智能数字电压变设计毕业设计

毕业设计课题智能数字电压变设计学生姓名学号专业电子信息工程班级院（系）机械与电子信息工程指导教师职称二○一四年十一月二十九日毕业设计真实性承诺及指导教师声明学生毕业设计真实性承诺本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。学生（签名）：罗啸龙日期：2014.12.2指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生毕业设计所涉及的内容进行严格审核，确定其成果均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师（签名）：黄文华日期：2014.12.22注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。AbstractBorndigitalvoltmetertobreakthetraditionalmodeofelectronicmeasuringinstrumentsandpatterns.Itdisplaysclearandintuitive,accuratereadings,usingadvanceddigitaltechnology,greatlyreducesthemeasurementerrorsduetohumanfactorsincidentcaused.DVMisconvertedintoacontinuousanalogquantityisnotcontinuous,discretedigitalformandtobedisplayedbytheinstrument.Digitalvoltmetertotheresultsofelectronictechnology,computingtechnology,automationtechnologyandtheclosecombinationofprecisionelectricalmeasurementtechnologytogetherasInstrumentinthefieldofabranchindependentandcomplete,digitalvoltmetermarkedarevolutioninthefieldofelectronicequipmentalsocreatedaprecedentformodernelectronicmeasurementtechnology.Voltagemeasurementisoneofthebasiccontentsoftheelectronicmeasurement,manyofthefeaturesofelectroniccircuits,suchasfrequency,modulation,andsocanberegardedasnon-lineardistortioncoefficientsderivedquantityvoltage,workingstatusofvariouscircuits,suchasresonance,balancesaturation,etc.,usuallyintheformofvoltagetoreflect.Avarietyofcontrol,thefeedbacksignalelectronicequipmentisalsomainlyfortheamountofvoltage.Thisdesignistheuseofasingle-chipAT89C51voltagemeasuringcircuit,thesysteminadditiontousingICL7135highprecisiondoubleintegralA/Dconvertercircuit,butalsoaddedalimitalarmcircuits.Largemeasuringrangeandanadjustablerange,LEDdigitaldisplay.Textemphasisisgiventothecircuitshardwareandsoftwaresystems,introducestheprincipleofdoubleintegralcircuit,AT89C51features,ICL7135functionsandapplications.Keywords:digitalvoltmeter,AT89C51,ICL7135,doubleintegralA/Dconverter,measurement摘要数字电压表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电压表是把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式，并加以显示的仪表。数字电压表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电压表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。电压测量是电子测量的最基本内容之一,电子电路的许多特性，如频率特性、调制度、非线性失真系数等都可以视为电压的派生量，各种电路的工作状态，如谐振、平衡、饱和等，通常都用电压的形式来反映。电子设备的各种控制、反馈信号也主要表现为电压量。本设计是利用AT89C51单片机的一种电压测量电路,该系统除了采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路外，还增设了超限报警电路。测量范围大且可调量程，LED数码管显示。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原理，AT89C51的特点，ICL7135的功能和应用。关键字：数字电压表，AT89C51，ICL7135，双积分A/D转换器，测量目录 Abstract 3 摘要 4 引言 71.1研究背景及意义 7 1.2单片机简介 8 1.3单片机的应用领域及发展趋势 9 第二章系统原理及基本框图 10 2.1电源电路设计 10 2.2.1电路简介 11 2.3转换电路设计 13 2.3.1AT89C51单片机 13 2.3.2AT89C51主要特性： 14 2.3.3ICL7135芯片简介 14 2.3.4转换器ICL7135 15 2.4.1电路简介 16第三章软件设计 17 3.1时钟频率的确定 17 3.2监控程序设计 18 3.3序流程图: 19 参考文献 29 致谢 30引言1.1研究背景及意义数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，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，展示出强大的生命力。新型数字电压表以其高准确度、高可靠性、高分辨率、高性价比等优良特性倍受人们的青睐。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。数字电压表是诸多数字化仪表的核心和基础，电压表的数字化是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，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字万用表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本设计双积分A/D转换器对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。1.2单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。图1.1单片机控制系统的组成

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，我们要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。1.3单片机的应用领域及发展趋势单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用（2）在工业控制中的应用（3）在家用电器中的应用（4）在计算机网络和通信领域中的应用。现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：低功耗CMOS化、微型单片化、主流与多品种共存。第二章系统原理及基本框图2.1电源电路设计由于单片机及所使用的芯片均为±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。电源电路原理图如下：图1电源设计图由于集成稳压器7805和7905具有很高的“电压调整率”把输入包含的交流成分和输入直流波动一起加以抑制，从而使输出直流稳定，交流纹波减小，实验表明，在稳压器的稳压范围内，其稳压精度可达±0.03。1N4148是保护二极管，用来防止在输入短路时输出电容C4和C9所存储的电荷通过稳压器放电而损坏器件2.2.1电路简介由于该电压表要实现多量程测量，故而在本设计通过衰减电路与量程切换开关，以及集成放大器实现此功能，具体电路将在本节详细介绍。J1和J2是继电器，S1和S2是电子开关CD4053.三组二路模拟开关CD4053CD4053内部含有3组单刀双掷开关，3组开关具体接通哪一通道，由输入地址码ABC来决定ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点.ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器。输入衰减器、程控电压放大电路设输入衰减器的传输系数为A1，放大器的增益为A2。⑴输入衰减器和放大器增益控制由于A/D转换器满度输入电压即放大器的输出电压UO=2V，所以200mV量程总增益为A200mV=UO/UI=2/0.2=1×10=A1A2，2V量程总增益A2V=UO/UI=2/2=1×1=A1A2，初步确定采用同相比例放大器，200mV和2V量程不使用输入衰减器，由电子开关控制放大器增益A2=10或1实现量程转换。20V量程总增益A20V=UO/UI=2/20=1/10=(1/100)×10=A1A2，200V量程总增益A200V=UO/UI=2/200=(1/100)×1=A1A2，在20V、200V两档由继电器J1、J2接入A1=1/100的输入衰减器，配合A2=10或1实现量程转换。⑶电路参数计算：运放A1选ICL7650斩波稳零运放。R1、R2、R3组成输入衰减器，D1、D2、D3、D4、R4、R5、R6组成输入保护电路，A1、R8、R9组成高阻同相放大电路，J1、J2、S1组成量程转换电路。（J1、J2继电器、S1、S2电子开关CD4053）。ICL7650运放的输入电阻远大于10MΩ（Ri=1012Ω），所以R1+R2+R3=10MΩ。因为R3/(R1+R2+R3)=1/1000，所以R3=(R1+R2+R3)/1000=10MΩ/1000=10kΩ因为(R2+R3)/(R1+R2+R3)=1/100，所以R2+R3=(R1+R2+R3)/100=10MΩ/100=100kΩR2=100-R3=90kΩ，R1=10MΩ-(R2+R3)=10MΩ-100kΩ=9.9MΩ因为Au=1+R8/R9=10即R8/R9=9，取R9=1kΩ，则R8=9×R9=9kΩ；D1、D2选用开关二极管1N4148，R4为限流电阻，设流过D1、D2的最大电流为10mA，则R4≈UIMAX/IDM=1000/0.01=100kΩ，PR4≈UIMAX2/R4=10002/100=10W，由于ICL7650最大允许输入电压为：VCC+0.3V和VEE-0.3V，所以，使用4V的稳压二极管将A1同相端电位限制在±4.7V。R5为直流平衡电阻，其值应等于运放同相端到地的电阻（约为100kΩ）2.3转换电路设计转换电路的核心是AT89C51和ICL7135CFN芯片下面对两者做一下介绍。2.3.1AT89C51单片机芯片介绍：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.3.2AT89C51主要特性：8951CPU与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)·全静态工作：0Hz-24KHz·三级程序存储器保密锁定·128*8位内部RAM·32条可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·

6个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路2.3.3ICL7135芯片简介ICI7135是4位半双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图1给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止.2.3.4转换器ICL7135如图所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分,A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制制数）、价格低廉、双积A/D转换器的波形图抗干扰能力强等优点。本文介绍用单片机并行方式采集双积A/D转换器的波形图2.4.1电路简介设计中采用的是8段LE发光二极管组成，其中7个按‘8’字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小小数点，把8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法，当发光二极管导通时，相应的一段笔画或占就发亮，从而形成不同的发光字符。其中8段分别命名为dpgfedcba.例如，要显示‘0’,则dpgfedcba分别为：11000000B（共阳极）；要显示‘A’，则dpgfedcba分别为：00010001B（共阳极）。若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为低电平就可以了。根据设计要求，显示电路需要至少4位LED数码管来显示电压值，则有7位LED循环显示。自用单片机的I/O口驱动LED数码管的亮灭，设计中由P0口使LED的段码显示，即显示字符，由P2口选择LED位码，即选择点亮哪位LED来显示，电路如图2-4所示。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，本设计使用SN7407N9（集电极开路）六反相器驱动，把它接到共阳极数码管的驱动脚，公共脚接电源或其他高电压输出即可，当共阳极数码管公共脚为高电压，SN70407的输入为高电平时，他所接的数码管被点亮。显示电路见总电路图。第三章软件设计3.1时钟频率的确定⑴单片机时钟：时钟频率高运算速度快，但耗电量增加、抗干扰能力变差。本设计对速度要求不高，也无串行通信功能，故对时钟无特殊要求，选fosc=6MHz。⑵A/D的时钟：如果正向积分阶段的时间（10000×TCP）是干扰信号周期的整倍数时对此干扰抑制效果很好，如50Hz工频干扰的周期为20mS，取正向积分时间为80mS，则80000μS=10000×TCP，即TCP=80000μS/10000=8μS，fCP=1/TCP=1/8μS=125kHz。ICL7135完成一次A/D转换需要40002个时钟周期，当TCP=8μS时，转换周期为T≈40000×8μS=320mS。A/D转换速度约每秒3次。3.2监控程序设计⑴RAM地址分配附表5-1RAM地址分配表地址用途说明0组工作寄存器R1、R4、R5显示器自检子程序，R0、R2ROM、RAM自检子程序，R1、R3通道自检子程序，R0、R2、R6、R7显示子程序1组工作寄存器A/D转换中断服务，R0地址指针，R5中断计数(0万位、4千位～1个位)，R6当前量程状态2组工作寄存器K1、K2键处理子程序，R7手动量程键K2状态计数器20H～22HA/D转换结果，20H.7符号位，20H.0万位，21H～22H千位～个位23H～25H存放零漂值，压缩BCD码，存放方式与上面类似26H～28H存放计算的显示值，压缩BCD码，存放方式与上面类似2BH小数点应在的字位码2CH显示字段码暂存2FH～33H显示缓冲区，BCD码，万位～个位50H～7FH堆栈F0暂存A/D转换结果的符号位，“0”正/“1”负2DH.02DH.0=1—ROM有故障2DH.12DH.1=1—RAM有故障2DH.22DH.2=1—输入通道有故障2DH.32DH.3=1开机自检有故障2DH.42DH.4=1过量程2DH.52DH.5=1欠量程2DH.62DH.6=1自动量程转换，2DH.6=0手动量程转换2DH.72DH.7=1过载，即最高量程仍超量程⑵量程状态转换表：量程R6S2S1J2J1(P3.7～P3.4)P3口状态代码小数点应在字位码(2BH)200mV00H00000FH04H(百位)2V01H01004FH10H(万位)20V02H00011FH08H(千位)200V03H01015FH04H(百位)⑶系统初始化参数及控制字：(P2)=40H，关报警、V单位灯亮、关显示器(P3)=0BFH，量程开关置自检状态0EH=05H，置量程指示寄存器1组R6为自检(SP)=4FH(IP)=01H，设为高级中断，其余为低级中断IT0=1，外部中断置为边沿出发(IE)=81H，仅允许请求中断(2BH)=10H，置小数点应在字位码（万位）(2DH)=00H，请各个位标志3.3序流程图:主程序流程图开始开机自检有故障F1<1开始开机自检有故障F1<1系统初始化扫描显示器F0=1?F1=1?报警报警关报警显示子程序:显示子程序显示子程序置显缓存区首址,置位码关显示,取显示数,查段码百位?十位=1?A=0最后一位加符号段码送P0.位码送P2延时1ms修改位码显缓区地址减1加DP应加DP返回A/D中断服务:ICL7135每一分钟完成3次据的采集工作，1/3秒完成后向CPU申请中断,CPU这时暂停工作，为中断服务.中断响应后关中断，将PSW、ACC压栈，判断是否首次中断，如果是首次中断，则将正负号标志位置入60H，再把百位置入61H中，如果不是首次中断，则跳到NEXT处，如果是第二次中断，则将十位数置入62H中，如果是第三次中断，再将个位数置入63H中，第五次中断则将小数点位置入64H中，同时个位置入64H中。同时清除中断次数寄存器30H中的值，完成中断后将ACC、PSW出栈，开中断。消隐的思想：每次电压采集后，CPU将数据送到LED显示，将可能出现以下几种需要消隐的情况。200V档量程：─01.需要消隐百位需要消隐百位、十位需要消隐百位需要消隐百位、十位─00.920V档量程：─19.需要消隐百位9需要消隐百位在采集到数据之后，置数之前判断档位，是2V档不消隐，是其他档位时再看要消隐的位之前有几个是零。附录运行程序……………（一）主程序……………T1:ACALLDISPLYACALLINIAJMPFFFF:SETBF1AJMPINIMAIN:MOVSP,#4FHMOVIE,#81HSETBIT0MOVP2,#1FHMOVP3,#03HMOV14H,#05HHH:ACALLDIS1JNBF0,GGSETBP3.3AJMPHHGG:JNBF1,IISETBP3.3AJMPT1II:CLRP3.3AJMPHHRETEND……………（二）LED显示自检（显示4位“0“和4位数字“8”）……………DISPLY:NOPCLRR5MOVR5,#4MOVR2,#100DISPLY1:SETBP3.3ACALLDL1DJNZR2,DISPLY1MOVR2,#100CLR P3.3DISPLY4:MOVR0,#2CHMOVR3,#01HDISPLY2:MOVA,R3MOVP2,ACLR AMOVDPTR, #TAB1MOVCA,@A+DPTRMOVP0, AACALLDL1INCR0MOVA,R3JBACC.4, DISPLY3RLAMOV R3, AAJMPDISPLY2DISPLY3:DJNZ R2,DISPLY4MOV R2,#100MOV R1,#2CHDISPLY5:MOV A,#80HMOV@R1,AINCR1DJNZ R5DISPLY3RETTAB1:DB3FH,06H,5BH,4FH,66HDB6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77HDB7CH,39H,5EH,79H,71H,00HDL1:MOVR7，#02HDL2:MOVR6,#0FFHDJNZR6,$DJNZR7,DL2RET……………（三）显示子程序…………….DIS1:MOVR0,#2CHMOVR3,#10HDIS0:CLRAMOVP0,AMOVA,@R0ANLA,#0FHADDA,29HMOVCA,@A+PCCJNER3,#10H,DIS3JB20H.0,DIS2CLRADIS2:MOVC,20H.4MOVACC.6,CDIS3:MOV27H,AMOVA,R3CJNEA,21H,DIS4SETB27H.7DIS4:MOVP0,27HMOVA,P2ANLA,#0E0HORLA,R3MOVP2,AACALLDL1MOVA,R3JBACC.0,DIS5RRAMOVR3,ADECR0AJMPDIS0DIS5:RETTAB:DB3FH,06H,5BH,4FH,66HDB6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77HDB7CH,39H,5EH,79H,71H,00HDL1:MOVR7,#02HDL2:MOVR6,#02HDJNZR6,$DJNZR7,DL2ENDRET……………（四）A/D中断……………………INTUSE:CLREAPUSHACCPUSHPSWSETBPSW.3MOVA,#00HCJNEA,INTNUM,NEXTMOVR0,#DARSTARTMOVR2,#00HMOVR3,#00HMOVR4,#01HJNBP1.6,K0SETBP1.4AJMPK1K0:CLRP1.4K1:JBP1.5,POLMOVDARPOLE,#2DHAJMPK2POL:MOVDARPOLE,#20HK2:MOVA,P0ANLA,#0F0HSWAPAADDA,#30HSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2SETBP1.3JNBP1.0,IA1INCR2JNBP1.1IA1INCR2JNBP1.2,IA1INCR2IA1:XCHA,R3MOVA,R2ADDA,#62HXCHA,R3MOVDPOINT,R3CJNER2,#00H,IB0AJMPIB1IB0:CJNEA,#30H,IB1AJMPIB2IB1:MOVR4,#00HAJMPIB3IB2:MOVR4,#01HADDA,#70H