積分式數(shù)字電奪表設(shè)計(jì)

1、.摘要隨著電子科技的開(kāi)展，電子測(cè)量成為廣闊電子工作者必須掌握的手段，對(duì)測(cè)量的精度和功能的要求也越來(lái)越高，而電壓的測(cè)量甚為突出，因?yàn)殡妷旱臏y(cè)量最為普遍。同時(shí)隨著微電子技術(shù)的迅速開(kāi)展和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，正在引起測(cè)量控制儀表領(lǐng)域的新的技術(shù)革命。A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要局部，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場(chǎng)上有兩種常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1674，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強(qiáng)。但高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格相對(duì)較高。本文介紹的一種基于單片機(jī)的高精度、雙積分

2、型轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、本錢低、性價(jià)比高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)試容易和工作可靠等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)在參閱了大量前人設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表的根底上利用單片機(jī)技術(shù)結(jié)合LM339以及采用模擬開(kāi)關(guān)CD4051構(gòu)建一個(gè)測(cè)量X圍達(dá)0-750V。本文首先簡(jiǎn)要介紹了積分式數(shù)字電壓表的主要組成局部及原理，然后詳細(xì)介紹了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了硬件電路的各局部電路的設(shè)計(jì)及原理以及軟件算法。關(guān)鍵詞： 電壓測(cè)量；LM339；模擬開(kāi)關(guān)；單片機(jī)Integral design of digital voltmeterAbstractWith the development of electronical s

3、cientific technology, electronicmeasurement bee a technic that everyone of engaging electronical had to master it. Whats more, the measurement accuracy and functional equirements are getting higher and higher, and the voltage measurement is best important. At the same time as the rapid development o

4、f microelectronics technology and the emergence of ultra-large-scale integrated circuits, In particular the emergence of MCU, is causing the field of measurement and control instruments of the new technological revolution.A/D converter circuit is an important part of the data acquisition system, is

5、also an important function of interface of the puter application system. At present there are two mon A/D conversion chip on the market. one is successive approximation type, such as the AD1674, characterized by high conversion, a lower power,; and the other is a two-integral type, such as the ICL71

6、35, characterized by high precision conversion, and strong interference capability, But the high number of A/D converter is relatively expensive. This article describes a microputer-based high-precision, dual integral conversion circuit, with circuit size and low cost, cost-effective, simple structu

7、re, easy and reliable debugging and so on, have a good practical value.The design of a large number of our predecessors in the see-designed based on the digital voltmeter the use of microputer technology bined the chip, LM339 and the use of analog switches CD4051 to build a measuring range up to 0-7

8、50V. This paper briefly describes the integral digital voltage meter and principle of the main ponents, and then details the hardware and software system design, and gives the various parts of the hardware circuit design and principles of the circuit and software algorithms.Key Words:Voltage measure

9、ment; LM339; Analog switch; Microcontroller目 錄摘要IAbstractII1 方案論證21.1 概述21.2 硬件系統(tǒng)流程概述22 積分式數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)32.1 電壓信號(hào)采樣32.2 自動(dòng)量程切換接口電路42.2.1 根本原理42.2.2 10倍放大器電路52.2.3 欠量程識(shí)別電路52.2.4 換程控制電路62.3 積分運(yùn)算電路82.4 電壓比擬器工作原理112.4.1 什么是電壓比擬器112.4.2比擬器的工作原理132.5 積分電路142.5.1 根本原理142.5.2 轉(zhuǎn)換過(guò)程152.6 應(yīng)用電路162.7 顯示過(guò)程172.7.1 單片機(jī)

10、 AT89S52簡(jiǎn)介172.7.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)及LED顯示電路173 軟件設(shè)計(jì)193.1 積分式數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件流程193.2 單片機(jī)主程序流程圖193.3 定時(shí)器 T0、TI 中斷效勞程序203.4 電壓值計(jì)算子程序213.5 顯示程序21總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄程序25致30. v.引言在電量的測(cè)量中，電壓和頻率是最根本的三個(gè)被測(cè)量。其中電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的開(kāi)展，更是經(jīng)常需要測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表成為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表Digital Voltmeter簡(jiǎn)稱DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形

11、式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度底，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展強(qiáng)、集成方便，還可與PC進(jìn)展實(shí)時(shí)通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子測(cè)及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時(shí)，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀表，也把電量及非電量測(cè)量技術(shù)提高到嶄新水平。積分式數(shù)字電壓表是一種間接轉(zhuǎn)換形式的數(shù)字電壓表，它是對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)展積分并轉(zhuǎn)換成中間量時(shí)間或頻率，再通過(guò)計(jì)數(shù)器將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。1 方案論證1.1 概述積分式數(shù)字電壓表采用 AT89S

12、52單片機(jī)作為主要控器，系統(tǒng)由分壓及量程切換電路、積分電路、電壓比擬電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍顯示接口電路等幾個(gè)功能模塊組成。本系統(tǒng)根本組成框圖如圖1.1所示。被測(cè)電壓小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)配合被測(cè)量與量程分壓器量程切換電壓比擬單片機(jī)LED顯示積分器圖1.1數(shù)字電壓表根本組成框圖1.2硬件系統(tǒng)流程概述被測(cè)模擬電壓經(jīng)過(guò)初始最高擋位切換到最大分壓電路衰減后，接著由運(yùn)算放大器OP07 進(jìn)展放大后，再送給比擬電路進(jìn)展電壓比擬，通過(guò)單片機(jī)控制制來(lái)判斷量程是否適宜并選擇適宜的量程，然后將電壓信號(hào)送到由LM324構(gòu)成的積分電路對(duì)輸入電壓進(jìn)展定時(shí)積分，再通過(guò)LM339構(gòu)成的電壓比擬電路，輸出相應(yīng)的比擬信號(hào)到單片機(jī)中對(duì)其進(jìn)

13、展判斷，最后由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)展計(jì)算，得到被測(cè)電壓數(shù)值(BCD 碼)，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)LED數(shù)碼管顯示結(jié)果。2 積分式數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)2.1 電壓信號(hào)采樣直流電壓測(cè)量局部電路如圖2.1所示。該電路是以 200mV 作為根本量程，共設(shè)5擋：200mV、2V、20V、200V、1000V。圖中，R1R5 為分壓電阻，均采用誤差較小的精細(xì)金屬膜電阻相對(duì)誤差為±0.5%五個(gè)電阻的總和為10 .在實(shí)際應(yīng)用中，由于高阻值的精細(xì)電阻難以購(gòu)到，R19可由兩只標(biāo)稱值為4.5的配對(duì)電阻串聯(lián)而成，而分壓電阻R51可由 900和100電阻串聯(lián)而成。圖2.1分壓電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)各擋的分壓比和總電阻

14、來(lái)確定各分壓電阻的。如先確定R總=R1+R2+R3+R4+R5=10M2.1再計(jì)算 1000V 擋的電阻R總=0.0001R(2.2再逐擋計(jì)算 R4、R3、R2、R1。盡管上述最高量程擋的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字電壓表出于耐壓和平安考慮，規(guī)定最高電壓量程為1000V。顯然，此擋滿量程時(shí)，輸出電壓為1000V乘以 0.0001等于0.1V。即100mV，同理可以算出量程為200V 擋的分壓系數(shù)等于0.001，滿量程時(shí)輸出電壓為0.2V，即200mV。20V、2V、200mV擋的分壓系數(shù)為 0.01、0.1和1?？傊ㄟ^(guò)分壓電路，使被測(cè)電壓一律減至 200mV 以下，之后再放大10 倍

15、送給自動(dòng)量程切換接口電路，選取好量程后進(jìn)展雙積分轉(zhuǎn)換電路進(jìn)展電壓周期變換后送入單片機(jī)處理和顯示2.2自動(dòng)量程切換接口電路2.2.1根本原理自動(dòng)量程切換接口由10倍放大器電路、欠量程識(shí)別電路、換程控制電路組成，構(gòu)造框圖如圖2.2所示.換程電路欠量程識(shí)別電路量程選擇電路10倍放大電路URA、B、CUoUi圖2.2自動(dòng)量程切換接口方框圖電路工作原理如下：當(dāng)電路上電后，換程控制電路自動(dòng)將量程設(shè)置為最高擋，即衰減為0.0001，然后欠量程識(shí)別電路對(duì)放大后的輸出Uo進(jìn)展判斷。判斷標(biāo)準(zhǔn)是以和它相配的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入上限作為其上限閥值Umax，以 9%Umax 作為其下限閥值 Umin，Uo<Umin

16、 為欠量程。假設(shè)欠量程，那么由換程控制電路控制量程由高到低 變化至放大電路輸出Uo大于Umin。假設(shè)輸入U(xiǎn)i變化后可先使儀表復(fù)位到最高擋，再由電路自動(dòng)根據(jù)Ui減至適宜量程為止。以上過(guò)程由硬件電路與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)接口的測(cè)量精度取決于放大電路的精度和欠量程識(shí)別電路的精度和穩(wěn)定性，而換程速度那么取決于多路模擬開(kāi)關(guān)的響應(yīng)速度和單片機(jī)換程信號(hào)。 2.2.210倍放大器電路通常，檢測(cè)信號(hào)的放大采用集成運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的加、減、微分、積分等運(yùn)算。運(yùn)算放大器電壓增益高，輸入阻抗大，輸出阻抗小，根據(jù)負(fù)反應(yīng)電路的接法，可以實(shí)現(xiàn)反相運(yùn)算、同相運(yùn)算和差動(dòng)運(yùn)算等。由于經(jīng)傳感器變換后的模擬電壓信號(hào)

17、有時(shí)是很微弱的微伏級(jí)信號(hào)，而一般的通用放大器都具有毫伏級(jí)的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫度漂移，顯然是不能用于放大微弱信號(hào)的。因此在設(shè)計(jì)中要采用高精度運(yùn)算放大器或測(cè)量放大器。 OP07高精度運(yùn)算放大器，它具有極低的失調(diào)電壓(10µV)和偏置電流(0.7nA)， 溫漂系數(shù)為 0.2µV/，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能指標(biāo)為0.2µV /每月。OP07具有較高的共模輸入X圍±14V,共模抑制比CMRR=126dB以及極寬的供電電源X圍從±3V±18V。 10倍放大器電路如圖2.3所示。利用運(yùn)算放大器OP07,把它應(yīng)用在根本量程為200mV的數(shù)字電壓表上就相當(dāng)于

18、把分辨力提高了10倍。圖2.310倍放大器電路2.2.3欠量程識(shí)別電路因?yàn)槌跏茧妷毫砍淘O(shè)置為最高擋，因此只需要欠量程信號(hào)比擬即可調(diào)節(jié)量程。欠量程識(shí)別電路的原理示意圖如圖2.4所示。該電路才用LM339中的一只運(yùn)放構(gòu)成下限閥值比擬器，當(dāng)Uo小于 Umin時(shí)，LM339輸出低電平，表示欠量程信號(hào) UR；當(dāng)Uo大于 Umin 時(shí)，LM339 輸出高電平RR，表示量程適宜。將量程信號(hào)送給單片機(jī)P1.3進(jìn)展上下電平判斷，進(jìn)而輸出換程信號(hào)送給換程電路。圖2.4 欠量程識(shí)別電路2.2.4換程控制電路1CD4051多路開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介CD4051芯片是一個(gè)雙向八通道模擬開(kāi)關(guān)。它是一個(gè)帶有制止端(INH)和三位譯碼端(

19、A、B、C)控制的8路模擬開(kāi)關(guān)電路；并由3位二進(jìn)制信號(hào)來(lái)選擇8個(gè)通中的一個(gè)通道。當(dāng)INH為“1”時(shí)通道斷開(kāi)，制止模擬量輸入；當(dāng)INH為“0”時(shí),通道接通，允許模擬量輸入。其真值表如表2.1，工作原理如圖2.5所示。表2.1 CD4051的真值表輸入狀態(tài)通道號(hào)INHCBACD405100000000110010200113010030101501106011171無(wú)邏輯電平轉(zhuǎn)換帶制止線的二進(jìn)制譯碼器TGTGTGTGTGTGTGTG131141587GNDVEE111096ABCINH16VCC公共端OUT/IN121425通道 IN/OUT圖2.5CD4051原理圖圖中，邏輯電平轉(zhuǎn)換單元完成CM

20、OS到TTL的電平轉(zhuǎn)換，因此這種多種開(kāi)關(guān)輸入電平X圍廣，數(shù)字量輸入為3V到15V，模擬量可達(dá)15V。二進(jìn)制譯碼器用來(lái)對(duì)選擇輸入A、B、C的狀態(tài)進(jìn)展譯碼，并控制開(kāi)關(guān)電路TG，使某一路開(kāi)關(guān)接通，從而使輸入/輸出通道相連。(2)換程電路換程控制電路的原理示意圖如圖2.6所示。該電路由分壓電路、多路模擬 開(kāi)關(guān)和單片機(jī)I/O口組成。其作用是按輸入條件信號(hào)欠量程信號(hào)、原量程信號(hào)送給單片機(jī)P1.3 進(jìn)展判斷，然后由單片機(jī)P1.0、P1.1、P1.2 輸出量程控制信號(hào)送入模擬開(kāi)關(guān)CD4051的A、B、C口選擇相應(yīng)通路選通，其滿足下面要求的量程信號(hào)An、Bn、:a)有幾擋量程，就有幾種對(duì)應(yīng)的不同量程信號(hào)。在任何

21、時(shí)刻，都不允許有 1 個(gè)以上量程同時(shí)有效；b)欠量程時(shí)，量程信號(hào)應(yīng)由高到低變化，已在最低量程時(shí)仍欠量程，那么維持最低量程不變化；c)量程適宜時(shí)，維持原量程不變；d)每擋量程都能到達(dá)并保持；e)當(dāng)量程為最低擋時(shí)仍欠量程,那么維持原量程不變化；f)電路上電時(shí)，量程信號(hào)從最高擋起步。圖2.6 換程控制電路圖2.6 所示電路的邏輯真值表見(jiàn)表2.2 所列。從真值表可以看出，該電路實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)要求。而上電時(shí)電路的量程起步那么由單片機(jī) P1.0、P1.1、P1.2 口解決，即初始設(shè)置為 P1.2=1、P1.1=0、P1.0=0，選通 CD4051(1)開(kāi)關(guān)的 4*通路。表2.2 換程電路真值表CBAURR

22、RC1B11000011001100110010111010100000101010010000011000000000001002.3積分運(yùn)算電路如圖2.7所示的積分運(yùn)算電路中，由于集成運(yùn)放的同相輸入端通過(guò)R2接地，根據(jù) “虛短的原那么UP=UN=0，“虛地。根據(jù)“虛斷的原那么可得，輸出電壓與電容上電壓的關(guān)系為U0=-Uc而電容上電壓等于其電流的積分，故2.3在求解t1到t2時(shí)間段的積分值時(shí)2.4式中U0(t1)為積分起始時(shí)刻的輸出電壓，即積分運(yùn)算的起始值，積分的終值是t2時(shí)刻的輸出電壓。當(dāng)為常量時(shí)2.5圖2.7 積分運(yùn)算電路當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，假設(shè)t0時(shí)刻電容上的電壓為零，那么輸出電壓波形

23、如圖2.8(a)所示。當(dāng)輸入為方波和正弦波時(shí)，輸出電壓波形分別如圖2.8(b)和圖2.8(c)所示。 t00t圖2.8a積分運(yùn)算電路輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出波形圖2.8b積分運(yùn)算電路輸入為方波時(shí)的輸出波形圖2.8c積分運(yùn)算電路輸入為正弦波時(shí)的輸出波形2.4電壓比擬器工作原理電壓比擬器(以下簡(jiǎn)稱比擬器)是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)量技術(shù)，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過(guò)零檢測(cè)電路等。本文主要介紹其根本概念、工作原理。 2.4.1什么是電壓比擬器  簡(jiǎn)單地說(shuō)， 電壓比擬器是對(duì)兩個(gè)模擬電

24、壓比擬其大小(也有兩個(gè)數(shù)字電壓比擬的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖2.9所示。圖2.9(a)是比擬器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端(“+ 端) 及反相輸入端(“-端)，有一個(gè)輸出端Vout(輸出電平信號(hào))。另外有電源V+及地(這是個(gè)單電源比擬器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖2.9(b)所示。在時(shí)間0t1時(shí)，VA>VB；在t1t2時(shí)，VB>VA；在t2t3時(shí)，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖2.9(c)所示：VA>VB時(shí)，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時(shí)，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的上下便可知

25、道哪個(gè)電壓大。圖2.9(a) 電壓比擬器圖2.9(b、c、d) 比擬器輸入輸出波形圖如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖2.9(b)所示，那么Vout輸出如圖2(d)所示。與圖2.9(c)比擬，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關(guān)。 如果輸入電壓VA與某一個(gè)固定不變的電壓VB相比擬，此VB稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖2.10(b)所示，它一般用作過(guò)零檢測(cè)。圖2.10零電壓的比擬器2.4.2比擬器的工作原理比擬器是由運(yùn)算放大器開(kāi)展而來(lái)的，比擬器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比擬器電路應(yīng)用

26、較為廣泛，所以開(kāi)發(fā)出了專門的比擬器集成電路。圖2.11由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過(guò)輸入電阻R1接在反相端，RF為反應(yīng)電阻，假設(shè)不考慮輸入失調(diào)電壓，那么其輸出電壓Vout與VA、VB及4個(gè)電阻的關(guān)系式為2.6假設(shè)那么2.7RF/R1為放大器的增益。當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=RF=(相當(dāng)于R3、RF開(kāi)路)時(shí)，Vout=。增益成為無(wú)窮大，其電路圖就形成圖2.9(a)的樣子，差分放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，它就是比擬器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無(wú)窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無(wú)

27、窮大。圖2.11差分放大器電路 從圖2.11中可以看出，比擬器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。  同相放大器電路如圖2.12所示。如果圖2.12中RF=，R1=0時(shí)，它就變成與圖2.9(a)一樣的比擬器電路了。圖2.12中的Vin相當(dāng)于圖2.9(a)中的VA。圖2.12 同相放大器電路2.5積分電路2.5.1 根本原理雙積分電路根本電路如圖2.13所示，運(yùn)放A1、R、C用來(lái)組成積分器，C常取0.22F的聚丙運(yùn)放烯電容，R1常取500k左右，A2作為比擬器。電路先對(duì)未知的模擬輸入電壓U1進(jìn)展固定時(shí)間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓U0進(jìn)展反向積

28、分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時(shí)間為T0。如圖2.14所示，輸入電壓U1越大，那么反向積分時(shí)間越長(zhǎng)。整個(gè)采樣期間，積分電容C上的充電電荷等于放電電荷，因而有2.8即 2.9由于U0及T1均為常數(shù)，因而反向積分時(shí)間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期問(wèn)單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與信號(hào)電壓的大小成正比，此計(jì)數(shù)值就是U1所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。圖2.13雙積分轉(zhuǎn)換電路T1T0T0圖2.14雙積分轉(zhuǎn)換波形圖2.5.2轉(zhuǎn)換過(guò)程為了給積分電路提供積分零點(diǎn)，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通0電平，待比擬器輸出為低電平時(shí)，再對(duì)積分電路進(jìn)展一段時(shí)間的放電，以使得積分電容零電荷。因此雙積分電路的工作過(guò)程分為三個(gè)階段。 (

29、1)清零階段：當(dāng)比擬器輸出低電平時(shí)，積分電容上聚集了大量電荷，必須對(duì)其放電為后續(xù)積分提供準(zhǔn)確的零起始點(diǎn)。即對(duì)電壓值0進(jìn)展定值積分。(2)積分階段:對(duì)模擬輸入電壓Uin進(jìn)展固定時(shí)間積分，積分時(shí)長(zhǎng)T1，此階段積分器的輸出電壓2.10(3)比擬階段：對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)展定時(shí)積分后，再對(duì)基準(zhǔn)電壓U1進(jìn)展反向積分直到比擬器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此階段設(shè)積分時(shí)長(zhǎng)為T0，由比擬器原理那么有以下關(guān)系式:2.11由此可得2.12其中T1、U1均為常數(shù)，T0通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器可求得。2.6應(yīng)用電路綜上可以畫(huà)出自動(dòng)量程切換接口電路，積分電路，電壓比擬電路如圖2.15所示。自動(dòng)量程切換接口電路中考慮到量程擋位因素，我們將欠量程

30、識(shí)別電路的基準(zhǔn)電壓值取0.18V。其思路是初始時(shí),由單片機(jī)設(shè)置CD40511模擬開(kāi)關(guān)CBA為最高擋，此時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)Ui通過(guò)分壓電路后輸出為原來(lái)0.0001倍。直接對(duì)其由OP07組成的電路放大10倍后送入量程識(shí)別電路進(jìn)展判斷，當(dāng)電壓比擬器輸出電平為1時(shí)，量程適宜，反之輸出為0時(shí)，那么為欠量程，由單片機(jī)輸出量程控制信號(hào)使量程降一擋并再進(jìn)展比擬直至量程適宜；同時(shí)輸出電平給 CD40512的INH 腳，控制它的有效性，當(dāng)電平為0時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)有效進(jìn)而使電壓進(jìn)入積分電路和電壓比擬電路，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器完成數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算得出所測(cè)電壓。雙積分轉(zhuǎn)換電路中，單片機(jī)P1.0、P1.1、P1.2作為輸出

31、端口，控制其地址選擇端A、B、C選擇不同的通道輸入到積分器A3，Uin為積分器的輸入電壓，U0為基準(zhǔn)電壓，為使雙積分轉(zhuǎn)換結(jié)果具有更高的精度，基準(zhǔn)電路應(yīng)該提供準(zhǔn)確的電壓，建議使用精度為1%的精細(xì)電阻，單片機(jī)使用89S52，其內(nèi)部定時(shí)器T0為積分電路提供準(zhǔn)確的時(shí)間定時(shí)，定時(shí)器T1用來(lái)記錄反向積分時(shí)間，INT0用來(lái)檢測(cè)比擬器電平變化。所需測(cè)量的模擬輸入信號(hào)和零點(diǎn)參考電壓以及基準(zhǔn)電壓接到多路選擇開(kāi)關(guān)的輸入端，通過(guò)單片機(jī)中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號(hào)，通過(guò)積分電路分別和固定電壓進(jìn)展定時(shí)或定值積分。積分電路的輸出信號(hào)作為比擬器的輸入信號(hào)與比擬電壓進(jìn)展比擬，當(dāng)比擬器輸出翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，CPU定時(shí)器停頓，

32、從而獲得零點(diǎn)參考電壓的定時(shí)值，對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)展處理計(jì)算后，完成電壓轉(zhuǎn)換。圖2.15應(yīng)用電路2.7顯示過(guò)程2.7.1單片機(jī) AT89S52 簡(jiǎn)介單片機(jī)采用MCS-51系列單片機(jī)。ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片F(xiàn)lash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52主要性能包括：1

33、與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；28K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；31000次擦寫(xiě)周期；4全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；5三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；632個(gè)可編程I/O口線；7三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；8八個(gè)中斷源；9全雙工UART串行通道；10低功耗空閑和掉電模式；11掉電后中斷可喚醒；12 看門狗定時(shí)器；13雙數(shù)據(jù)指針；14掉電標(biāo)識(shí)符。2.7.2單片機(jī)最小系統(tǒng)及LED 顯示電路單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路如2.17示、復(fù)位開(kāi)關(guān)電路如2.18示和電源局部。本系統(tǒng)采用的是12MH晶振；復(fù)位電路在單片機(jī)中是很重要的，它可以完成單片機(jī)的初始化。也可以在死機(jī)狀態(tài)下重啟單片機(jī)。它的根本原理是在時(shí)鐘電路開(kāi)

34、場(chǎng)工作后，在單片機(jī)的RST引腳施加24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖即兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)便可以復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機(jī)的ALE引腳和/PSEN引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C(jī)便從0000H單元開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行程序。 在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用即可手動(dòng)復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣即是人工復(fù)位單片機(jī)系統(tǒng)。上電局部的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時(shí)候可以給RST引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)外，當(dāng)按下按鍵開(kāi)關(guān)的時(shí)候,VCC通過(guò)一個(gè)電阻連接到RST引腳,給RST一個(gè)高電平；按鍵松開(kāi)的時(shí)候，RST 引腳恢復(fù)為低電平,復(fù)位完成。 數(shù)碼管的顯示有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式，但是由于靜態(tài)顯示在

35、顯示位數(shù)較多， 就需要占用更多的并行口,為簡(jiǎn)化電路，故本文采用動(dòng)態(tài)顯示方式。根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求LED采用4位共陰級(jí)數(shù)碼，利用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的亮滅，設(shè)計(jì)中由P0口驅(qū)動(dòng)LED的段碼顯示，即顯示字符，由P2的 P2.1,P2.1，P2.2來(lái)輸出控制信號(hào)使對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管位有效顯示如2.19所示。圖2.17 晶體振蕩電路圖2.18復(fù)位電路圖2.19顯示電路3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言編程，運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能模塊的程序進(jìn)展分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次構(gòu)造清晰，有利于軟件的調(diào)試修改。 3.1積分式數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件流程單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0、T1分別控制對(duì)基準(zhǔn)電壓

36、和模擬電壓的定時(shí)積分；P10、P11、P12控制多路選擇開(kāi)關(guān)的通道，P1.3用來(lái)控制是否進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，P1.4口用來(lái)控制量程信號(hào)，P0、P2口用來(lái)控制數(shù)碼管顯示，且單片機(jī)以查詢方式檢測(cè)比擬器的輸出電平。3.2 單片機(jī)主程序流程圖主程序開(kāi)場(chǎng)后，先進(jìn)展對(duì)系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式，T1 工作在方式1定時(shí)，置位總中斷允許。 初始化后，程序進(jìn)入主循環(huán)。首先是進(jìn)展電壓比擬電路比擬信號(hào)的查詢以此 選擇適宜的量程擋位，接著，啟動(dòng)定時(shí)器 T0、T1 工作進(jìn)展電壓比擬和計(jì) 算，得到電壓值后經(jīng) BCD 碼轉(zhuǎn)換后先送顯示緩沖區(qū)再顯示。圖3.1 主程序流程圖3.3 定時(shí)器 T0、TI 中斷效勞程序本課題

37、以在 200ms 內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)展積分，設(shè)定時(shí)器 T0 工作在方式 1， 初值為 TH0=0，TL0=0，定時(shí)器 T1 工作在方式 1 定時(shí)模式定時(shí) 50ms 那么需進(jìn)展 4 次即可。初值 TH1=65536-50000/256=0X3C，TL0=65536-50000%256=0XB0。 其中斷效勞程序如下所顯示。中斷效勞T0/T1計(jì)數(shù)器加1返回圖3.2定時(shí)器T0/T1中斷3.4 電壓值計(jì)算子程序電壓計(jì)算程序積分時(shí)間計(jì)算t1、t2計(jì)算電壓返回首先計(jì)算積分時(shí)間t0，它由計(jì)數(shù)值T0count，以及T0中的TH0、TL0來(lái)確定如下t0=T0count*65536+TH0*256+TL0；再計(jì)算電壓U=

38、U0*t0/t1;其中U0為基準(zhǔn)電壓，t1=4*15536為一定值。圖3.3 電壓計(jì)算子程序3.5 顯示程序?qū)﹄妷褐禂?shù)據(jù)進(jìn)展 BCD 碼轉(zhuǎn)換并送顯示緩沖區(qū)，查表字型碼并點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的 量程信號(hào)下的小數(shù)點(diǎn)。程序流程圖如下圖。顯示程序量程信號(hào)初始化緩沖區(qū)BCD碼轉(zhuǎn)換點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)小數(shù)點(diǎn)查字型碼表輸出顯示圖3.4 顯示子程序總 結(jié)我本次的設(shè)計(jì)題目是"積分式數(shù)字電壓表"，是一個(gè)基于單片機(jī)的電壓測(cè)量系統(tǒng)，在系統(tǒng)中提出了直流測(cè)量以及自切換功能的實(shí)現(xiàn)的思路。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到了很多新的問(wèn)題，通過(guò)請(qǐng)教教師和自己的學(xué)習(xí)，我不但解決了問(wèn)題還學(xué)到了很多的知識(shí)，真是受益非淺。同時(shí)，這也是一次能力鍛煉的好時(shí)

39、機(jī)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中當(dāng)遇到問(wèn)題的時(shí)候，我總是會(huì)想盡一切方法來(lái)解決。其中，用的最多的就是查找有關(guān)質(zhì)料了，在這個(gè)過(guò)程中我覺(jué)的自己的解決問(wèn)題的能力得到了極大的提高。 由于本人的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)歷缺乏以及水平有限，系統(tǒng)中可能存在一些缺陷，但是其硬件電路的設(shè)計(jì)思想還是符合實(shí)際電路設(shè)計(jì)要求。總之，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)令我終生難忘，它鍛煉了我，也提高了我。它進(jìn)一步溫習(xí)和穩(wěn)固在大學(xué)四年里所學(xué)的知識(shí)，對(duì)將在社會(huì)工作崗位上能為祖國(guó)、為社會(huì)做出一點(diǎn)奉獻(xiàn)，都有極其重要的價(jià)值.參考文獻(xiàn)1 潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用笫二版.：XX電子科技大學(xué)，20062 田立，田清，代方震.51單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)快速入門.：人民郵電，20073 X靖

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43、0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,;uchar dispbuf4=0,0,0,0;uchar T0count;uchar timecount;sbit flag=P32;unsigned long t0,t1,U0;float V;uchar i,j,k,l,m;sbit S3=P10; /Asbit S2=P11; /Bsbit S1=P12; /Csbit PD=P14;sbit ST=P13;sbit DP=P27; /定義小數(shù)點(diǎn)/宏定義不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)*define V10_ON S1=1;S2=1;S3=0; *defi

44、ne V0_ON S1=0;S2=0;S3=0; /0v*define V750_ON S1=0;S2=0;S3=1; /750V*define V200_ON S1=0;S2=1;S3=0; /200V *define V20_ON S1=0;S2=1;S3=1; /20V*define V2_ON S1=1;S2=0;S3=0; /2V*define V02_ON S1=1;S2=0;S3=1; /200mv/定時(shí)器T0中斷函數(shù)/void time0(void) interrupt 1 using 1 TL0=0;TH0=0;T0count+;/計(jì)數(shù)值加1/定時(shí)器T1中斷函數(shù)/ void

45、time1(void) interrupt 3 using 1 TH1=(65536-50000)/256;/重裝初值TL1=(65536-50000)%256;timecount+; /T1中斷溢出加1/電壓數(shù)據(jù)處理/ void datahandle() t0=T0count*65536+TH0*256+TL0;t1=4*15536;V=U0*t0*10000/t1;/延時(shí)函數(shù)/void delay() for(m=0;m<=2;m+); for(j=0;j<=100;j+); /顯示函數(shù)/void disp() for(i=0;i<4;i+)/顯示初始化“0” dispbufi=0; i=0; while(V) dispbufi=(int)V%10; V