单片机数字兆欧表的设计资料

1、嘉兴职业技术学院毕业设计（论文）题目名称：单片机数字兆欧表的设计姓名：所在分院：专业班级：褚智峰机电与汽车分院电子 06指导教师：吴湘 莲二 0 0 九年二月三十日目录1前言 . 12硬件设计 . 12.1 总体方案阐述 . 12.2 总体要求 . 12.3 具体单元电路设计 . 22.3.1直流电源的设计 . 22.3.2取样电路 . 32.3.3显示部分 . 73软件设计 . 73.1 总体思路及流程图 . 83.2 主程序部分 . 83.2.1系统初始化 . 83.2.2直接访问方式接口程序设计 . 83.2.3间接控制方式接口程序设计 . 83.3 A/D 转换 . 93.3.1 A/

2、D 初始化 . 93.3.2启动转换并处理 . 94原理图的设计 . 95总结 . 10致 谢 . 10参考文献 . 11附录 1 ：源程序 . 12附录 2 ：系统原理图 . 171数字兆欧表的设计摘 要 ：数字兆欧表是基于 ICL7135 的智能型兆欧表的结构、 功能及其实现技术。 数字式兆 欧表是新一代绝缘测试设备， 其性能优于指针式兆欧表。 随着电子技术和单片机技术的不断 发展，传统的手摇式兆欧表被智能型兆欧表所取代已是大势所趋。关键词 ：I CL7135; MCS- 51; 智 能 型 兆 欧 表 。1前言随着微电子的不断发展，单片机（ Single Chip Microcontro

3、ller ）的出现， 引进了一起仪表结构的根本性变革1。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常 规电子线路， 可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起，形成智能化测 量过程自动化、测量结果的数据处理、以及功能的多样化方面取得了巨大发展2。绝缘电阻的电气安全检测项目中的一项重要内容，而测得试品绝缘电阻 60 秒的值 R60与 15 秒的值 R15 之比（K= R60/ R15 被称为吸收比），是检验绝缘是 否严重受潮或存在局限的重要依据3。兆欧表是测量绝缘电阻的专用仪表，应 用广泛4。而传统的手摇指针式兆欧表，必须用手摇发电机保证有120 转/秒的转速才能维持正常的输出电压， 测量范围小、 误差

4、大、吸收比须在测量后另行 计算，使用不便5。基于 ICL 的智能型兆欧表采用 MCS-51 系列单片机 9751 和 Harris 公司生产 的 41/2 精度 A/D 转换芯片 ICL9135,具有测量精度高、量程宽、测量方便、体 积小功耗低等特点 。2硬件设计总体方案阐述研究设计的基本思路：定时功能是通过计数器的计数来实现的，采用 LED 显示，不过此时的计数脉冲可来自单片机的内部， 即每个机器周期产生一个计数 脉冲。也就是每个机器周期计数器自动加 1。由于一个机器周期等于一个计数脉 冲，因此一个机器周期等于 12 个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。如果单片机采用 12MH

5、Z 晶体，则计数频率为 1MHZ 即每微秒计数器加 1。 这样不但可以根据计数值计算出定时时间， 也可以反过来按定时时间来计算出计 数器的预置值 10总体要求（1） 校零功能，自动校零的准确性仅受系统噪声的影响，且偏差小于 10uV；（2） 量程（OR 和欠量程（UR 信号，容易实现量程的自动转换；（3） 六个控制信号端、同时进行字位输出和 BCD 码输出，可与 LCD 译码/ 驱动器及单片机接口，进行数据处理，构成智能化仪器；（4） 为 2.0 000 在20000 计数范围内的准确度为1 个字。综上，系统框图如图 12图 1 数字兆欧表原理框2.3 具体单元电路设计本设计主要由高压产生电路

6、、取样电路、数据采集与控制器、译码/驱动 LCD 显示四大部分组成。2.3.1 直流电源的设计在单片机及恒流源中都需要土 5V 的直流稳压电源，其设计方案一般有以下三种:配 7805、7905 系列三端固定式集成稳压器，其电路简单，成本低廉；配 LM317 型三端可调式集成稳压器，使输出电压连续可调，能提高稳压性 能；配 LM2937(固定输出)、LM2991 (可调输出)等型号的低压差稳压器，可 使电源的效率得到进一步提高。结合经济效益与设计要求考虑，故决定用 7805、7905 三端稳压器，由变压 器输出的电压经过整流电路、滤波电路、7805、7905 后输出土 5V 直流电压，然后经过

7、C6 C7 电容有效防止自激与高频干扰得到 5V 稳定的直流电源(电路详见 图 3)。其中二极管 D1 防止反向电流，有保护电路的作用；电解电容 C5, C6, C7, C8 是滤波电容。小电容C1, C2, C3, C4 高频滤波性能好，可防止自激和滤除高 频干扰。图 3 直流稳压电源电路232 取样电路取样电路的作用是取得与测量值相关的电信号，用以计算、控制和显示。对 测量的具体要求决定了取样电路具体形式。选用 ICL7135CN3(1)基本特点、引脚排列ered_fa0bb71d-2438-458b-b4df-323d82740a87$最大显示值为 19999,最小分辨力为100uV,准

8、确度达土 1 个字。ered_fa0bb71d-2438-458b-b4df-323d82740a87$采用 BCD 码扫描输出，设有六路输入/输出辅助信号，和微处理器连接 方便。连接 LED 显示器需外接译码，驱动集成电路。ered_fa0bb71d-2438-458b-b4df-323d82740a87$采用土 5V 供电，工作电流为 3mAered_fa0bb71d-2438-458b-b4df-323d82740a87$.只要求单一外接基准电压。v.能够自校零没，保证VIN=OV时读数为零。.典型时钟频率F0=200KHZ,转换速率为 3 次/s。.允许差分输入。.输入阻抗大于 100

9、0M 输入电流典型值为 1 pA.零读数最大温漂为 2uV/C。LJ12S22732642552462372282192010W111S121713161415DW OR N PACKAGE(TOP VIEW)4VCC- REF ANLGCOMMON INTOUT AUTO ZERO BUFF OUT 一 (UNDER RANGE jOVER RANGESTROBERUN，HOLDDGTL GNDPOLAF?ITYCLKBUSYD5B1B2D1D2D3D4B8B4图 4 ICL7135 的引脚图5FIGURE 6, TIMING DIAGRAM FOR OUTPUTS图 6 ICL7135 输

10、出时序波形图ICL7135 的引脚及输出时序波形图如图 1-2 和图 1-4 所示 各引脚功能如下：V.、V:分别接正、负 5V 电源。III VI|*-AUTO ZEROIMSIGIMAL INTEGRATEIiREFERENCEINTEGRATE* rrnnPi02Jtn n_2-n- rI 1000-! / I _tFlRST 05 OF AZ ANDICOUNTSl REF INTONE匚OUMT LOGGERSTROBEDIET SCANFOR OVER-RANGE图 5 ICL7135 的解剖图AUTOSIGNALRbh ERfdNIC LZEROwrINTEGRATE1001；1

11、0.000/30.001；匸匸 5coL*nsCOUNTS MAX一_芷_1 1- Ml-hJ TCYCLE 40.M2 COUNTSIOVER-RANGEWHEN APPLICABLEDIGIT SCANFOH OVER-RANGEPOLARITYFrom AnalogSectionCILKRUN/HtO OVERRANGE UNDERRANGESTROBE BUSYDGTL GNDDIGITAL SECT1O1NANALOG SECTIONDbgltDriveOtitpulBinaryCycledDecimalOutputINTEGRATOKOUTPUTBUSYUfJDtRANGtWHEN

12、 APPLICABLE6AGND、DGND :模拟地、数字地。CLK :时钟信号输入。D1D5 :扫描输出端，按 D5-DA DMD1 的顺序发生扫描驱动信号。B1、B2、B4 B8: BCD 码的输出端，按照“ 8421 ”编码，B8 最高位，B1 低 位。UNDE “欠量程输出端。当读数是满程的 9%或更小时，UNDE 输出高电平。VREF.：基准电压的正端。CREF/CREF一：外接基准电容。R/H:运行保持控制端。此端高电平或悬空时，能自动进行 A/D 转换；低电平时读数保持不变，直到 R/H为高电平时才能改变读数，但此时 A/D 转换 照样进行。INLO INHI :分别为信号输入的

13、低端和高端。INTOUT 积分器的输出端，接积分电容 CINT。（3）工作原理：ICL7135 的内部分为模拟电路和逻辑电路两大部分。模拟 电路由缓冲放大器、积分器、比较器和模拟开关所组成。每个 A/D 转换周期分 4 个阶段：自动调零（AZ）、信号积分（INT）、反向积分（DE）、零积分（ZI）。（4）其工作过程是：当 RUN/HOLD 脚为“1”时。7135 处于连续转换状态， 每 4002个时钟周期完成一次 A/D 转换，转换结果以四位二进制的 BCD 码输出（B8、B4、B2、B1），并同时送出各位的“位同步选通”信号（D5、D4、D3、D2、D1）。传送信号为 ST，从图 1-4 中

14、可以看出，每个 A/D 转换周期只产生5 个负脉冲，其输出时间在每个周期开始时的 5 个位选信号中间。ST 的宽度为 1/2 个时钟周期的宽度。因为每位位选信号的正脉冲宽度为200 个时钟周期，所以，ST 负脉冲之间的间隔也是 200 个时钟周期。要注意的是 ICL7135 转换 结果输出是以动态扫描方式输出的，即当位选信号D5 为“1”时，B8、B4、B2、B1 这四个信号为万位；D4 为“1 时，B8、B4、B2、B1 是千位；其余依次 类推。千位到个位的 BCD 码均在 0000-1001 之内；对于万位只有 0000-0001 这 两种组合。另外用到的三个输出信号是：极性 POL、超量

15、程 OR、欠量程 UR。通过上面的分析可以发现，ICL7135。无论是硬件还是软件都有其特殊之处，尤其是在设计采样程序时，则要与时序配合。本设计中取样电路与 ICL7135 连接，如图 7 所示：7图 7 取样电路图 3 中，Rx 为被测绝缘电阻；R3 为量程调节电阻；R1、R2 为取样分压电阻。U 为直流高压产生电路提供的测量电压，经 R1、R2 分压后(U2)加在 7135的 IN-，经 Rx、R3 分压后(U3)加在 7135 的 Cref-端。根据双积分 A/D 转换器的工作原理，转换结果由以下公式得到：*10000-(1)其中 C = 10000 由 ICL7135 的正向积分固定时

16、间 T1 = 10000TC 决定,TCP 为时钟脉冲周期。10000 即为正向积分阶段的时钟脉数 VIN 为 VIN+ 与 VIN- 之间的 电势差，在本设计中 VIN+ ANALOGCOM 因此 VIN =VIN+ - VIN- = - U2 。VREF 在标准工作模式况下为 Cref+ 与 Cref-之间所接电容在自动调零阶段充电所获标准电压值。在本设计中 Cref+ 与 Cref- 之 间不再 接电容，将 Cref+ 接 ANA2LOG COM ,同时将 Cref- 与 ANALOG COM 间电压 钳制为 U3 ,Cref+ 与 Cref- 之间电压为 -U3 。因此式可表示为：N

17、= 10000*U2/U3(2)由于 ICL7135 的标准基准电压值 VREF = 1V , 而加在 Rx 与 R3 上 的测量用电压为1000V ,所以 Rx R3 , 使得 U3? 1V。 由于 ICL7135 VIN-上允许加的最大电压值为 018V ,而加在 R1 与 R2 上的测量用电 压为 10000V ,所以 R1、R2 取值应满足 R1 R2 、U2?018V。(2) 式可进一步表示为：N = 1000* U2/U3= 1000* UR2/ ( R1 + R2) /UR3/( Rx + R3) = 1000*DIICL7135Crsf-5CvccRlREPR3RES 2ANA

18、LOGCOM518(R2*Rx ) / ( R1*R3 )可见,当 R1、R2 取定时，ICL7135 输出读数仅与 Rx、R3 有关， 能消除测量电压 U变化对读数的影响。合理调节测量电阻 R3 ,合理 控制 LCD 上小数点的位置，就可以方便的读出被测试品的兆欧值。2.3.3 显示部分LED 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，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用七段显示器结构如图8 所示。控制显示各数码加在数码管上的二进制数据称为段码，显示各数码共阴共阳七段 LED 数码管所对应的段码见表1。表 1 七段 LED 数码管的段码显示数码共

19、阴型段码共阳型段码显示数码共阴型段码共阳型段码03FHC0Hr 87FHP 80H106HF9H96FH90H25BHA4HA77H88H34FHB0HP b7CHP 83H466H99HC39HC6H560H92Hd5EHA1H670H82HE79H86H707HF8HF71H8EH在实际应用中，点亮显示器有静态和动态两种方法。 所谓静态显示，就是当 显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。 这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制， 每显示一位则需要 8 根输出线，占硬件多。因 此一般用于显示器位数较少(很少)的场合。当位数较多时，用静态显示所需的 I/O 口太多，采用动

20、态显示。所谓动态显示就是将所有数码管的段码线对应并联在一起， 由一个 8 位的输 出口控制，每位数码管的公共端(称位线)分别由一位 I/O 线控制。显示不同数 码时，由位线控制各位轮流显示，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一 次。3软件设计程序采用 C 语言编写，而没有使用汇编，主要是因为 C 语言通俗易懂，代 码可移植性高，易于维护，编程效率高，操作起来比汇编方便，生成的代码质量Ja.共阳极图 8 发光显示器结构c.外形9高，不比汇编代码慢多少，对于实时性要求不是很高的系统 C 语言是第一选择。3.1 总体思路及流程图3.2 主程序部分主程序主要把主要功能划分为几个模块，每个模块实现不

21、同的功能。主程序 只需调用各模块的子程序即可。3.2.1 系统初始化函数：Systemlnit()将 PIC 的内部寄存器初始化，屏蔽中断，开启RB 口电平变化中断允许位，Key ，CurrentT 等全局变量清零。3.2.2 直接访问方式接口程序设计这种接口方式，数码显示模块作为单片机的外部存储单元，数据的读写通过外部数据操作指令实现。如读状态字子程序：BF: SETB R/W；CLR D/IMOV DPT,R#TAB ；R/W=1，D/I=0 是实现读状态数据的条件TAB是根据接口电路确定的地址，连接的地址为：1C00HMOVX A DPTRJB ACC.7, BF ；JB ACC.4,

22、BF ； RET读状态数据BUSY=1表示忙，忙则转入 BFREST=1表示处于复位状态，程序转入 BF同理， 读数据、 写指令、 写数据等子程序设计与读状态字 子程序设计方法一样。 在 R/WD/I 信号满足条件的前提下，关 键是找对拟定操作的地址。3.2.3 间接控制方式接口程序设计10间接控制方式程序设计的关键是如何模拟模块工作时序，下面已写指令代码子程序(WI)为例来说明：WI：CLR CS2；片选设置为“ 01”SETB CS1CLR DI ；DI=0， RW=1SETB RWPRM0：1 MOVP，1 OFFH ；P1 口置”1”SETB E ；E=1MOV A， P0 ；读状态字

23、CLR E ；E=0JB ACC.7， PRM01；判“忙”标志为“ 0”否，否再读CLR R W ；R W = 0MOV P1，COM；写指令代码SETB E ；E=1CLR E ；E=0RET3.3 A/D 转换3.3.1 A/D 初始化首先初始化内部 A/D 器件，调用 A/D 初始化函数 ADInit()，使 ADCON0 0 x41,ADCON= 0 x88;选择 A/D通道为 RAQ使 AD转换时钟为 8tosc， 转换结果右移， 及 ADRES寄存器的高 6 位为 0 ,使用外部参考电压。3.3.2 启动转换并处理开启转换，ADGO = 1 进入 A/D 中断，清除 ADIF 中

24、断标志，将 A/D 转换值 通过计算转换成当前电阻值，具体计算公式由硬件和环境决定ADValue = ADValueArray0+ADValueArray1*10+ADValueArray2*100 +ADValueArray3*1000 + ADValueArray4*10000 ;。要显示需将值的各位分开，执行下面的几条语句完成转化：ResValue = 50 * ADValue ; /AD值取最大时，电阻为 1 兆欧ResValueArray6 = ResValue /1000000 ;ResValueArray5 = ResValue %1000000 / 100000 ;ResVal

25、ueArray4 = ResValue %100000 / 10000 ;ResValueArray3 = ResValue %10000 / 1000 ;ResValueArray2 = ResValue %1000 / 100 ;ResValueArray1 = ResValue %100 / 10 ;ResValueArray0 = ResValue %104原理图的设计确定要安装在线板上的元器件，画出原理图。115总结我们的设备由于采用了价格低廉的简单器件，因此我们无法做出精确度高功 能多的成品。优点：本项目采用的设计理念还是比较好的， 能够用单片机实现数据的采集 和处理。这是遵循了一

26、条规则：产品不是给设计者使用的，而是给其它人用。站 在使用者的角度上看问题，急他们所急，想他们所想。经验总结：要开发好一个项目：1、 要合理安排各人员的任务，发挥各自的长处。2、 讨论问题，不明白的一定要多查阅资料，请教别人。3、 一定要做充分的调研。4、 要有好的设计理念与模型。致谢历史几个月的毕业设计结束了，设计中使我获得了许多平时没有学到的知 识。这次设计是将我们三年学习的理论知识统一运用， 在获得新知识的同时温故 了旧的知识，使所学的知识更加控股了。设计中我得到了吴老师的悉心教导， 使 我才能顺利的完成毕业设计，在此，我向吴老师表示我最真诚的谢意！同时也向 在设计过程中给我帮助的同学说

27、声谢谢， 在他们的帮助下，使我改正了许多的错 误。由于水平有限，此篇论文难免存在一些错误，希望各位批阅老师多多指教， 再次表示衷心的感谢！12参考文献杨旭东 , 刘行景，杨兴瑶 编著 . 实用电子电路精选 M. 化学工业出版社 ,1999张著 , 程震先，刘继华编 . 数字设计电路与系统 M. 北京理工大学出版社 ,1992童诗白 . 模拟电子技术基础 M, 第二版 . 北京：高等教育出版社 ,1998程佩青 . 数字信号处理教程 M. 北京：清华大学出版社 ,1995李华编 . MCS 系列单片机实用接口技术 M. 北京：北京航空航天大学出版社 ,1993潘新民编 . 单片机实用系统设计 M

28、. 北京：人民邮电出版社 ,1992卢毅，赖杰 . VHDL 与数字电路设计 . 北京:科学出版社， 2002谢自美编 . 电子线路设计实验测试 M. 华中理工大学出版社 ,1999,2李启炎编 . 模拟信号处理技术 M. 华中理工大学出版社 ,2000,12窦振中编 . PIC 系列单片机原理和程序设计 M. 北京航空航天大学出版社 ,199812 付丽琴 ,桂志国 ,王黎明编著 . 数字信号处理原理徐爱钧主编 . 智能化测量控制仪表原理与设 M 计 . 北京航空航天大学出版社 ,2001 及实现 M. 国防工业出版社13 郝鸿安 . 常用模拟集成电路应用手册 M. 人民邮电出版社 ,199

29、113附录1：源程序#include #include main.h#define DOT0 x10/小数点#define DIG10 x07/数码管最低位#define DIG20 x0b#define DIG30 x0d#define DIG40 x0e/数码管最高位#define RHP3_5#define B1P2_4#define B2P2_5#define B3P2_6#define B4P2_7#define D1P1_0#define D2P1_1#define D3P1_2#define D4P1_3#define D5P1_4unsigned char code DispC

30、ode =0 xC0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8, /070 x80,0 x90,0 x88,0 x83,0 xc6,0 xa1,0 x86,0 x84, /8f0 x40,0 x79,0 x24,0 x30,0 x19,0 x12,0 x02,0 x78, /07 ，带小数点0 x00,0 x10 /89 ，带小数点 ; / 定义数码管显示段码，共阳 unsigned long ResValue ;unsigned char ResValueArray7;unsigned long ADValue ;unsigned char ADVa

31、lueArray5;unsigned char Count;void SystemInit();void IOInit();void T0Init();void ADConvert();void DataConvert();void LedDisplay1();void LedDisplay2();void DisplayChar(unsigned char LedCode, unsigned char LedBit);14void Pause(int num) ;void main( void )unsigned int i ;SystemInit();IOInit(); while(1)A

32、DConvert();DataConvert();if ( ResValue 4 ;switch( Count ) case 0 : ADValueArray4 = tempData ; break ; / 第一次采集最 高位case 1 : ADValueArray3 = tempData ; break ; case 2 : ADValueArray2 =tempData ; break ; case 3 : ADValueArray1 = tempData ; break ;case4 :ADValueArray0tempData ; break ;位default: break ; Count+;if ( Count 4 )RH = 0 ; Count = 0 ;/第五次采集最低void DataConvert()16/ 将 A/D 转换值通过计算转换成当前电