最新版智能数字电压表设计单片机毕业论文.docx
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最新版智能数字电压表设计单片机毕业论文
毕业论文(设计)
智能直流数字电压表的设计
院部名称:
机电工程学院
专业班级:
电气自动化技术
学生姓名:
闫永胜
指导教师:
董卫军
2011、12、19
摘要3
1引言4
1.1研究背景及意义4
1.2单片机简介4
1.3单片机的应用领域及发展趋势5
第一章设计任务书6
第二章设计内容7
2.1设计要求7
2.1.1功能要求7
2.1.2项目技术性能指标7
第三章系统原理及基本框图7
方案论证7
3.1电源电路设计8
3.2输入电路设计9
3.2.1电路简介9
3.3转换电路设计11
3.3.1AT89C51单片机11
3.3.3AT89C51主要特性:
11
3.3.4ICL7135芯片简介11
3.3.5转换器ICL713511
3.3.6ICL7135的引脚功能及主要特性12
3.3.7性能:
13
3.3.8据输出方式及数字部分14
3.3.9对应参数整定14
3.4电压表显示电路16
3.4.1电路简介16
3.5IO口分配16
第四章软件设计17
4.1时钟频率的确定17
4.2监控程序设计18
4.3序流程图:
19
第五章程序及元件清单22
5.1程序22
5.2元器件清单27
结束语28
参考文献28
附:
电路原理图29
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AD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AD转换器,测量
1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AD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AD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AD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AD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。
第一章设计任务书
开封大学机电学院2011届毕业设计任务书
设计题目
智能直流数字电压表设计
适用专业
电子信息工程技术、应用电子技术等
项目简介
以AT89C51单片机为核心,设计智能直流数字电压表。
功能要求:
具有开机自检、自动量程转换功能;使用220V50Hz交流电源,设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。
项目技术
性能指标
1.直流电压量程:
200mV、2V、20V、200V
2.分辨率:
100μV(200mV量程)
3.测量误差:
≤±(0.5%(读数)+0.5%(满度值))
4.输入电阻:
10MΩ
5.测量速度:
每秒2~3次
6.显示方式:
4位LED数码管显示被测电压值。
进度计划
了解题目要求,搜集相关资料。
系统方案论证与选择,画出系统方框图,系统设计、软硬件分工等。
单片机硬件资源分配,硬件各单元电路设计与计算。
画出各单元电路图,计算电路参数和元件参数,元器件选型。
进行硬件仿真实验,通过后列出元器件清单。
画出完整的电路图,PCB板设计和相应的工艺设计。
软件设计。
RAM资源分配、程序流程图,编写、调试程序。
软、硬件联调。
对电路功能与性能是否达到设计要求进行评估,总结设计的特点和需要改进的地方,简述改进的方案。
写出毕业设计论文。
指导教师
董卫军
教研室
主任意见
(签字)
第二章设计内容
2.1设计要求
2.1.1功能要求
1以AT89C51单片机为核心,设计智能数字电压表。
2具有开机自检、自动量程转换。
3使用220V50HZ交流电源,设置电源开关,电源指示灯和电源保护功能。
2.1.2项目技术性能指标
1.直流电压量程:
200mV、2V、20V、200V
2.分辨率:
100μV(200mV量程)
3.测量误差:
≤±(0.5%(读数)+0.5%(满度值))
4.输入电阻:
10MΩ
5.测量速度:
每秒2~3次
6.显示方式:
4位LED数码管显示被测电压值。
第三章系统原理及基本框图
方案论证
方案一:
被测电压
本方案利用AD转换原理将被测模拟量转换成数字量,并通过控制系统即单片机用数字方式显示测量结果,各部分分别用电源供电.种方法比较常用,并且技术也比较成熟,技术方面均能基本达到达技术要求.
方案二:
被测电压
被测电压
方案二系统方案框图
本方案以专用真有效值转换芯片和AD转换器为核心来设计数字电压表,设计简单易行,而且可靠性较高
以上两种方案比较而言,第一种方法比较常用,并且技术也比较成熟,技术方面均能达到设计要求。
故采用方案一。
3.1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
3.2输入电路设计
3.2.1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AD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=UOUI=20.2=1×10=A1A2,
2V量程总增益A2V=UOUI=22=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=UOUI=220=110=(1100)×10=A1A2,
200V量程总增益A200V=UOUI=2200=(1100)×1=A1A2,
在20V、200V两档由继电器J1、J2接入A1=1100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)=11000,所以R3=(R1+R2+R3)1000=10MΩ1000=10kΩ
因为(R2+R3)(R1+R2+R3)=1100,所以R2+R3=(R1+R2+R3)100=10MΩ100=100kΩ
R2=100-R3=90kΩ,R1=10MΩ-(R2+R3)=10MΩ-100kΩ=9.9MΩ
因为Au=1+R8R9=10即R8R9=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)
3.3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。
3.3.1AT89C51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。
3.3.3AT89C51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IO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
3.3.4ICL7135芯片简介
ICI7135是4位半双积分AD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AD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.
3.3.5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AD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,AD转换器,具有精度高(精度相当于14位二进制制数)、价格低廉、
抗干扰能力强等优点。
本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表的设计方案。
3.3.6ICL7135的引脚功能及主要特性
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}~{20}脚(D1~D5)位扫描输出端;D5、D4、D3、D2、D1(12、17、18、19、20脚)每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号,脉冲宽度为200个时钟周期,其中D5对应万位选通,以下依次为千、百、十、个位。
在正常输入情况下,D5--D1输出连续脉冲。
当输入电压过量程时,D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲,然后都处于低电平,直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。
利用这个特性,可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。
{13}~{16}脚(B1~B4)BCD码输出端;该四端为转换结果BCD码输出,采用动态扫描输出方式,即当位选信号D5=“1”时,该四端的信号为万位数的内容,D4=“1”时为千位数内容,其余依次类推。
{21}脚(BUSY)忙状态输出端;在双积分阶段(INT+DE),BUSY为高电平,其余时为低电平。
{22}脚(CLK)时钟信号输入端;
{23}脚(POL)负极性信号输出端;该信号用来指示输入电压的极性。
当输入电压为正,则POL等于“1”,反之则等于“0”。
{24}脚(DGND)数字地端;
{25}脚(RH)运行读数控制端;当RH=“1”(该端悬空时为“1”)时,7135处于连续转换状态,每40002个时钟周期完成一次A
{26}脚(STR)数据选通输出端;每次AD转换周期结束后,ST端都输出5个负脉冲,其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间,ST负脉冲宽度等于12时钟周期。
第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期
生。
因为每个选信号(D5--D1)的正脉冲宽度为200个时钟周期(只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK
周期),所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。
需要注意的是,若上一周期为保持状态(RH=“0”)则ST无脉冲信号输出。
ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器或微处理器进行传送。
{27}脚(OR)超量程状态输出端;当输入电压超出量程范围(20000),OR将会变高。
该信号在BUSY信号结束时变高。
在DE阶段开始时变低。
{28}脚(UR)欠量程状态输出端。
当输入电压等于或低于满量程的9%(读数为1800),则一当BUST信号结束,UR将会变高。
该信号在INT阶段开始时变低。
3.3.7性能:
总读数达+20000和-20000计数,满标电压为2.0000V,精度达±1计数;
自校零,保证零电压输入时读数为零;
模拟出入可以是差动信号,输入电阻极高,输入电流典型值1PA。
自动判别信号极性,保证零读数附近极性准确;
只要求单一基准电压
有过量程(OR)和欠量程(UR)标志信号输出,可用作自动量程转换的控制信号。
;
全部输出与TTL兼容;
用闪烁显示的方式直观的表明超量程状态;
设有六个IO辅助信号(RH,BUSH,ST,POL,OR,UR),适用于多个异步收发机,微理器或其它组合线路;
采用位扫描和BCD码输出。
所有输出端和TTL电路相容。
3.3.8据输出方式及数字部分
ICL7135的输出方式为动态BCD码扫描形式,图中是其输出波形图,这种图形将BCD码数与字位数及ST倍相配合使用,可组成多种形式的数据据输也电路,以供显示或计算机采集数据之用。
当输入模拟量超过或者低于合适量程时OR端或UR端就会出现图所示的波形在过量程情况下,显示数还会自动“闪光报警”。
ICL7135数据输出方式图
7135数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。
7135一次AD转换周期分为四个阶段:
1、自动调零(AZ);2、被测电压积分(INT);3、基准电压反积分(DE);4、积分回零(ZI)。
具体内部转换过程如图所示
ICL7135数字输出图
由于数字部分以DGNG端作为接地端,所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。
基准电压,基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。
3.3.9对应参数整定
7135推荐工作条件
MINNOMMAX
单位
电源电压,VCC+
456
V
电源电压,VCC-
V
基准电压,Vref
1
V
高电平输入电压,CLK,RUNHOLDVIH
2.8
V
低电平输入电压,CLK,RUNHOLD,VIL
0.8
V
输入电压,VID
VCC-+1VCC+-0.5
V
工作频率fclock(见注释1)
1.22
MHz
工作温度范围(自然通风),TA
070
℃
注释:
1.时钟频率范围扩展低至0Hz。
基准电压的选择一般按照ICL7135的输出读数10000ViVr来确定。
通常选Vr=1V,则当输入电压Vi=1V时,显示1.0000;当Vi=1.9999V时,显示1.9999V。
在ICL7135与单片机系统进行连接时,使用并行采集方式需要外部的时钟信号,在实际应用系统中,经常采用外接RC振荡器的方式,这样可以根据积分时间确定振荡频率,f=0.45RC.为了使电路具有抗50HZ串模干扰能力,AD转换的积分时间应选择积分时间等于50HZ工频的整数倍。
当时钟频率fclk=125kHZ时,
则每个时钟周期为1fclk,所以AD转换的积分时间为To=40002*(1fclk)=320ms即当时钟频率为125kHZ时,每秒约转换3次。
积分电阻R和积分电容C的选择是非常关键的。
R应选择精密电阻,积分电阻是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的,充电电流的常规值为Iint=20uA,积分电阻的精确值可由下式得到
在ICL7135的实际应用中,最常用的时将输入电压范围接为最大即+2~-2V,此时基准电压应为12满量程电压即+1V,Rint为100KΩ,这种元件选择参数时ICL7135最常用的接法。
标称和推荐的电流为20μA。
Cint积分电容的计算公式为
Cint=(10000*(1fclk)*20uA)积分器输出电压的摆动幅值
由于积分电容和积分电阻的乘积由给定的最大电压波动选择,而最大电压波动不超过积分器允许范围(接近正负电源的0.3V)。
所以,满量程积分器输出电压的摆动幅值控制在±3.5V~±4V的电压范围较为理想。
如果电源电压取±5V,ICL7135的模拟地端接0V,则积分器输出电压的摆幅取±4V就是合适的。
此时的电容为
Cint=10000*(1125)*(10^(-3))*20*(10^(-6))4=0.4uF
在实际应用中考虑到可靠性,应使积分器的输出电压摆幅稍小一些,所以常取Cint=0.47uF。
此外积分电容一个很重要的特性是当它只有很小的介质吸收系数时,才可阻止过冲翻转。
通常选聚丙烯电容器或聚碳酸酯电容器作积分电容。
自动调零电容Caz的大小对系统的噪声有些影响,选用较大容量的电容可以减小噪声,典型值为1uF。
基准电容Cref应大到足以使结点对地的寄生电容可以被忽略为止,典型值为1uF。
积分输出端串接一个二极管D和电阻R=100kΩ,是为了消除ROLLOVER误差,根据要求接上即可。
ICL7135的并行方式在实践中的应。
与串行方式相比,其突出的优点是结构简单、程序简洁
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