的频率的选择也很重要，只要选择的时钟信号频率恰好 等于 50hz 的整倍数，电网串墨干扰就完全被抑制掉，但电网频率并不稳定，只要 破坏整倍数关系，就会造成显示值不稳定，使表出现跳字现象，可采用锁相技术使 时钟频率与电网频率保持同步，就可以提高电压表显示的稳定度。 14 3.4 单片机最小系统电路设计 单片机即微控制器10

41、,它集中央处理器、存储器、输人输出电路等为一体, 可以 完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。那么,一个最简单的单片机系统都由哪些 电路组成呢？从图可以看出,典型的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输人 控制、输出显示,以及其他外围模块等。 单片机的工作流程,就是在系统时钟的作用下,一条一条地执行存储器中的程序。 单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容,以及单片机内部的时钟电路组 成,晶振的频率越高,单片机处理数据的速度越快,系统功耗也会相应增加, 稳定性也会 下降。单片机系统常用的晶振频率6mhz、11.0592mhz、12mhz等，本设计的系统 用的是11.0592mhz的晶振

42、。电容使用的是30pf或22pf的都可以。 系统刚上电时,单片机内部的程序还没有开始执行,需要一段准备时间,也就是复 位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时类似于电 脑的死机,也需要进行系统复位。复位电路有很多种,典型的电路如图所示。在产品开 发中,有时专门用一个芯片来设计复位电路,单片机基本工作电路其他外围器件单片机 输出显示电源时钟电路图单片机典型系统组成稳定性真的很重要。对于复位电阻和 电容的选择,图中的复位电阻和电容是经验值,实际制作时,可以用同一个数量级的代 替。 单片机的ea脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单 片机内部的flash容

43、量都很大,因此基本都是从内部的存储器读取程序,即不需要外 接rom来存储程序,因此,ea 脚必须接高电平这点一定要注意,很多初学者常常将脚 悬空, 导致程序执行不正常。 最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。下图所示为最 小系统方框图： 单 片 机 复 位 电 路输入/输出设 备 振 荡 电 路 电源电路 15 图 3-11 单片机最小系统 根据初步设计方案分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选择带有 eprom 的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路 可以简化。intel 公司的 8051、80c51 和 8751 芯片均可以选用。鉴于 stc

44、系列芯片 在烧录时比较简单，使程序写入更加方便，我们选用 stc 系列的 89c51 单片机。该 型号单片机用很少的外围元器件就可以完成串口的下载，不但简单易行，而且价格 低廉、购买方便。可多次写入，便于调试。 stc89c51 芯片采用 dip-40 封装形式，管脚配置如图 4-2 所示： 40 只引脚按其功能来分，可以分为如下 3 类： （1）电源及时钟引脚：vcc、gnd；xtal1、xtal2。 （2）控制引脚：psen、ale、ea、reset。 （3）i/o 口引脚：p0、p1、p2、p3，为 4 个 8 位 i/o 口的外部引脚。 引脚功能介绍： （1）电源引脚： vcc(40

45、引脚)：接+5v 电源。 gnd(20 引脚)：接地。 （2）时钟引脚： xtal1(19 引脚)：外接晶体的 1 个引脚。该引脚的内 部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了 片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接 地。 xtal2（18 引脚）：接外部晶体的另一端，在该引脚 内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振 荡器时，把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 （3）控制引脚： 图 3-12 stc89c51 芯片 rst/vpd(9 引脚)：rst 复位信号输入端，高电平有效。 vpd：备用电源的输入端。 ale(30 引脚)：地址所存允许信号，当单片机上电

46、正常工作后，ale 引脚不断 16 输出正脉冲信号。 psen(29 引脚)：程序存储器允许输出控制端。 ea（31 引脚）：内外程序存储器选择控制端。当 ea 引脚为高电平时，单片机 访问内部程序存储器，但在 pc 值超过 0ffffh 时，将自动转向执行外部程序存储 器内的程序。 （4）i/o 口引脚： p0 口：双向 8 位三态 i/o 口，此口为地址总线及数据总线分时复用口，可驱动 8 个 ls 型 ttl 负载。 p1 口：8 位准双向 i/o 口，可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 p2 口：8 位准双向 i/o 口，与地址总线（高 8 位）复用，可驱动 4 个 ls 型 t

47、tl 负载。 p3 口：8 位准双向 i/o 口，双功能复用口，可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的 xtal1 和 xtal2 两 个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图 4-3 所示： c 10 30pf c 11 30pf y 1 11. 0592m ea /v p 31 x 1 19 x 2 18 rese t 9 rd 17 wr 16 in t0 12 in t1 13 t0 14 t1 15 p10/t 1 p11/t 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 3

48、9 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 a le/p 30 tx d 11 rxd 10 v cc 40 g nd 20 u 4 st c8 9c 51 +5 图 3-13 单片机时钟电路 在单片机复位电路中，电容 c1 和 c2 对振荡频率有微调的作用，通常的取值范 围为（30+10）pf 或（30-10）pf。石英晶体选择 6mhz 或 12mhz 都可以，其结果只 是机器周期的不同，影响计数器的计数初

49、值。本设计中电容采用 30pf，石英晶体采 用 11.0592mhz。 17 单片机的 rst 管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平 有效，高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上。 单片机的复位方式有上电复位和手动复位两种。图 4-4 所示是 51 系列单片机常 用的上电复位和手动复位组合电路。 图 3-14 单片机复位电路 复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，参见表 3-113： 表 3-1 复位后片内各寄存器状态 寄存器 内容 寄存器 内容 pc 00h tmod 00h a 00h tcon 00h b 00h th0 00h psw 00h tl0 00h

50、sp 07h th1 00h dptr 0000h tl1 00h p0p3 0ffh scon 00h ip(xxx00000)b sbuf 不变 ie (0xx00000)b pcon(0xxxxxxx)b p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 r st/vpd 9 p3.0 /rx d 10 p3.1 /tx d 11 p3.2 /in t0 12 p3.3 /in t1 13 p3.4 /t0 14 p3.5 /t1 15 p3.6 /w r 16 p3.7 /rd 17 x ta l2 18 x ta l1 1

51、9 g nd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 a le /pr og 30 e a/v pp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 v cc 40 89 c5 1 c 3 22 uf r 2 1k r 1 20 0 v cc 18 3.5 液晶显示电路设计 液晶显示器（lcd）14是一种功耗很低的显示器。它的使用非常的广泛，比如 电子表、计数器、数码相机、计算机的显示器或液晶电视等。

52、液晶显示以其优越的 性能，越来越受到设计人员的青睐，液晶显示的应用领域越来越多。液晶显示模块 在现代电子设计中的应用也越来越多。本设计中使用的 1602 就是一片液晶显示器。 lcd 是一种被动显示器。它本身不发光，其通过调节光的亮度来达到显示效果。 lcd 主要是利用液晶的扭曲-向列效应制成。这是一种电效应。 液晶显示模块中，最主要的就是 lcd 液晶屏，根据液晶显示屏显示内容的不同， 液晶显示模块可分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块、点阵图形液晶模块三种。 使用液晶作为显示设备具有很多的优势，主要表现在如下几个方面： （1）显示质量高。由于液晶显示模块每一个点在收到信号后就一直保持那种色

53、彩和亮度，恒定发光，因此液晶显示模块画面质量高而不会闪烁，把眼睛疲劳降到 最低。 （2）没有电磁辐射。液晶显示模块的先天特点决定其没有电磁辐射，这个优点 使得液晶电视和计算机的显示器都广泛推广。 （3）应用范围广。液晶显示模块特别是点阵图形液晶模块，可以显示数字、字 符、汉字和图形等。 （4）数字式接口。液晶显示模块是数字式的，和单片机的接口十分的简单，操 纵也十分的方便。 （5）体积小、重量轻。液晶显示模块通过显示屏上的电极控制液晶分子状态， 达到显示目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器件要轻得多。 （6）功耗小。液晶显示模块的功耗主要是消耗在其内部的电极和驱动芯片上。 因此，对于相同显

54、示面积，液晶显示模块的耗电量比其它显示器件要小的多。 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 表 3-2 管脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1vss 电源地 9d2 双向数据口 2vdd 电源正极 10d3 双向数据口 3vl 对比度调节 11d4 双向数据口 4rs 数据/命令选择 12d5 双向数据口 5r/w 读/写选择 13d6 双向数据口 19 6e 模块使能端 14d7 双向数据口 7d0 双向数据口 15blk 背光源地 8d1 双向数据口 16bla 背光源正极 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom)已经存储了 160 个不同的点阵 字符图形，这些字

55、符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假 名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a”的代码是 01000001b（41h） ，显示时模块把地址 41h 中的点阵字符图形显示出来，我们就能 看到字母“a” 。 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 3-3 所示， 表 3-3 控制命令表 序号指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0 1清显示0000000001 2光标返回000000001* 3置输入模式00000001i/ds 4显示开/关控制0000001dcb 5光标或字符移位000001s/cr/l* 6置功能00001dln

56、f* 7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址 8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址 9读忙标志或地址01bf 计数器地址 10 写数到 cgram 或 ddram） 10 要写的数据内容 11 从 cgram 或 ddram 读 数 11 读出的数据内容 1602 的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 （说明：1 为 高电平、0 为低电平） 指令 1：清显示 指令码 01h,光标复位到地址 00h 位置。 指令 2：光标复位 光标返回到地址 00h。 指令 3：光标和显示模式设置 i/d 光标移动方向，高电平右移，低电平左移 s: 屏幕上所有文字是否左移或者右

57、移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制 d：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电 平表示关显示 c：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 b： 控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 s/c 高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 20 指令 6：功能设置命令 dl：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 n：低 电平时为单行显示，高电平时双行显示 f:低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时 显示 5x10 的点阵字符 （有些模块是 dl：高电平时为 8 位总线，低电平时为 4 位 总线） 。 指令 7：

58、字符发生器 ram 地址设置。 指令 8：ddram 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 bf：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能 接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 c 10 30pf c 11 30pf y 1 11. 0592m s1 c 3 10uf r17 8.2k +5 v ss 1 v dd 2 v l 3 rs 4 r/w 5 e 6 d 0 7 d 1 8 d 2 9 d 3 10 d 4 11 d 5 12 d 6 13 d 7 14 bla 15 blk 16 u 5 1602 r 22 47 ea /v p 3

59、1 x 1 19 x 2 18 rese t 9 rd 17 wr 16 in t0 12 in t1 13 t0 14 t1 15 p10/t 1 p11/t 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 a le/p 30 tx d 11 rxd 10 v cc 40 g nd 20 u 4 st c89c 51 +5 +5

60、v +5v +5 r 12 1k r 13 1k r 14 1k +5 r 11 1k 图 3-15 单片机与液晶显示模块连接图 3.6 稳压电源的设计 稳压电源14输出电压和电流只是相对稳定的，设计者的任务就是将变化限定在 允许的范围内，保持相对稳定。引起稳压电源不稳定的因素有：电网输入电压不稳 定；负载的变化；稳压电源自身条件造成；如元器件受温度、湿度和环境等的影响； 以上这些都可能造成稳压电源的输出不稳定。 集成稳压电源的基本工作原理：集成稳压电源在最近几年来发展很快，目前国 内外已经发展到几百个集成稳压电源品种。集成稳压电源的原理和分离晶体管稳压 21 电源的基本原理相同，也是由调整元