利用单片机、1602、LM331设计数字电压表

1、单片机原理及应用课程设计报告题 目 直流电压表的设计 姓 名 专业班级 2011级电子信息工程 指导教师 日 期 目录一、设计任务与要求4二、元器件清单及简介42.1 LM33142.2 1602字符型LCD简介6三、设计原理分析8四、设计中的问题及改进12五、总结13六、参考文献13附录一、原理图14附录二、源程序14摘 要在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以

2、显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。 传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处

3、理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的快速发展，并不断出现新的类型。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也从0.01%-0.005%。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D转换采用LM331对输入的模拟信号进行转换，控制核心A

4、T89C52再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置1602显示数字电压信号。直流电压表电路的设计一、设计任务与要求利用V/F转换芯片AD7741或LM331设计一个基于单片机的直流数字电压表，并利用1602显示使其第一行显示频率值，第二行显示电压值。A/D转换电路测量电压输入1602显示系统AT89C52 P3 P2 P0 P0 二、元器件清单及简介2.1 LM331LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图2所示。 LM

5、331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为440V，输出也高达40V。I（PIN1）为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平

6、，脉冲宽度由t和t决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只

7、需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。当输入端Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使RS触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电

8、平，使RS触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使RS触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(VinR4)/(2.09R3R2C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换

9、精度。2.2 1602字符型LCD简介2.2.1字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图图3图42.2.2 1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图图51602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1V

10、SS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表1 引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/

11、W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。三、设计原理分析V/F 式A/D 转换器的核心部件是电压-频率变换器(V/F)。它是把待转换的模拟电压Vi 先变换成脉冲信号，该脉冲信号的频率与信号幅值成正比；然后在一段标准时间内用计数器累计所产生的脉冲数，从而实现A/D 转换。这就是电压-频率-数字变换原理，它具有转换精度高，抗干扰能力强。V/F转换器的典型电路由

12、图3-9所示。该电路由积分器、比较器、恒流源、单脉冲发生器和模拟开关组成。转换开始时，开关K断开，Vi单独作用于积分器。输出负斜波电压Vo。当VoVR，比较器输出一个负脉冲，触发单脉冲发生器产生一个宽度为T2的控制脉冲，该信号使K闭合，将恒流源与积分器的A点接通。图6 V/F转换原理图因为在设计上保证在数值上IoIi，而Ii=Vi/R，且两者极性相反，所以Vo波形开始回扫，经过T2时间，单脉冲发生器恢复原态，K又断开，积分器又在Ii作用下输出负斜波。上述过程周而复始进行，在比较器的的输出端得到一系列的负脉冲。设Ii在时间T1 内注入积分器的电荷Q1 ，Ii和Io共同作用的时间为T2，他们注入相

13、加点A的电荷为Q2，则可列出如下方程： (3-1) (3-2)因为，所以 (3-3) (3-4)当、和、均为恒定值时，则有 (3-5) (3-6) (3-7) (3-8)上式是根据电荷平衡原理得到的脉冲频率和输入信号Vi 之间的线性关系。V/F 转换器只是整个V/F 式ADC 的核心部分，为了实现A/D 转换，还需要增加时基电路，以便把脉冲串变化为十进制或BCD 码的数字量。图3-10给出了完整的V/F 式ADC 的原理框图。 图7 V/F 式ADC 原理框图如上图3所示当输入端Vi+输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器置位，Q输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平

14、，同时，电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止，电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3 时，定时比较器输出一高电平，使R-S触发器复位，Q输出低电平，输出驱动管截止，输出端fo为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。图4画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲的波形。设电容CL的充电时间为，放电时间为，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有： (3-

15、9)从上式可得： (3-10)实际上，该电路的在很少的范围内(大约10mV)波动，因此，可认为，故上式可以表示为： (3-11)可见，输出脉冲频率 与输入电压成正比，从而实现了电压-频率变换。式中由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定， =1.90/Rs，改变Rs的值，可调节电路的转换增益，由定时元件Rt和Ct决定，其关系是t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，Ct=0.01F，=7.5s。 (3-12)图8 电容充放电输出波形图由可知，电阻Rs、Rt和电容Ct直接影响转换结果，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电容CL对转换结果虽然没有直接的影

16、响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1 和电容C1 组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。设计仿真电路图：四、设计中的问题及改进1、实验中主要存在的问题是对于LM331器件原理不熟悉，不能掌握其实质原理，以至于编程时，不能很好的利用定时器与计数器配合LM331采集信号。改进的办法就是认真查阅资料，深入学习。在使用protues软件仿真LM331时，电路图从资料中找的，有的电子参数设置不合理，所以仿真时，波形不出来，或者不正确。改进的方法就是改变参数，配合波形变化设计好电路参数。2、在单片机编程通过测试没有问题，LM331也能正常工作，但2个模块连在一起就不能正常工作。

17、改进的办法就是，通过测输入单片机的波形与LM331产生的波形，比较可以看出，LM331产生的波形太窄，单片机采集不能。所以会产生仿真时1602显示02345HZ或者是00000HZ，改进的办法就是加一个74LS74。使仿真能够正常进行。3、编程时，由于对LM331原理不熟悉，不会采用算法通过F=KV得到电压的值。改进的办法就是通过老师的指导。改编程序，使1602第一行显示频率，第二行显示电压的值。如下图：4、有待改进的问题时，采集时间过长，所以改变电压值时，不能及时反馈到1602上面。五、总结刚开始拿到题目时，找到的参考资料比较复杂，采用模拟开关来自动切换量程，来实现数字直流电压表，虽然原理差

18、不多，但在仿真时遇到的问题比较多，所以不能实现。在接下来的几份方案中，都没有达到预期的效果。最后一份方案是在前几份的基础上自己编程、画图改进得到的。通过这次实训，让我更熟练的学会用protues软件来画原理图，以及知道protues中各个常用器材怎样找。总的来说通过这次实训确实学到了不少东西，深知理论与实践结合的重要。在接下来的学习当中要多动手，多实践。对于单片机的学习只是简单的初级入门，以后要在自己的开发板上多练习。六、参考文献【1】张毅刚.单片机原理及应用.第二版.北京：高等教育出版社，2010附录一、原理图附录二、源程序#include#define uint unsigned int#

19、define sint signed int#define uchar unsigned char/ 0123456789abcdefuchar table=F=00000HZ;/ 0123456789abcdefuchar table1=V=0.00v;sbit lcden=P21;sbit lcdrs=P20;uint a=0,flag=0;/a 定时模式计数sint f;/频率计数void init();void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0

20、=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void jisuan();void main()uint i,j;init();for(i=0;i9;i+)write_data(tablei);write_com(0x80+0x40);for(j=0;j7;j+)write_data(table1j);f=1111;jisuan();EA=1;while(1) /jisuan();void init()TMOD=0x15;/工作模式选择 t0定时 t1计数TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256