雙積分?jǐn)?shù)字直流電壓表

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上積分式直流數(shù)字電壓表摘要本雙積分電壓表系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心、以分立元件制作的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器為主要部件的4位半積分式數(shù)字直流電壓表,并對(duì)所設(shè)計(jì)的電壓表進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果測(cè)量誤差±0.03%,精度達(dá)到4位半。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能,自動(dòng)調(diào)零功能，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程目錄 方案論證與比較1.1.1 信號(hào)調(diào)理比較與選擇方案一、信號(hào)經(jīng)過緩沖器提高輸入阻抗后經(jīng)過低通濾波器后，然后由模擬開關(guān)選擇信號(hào)放大與不放大，當(dāng)信號(hào)大于200mv時(shí)不放大，小于200mv時(shí)經(jīng)過儀表放大器進(jìn)行放大。方案二、信號(hào)經(jīng)過電

2、壓分阻條統(tǒng)一衰減后經(jīng)過緩沖器提高其負(fù)載能力，信號(hào)進(jìn)行低通濾波器其截止頻率在10HZ左后濾除高頻噪聲及干擾，然后經(jīng)過低噪聲，高精度運(yùn)放放大。方案論證：方案一對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行放大其電路復(fù)雜，當(dāng)測(cè)量多個(gè)量程時(shí)放大電路的增益不一樣，需多個(gè)放大電路成本很高，且用儀表放大器價(jià)格過于昂貴。方案二通過統(tǒng)一衰減后在進(jìn)行放大其電路簡單調(diào)試方便。所以采用方案二。 1.2 處理器的比較與選擇STC單片機(jī)所特有的在線下載功能和其他公司的單片機(jī)不同，不是利用SPI進(jìn)行在線編程，而是利用IAP功能，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)編程，因此，可以通過串口來對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。其電路極為簡單，只要所使用的單片機(jī)系統(tǒng)具有232串口通信功能即可。.工作

3、寬溫度范圍,-4085,在系統(tǒng)可編程,無需編程器,可遠(yuǎn)程升級(jí),抗干擾強(qiáng).價(jià)格低廉,所以采用了STC單片機(jī).1.3積分器比較與選擇方案一、采用雙極性運(yùn)放UA741，UA741為通用運(yùn)放價(jià)格便宜，容易購買。積分電容選擇膽電容進(jìn)行積分。方案二、采用FET運(yùn)放TL062，其漏電流小，電容選擇獨(dú)石電容。方案論證：方案一ua741器基集電流大，失調(diào)電流大對(duì)積分產(chǎn)生影響，且膽電容的漏電流大也對(duì)積分產(chǎn)生一定影響，而方案二TL062為FET型輸入阻抗高基集電流小且獨(dú)石電容漏電流小。所以才用方案二。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)基于STC89C51單片機(jī)的4位半積分式直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法。在

4、設(shè)計(jì)中,充分利用了89C51單片機(jī)內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器和以分立元件組成的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)良特性,使整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到了比較滿意的效果。硬件設(shè)計(jì)主要有雙電源電路、信號(hào)采集電路、量程轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)邏輯控制電路、積分比較與自動(dòng)回零電路、單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路組成。軟件編程采用模塊化結(jié)構(gòu),主要有時(shí)序子程序,系數(shù)運(yùn)算子程序, BCD碼轉(zhuǎn)換子程序,自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換子程序,顯示子程序等組成。信號(hào)經(jīng)過電阻分壓器統(tǒng)一衰減后，經(jīng)過運(yùn)放緩沖后在經(jīng)過高精度，低噪聲，失調(diào)電壓小的運(yùn)放OP37放大，開始先對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，后開始對(duì)基準(zhǔn)源進(jìn)行反積分，然后經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算處理后有單片機(jī)顯示。 圖一2.2 單元電路設(shè)計(jì) 2.2.1 信號(hào)調(diào)

5、理調(diào)理電路 圖二信號(hào)經(jīng)過電壓分阻條統(tǒng)一衰減后經(jīng)過緩沖器提高其負(fù)載能力，信號(hào)進(jìn)行低通濾波器其截止頻率在10HZ左后濾除高頻噪聲及干擾，然后經(jīng)過低噪聲，高精度運(yùn)放放大。放大倍數(shù)可有可變電阻進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。2.2.2 雙積分電路設(shè)計(jì) 圖三單片機(jī)通過對(duì)開關(guān)邏輯控制電路來控制雙積分A/D轉(zhuǎn)換,單片機(jī)先控制開關(guān)邏輯控制電路使s2接通進(jìn)行自動(dòng)回零,接著OUT2接通將待測(cè)電壓進(jìn)行正積分,再使Vref接通對(duì)反積分基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反積分,同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),到一定時(shí)間后比較電路中的比較電路輸出中斷信號(hào),單片機(jī)停止計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值濾波,通過減法、乘法和除法的系數(shù)運(yùn)算最后轉(zhuǎn)換成BCD碼,再通過顯示電路將待測(cè)電壓值顯

6、示出來。A/D轉(zhuǎn)換是在單片機(jī)和開關(guān)邏輯控制電路的控制下有條不紊地進(jìn)行,全部過程可分三個(gè)階段:(1)正積分:也稱信號(hào)采集階段。在這個(gè)階段,通過單片機(jī)對(duì)開關(guān)邏輯控制電路的控制對(duì)檢測(cè)電壓out2積分。積分器的輸出電壓隨時(shí)間線性地增加。正積分時(shí)間由單片機(jī)控制,定時(shí)為T1,在T1結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為: Vout(T1)=-1C2*R9out2 (公式一)(2)反積分:也稱計(jì)數(shù)階段。在這個(gè)階段,通過單片機(jī)對(duì)開關(guān)邏輯控制電路的控制對(duì)基準(zhǔn)電壓ref積分。經(jīng)過T2時(shí)間后回到0, Vout2（T2）=Vout1+1C2*R9Vref (公式二) T2=out2*T1/T2 (公式三)由此可以看出T2的大小取決

7、于輸入待測(cè)電壓Vx的大小。(3)自動(dòng)回零:也稱復(fù)位階段,在該階段,因反積分使比較器輸出由高電平變成低電平,再由單片機(jī)控制開關(guān)邏輯控制電路動(dòng)作,使VA導(dǎo)通,使得積分電容充分放大。2.2.3 基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì) 圖四負(fù)電源電壓采用高精度可編程穩(wěn)壓器件TL431產(chǎn)生，然后進(jìn)過電源濾波。在經(jīng)過緩沖器進(jìn)行隔離，以免后級(jí)電路對(duì)基準(zhǔn)源產(chǎn)生負(fù)載影響，影響基準(zhǔn)源的精度。3 軟件設(shè)計(jì)控制芯片為STC89C52,由于處理器速度較快,所以采用c語言編程方便簡單.軟件流程如圖下 電壓表主流程圖4系統(tǒng)測(cè)試 電壓測(cè)試數(shù)據(jù)（室溫條件下）標(biāo)準(zhǔn)電壓值自動(dòng)量程選擇實(shí)測(cè)電壓值誤差/1.000mV200mV檔01.00mV050.000

8、mV 200mV檔50.00mV0120.000mV檔200mV120.01mV0.008199.990mV檔200mV199.97mV-0.010.20020V2V檔0.2000V-0.011.25000V2V檔1.2503V0.0241.98000V2V檔1.9804V0.020從標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電源輸出標(biāo)準(zhǔn)的待測(cè)電壓,用5位半數(shù)字電壓表作為校準(zhǔn)設(shè)備,分別用5位半數(shù)字電壓表和本電壓表對(duì)待測(cè)電壓進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較,如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明,本電壓表的測(cè)量誤差±0.03%,精度達(dá)到4位半。當(dāng)測(cè)量199.990mV和0.20020V兩組標(biāo)準(zhǔn)電壓值時(shí),本電壓表進(jìn)行了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換,由

9、此表明本電壓表具有200mV和2V兩個(gè)量程并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。5 結(jié)論由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)：1模擬電子線路基礎(chǔ)，吳運(yùn)昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；2數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；3單片機(jī)原理及應(yīng)用，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002年；4王劍銘,黃俊杰,寧彥卿.新穎實(shí)用的單片機(jī)雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路和軟件J.鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001；5李偉.一種高精度低成本A/D轉(zhuǎn)換器的原理和實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化儀表,2007；6馮文濤,于明鑫.單片機(jī)控制的高精度雙積分ADC

10、J.遼寧師專學(xué)報(bào),2004；附錄：附1：元器件明細(xì)表：1、STC89C522、TL0623、OP374、1602液晶附2：儀器設(shè)備清單1、 低頻信號(hào)發(fā)生器 2、 數(shù)字萬用表 3、 數(shù)字示波器4、 穩(wěn)壓電源附3：電路圖圖紙 整體電路圖附4：程序清單/SW1 S1 S0 00 A4 Vin 11 A7 GND /SW2 S1 S0 10 A6 Vref 11 A7 GND 01 A5 Vin/SW3 S 0 導(dǎo)通 1 斷開/#include <reg51.h>#include <intrins.h> #define uchar unsigned char #define u

11、int unsigned int #define LCD_DATA P0 sbit LCD_RS = P24; sbit LCD_RW = P25; sbit LCD_EN = P26; sbit change_in = P30;sbit S2 = P31;sbit S3 = P32;sbit S4 = P34;sbit S5 = P35;/sbit S6 = P36;sbit P1_7 = P17; sbit cmp_in = P33; sbit P1_4 = P10; sbit P1_5 = P11;sbit P1_6 = P12; uchar compares_zero = 'a

12、' ,first_integral = 'b',second_integral = 'c', discharge = 'd', Operation = 'e'/狀態(tài)定義為 校零 第一次積分 第二次積分 電容放電 運(yùn)算 uchar state;uint regser; uchar code dis1 = " current voltage" uchar dis2 = " 00000 mv " uchar cnt=0; /*/ /* /* 延時(shí)子程序 /* /*/ void delay(

13、uint ms) uchar i; while(ms-) for(i = 0; i< 250; i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*/ /* /*檢查LCD忙狀態(tài) /*lcd_busy為1時(shí)，忙，等待。lcd-busy為0時(shí),閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 /* /*/ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result = (bit)(LCD_DATA&0x80); LCD_EN =

14、 0; return result; /*/ /* /*寫指令數(shù)據(jù)到LCD /*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=指令碼。 /* /*/ void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 1; LCD_DATA = cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EN = 0; /*/ /* /*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD /*RS=H，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)。 /* /*/ void lcd_wdat(uchar dat) whil

15、e(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 1; LCD_DATA = dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EN = 0; /*/ /* /* 設(shè)定顯示位置 /* /*/ void lcd_pos(uchar pos) lcd_wcmd(pos|0x80); /數(shù)據(jù)指針=80+地址變量 /*/ /* /* LCD初始化設(shè)定 /* /*/ void lcd_init() delay(15); /等待LCD電源穩(wěn)定 lcd_wcmd(0x38); /16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù) delay

16、(5); lcd_wcmd(0x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo) delay(5); lcd_wcmd(0x06); /字符進(jìn)入 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容 delay(5); /*/ /* /* 清屏子程序 /* /*/ void lcd_clr() lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容 delay(5); /*/顯示函數(shù)/*/ void display_line( uchar *p,uchar line) if(line = 1) lcd_pos(0x00); else if(line =2) lcd_pos(0x40); whi

17、le(*p) lcd_wdat(*p); p+; / /SW1 S1 S0 00 A4 Vin 11 A7 GND /SW2 S1 S0 10 A6 Vref 11 A7 GND 01 A5 Vin/SW3 S 1 導(dǎo)通 0 斷開/ void compare ( ) P1_4=1; P1_5=0; P1_6=0; if(cmp_in = 1)/ state = first_integral; else / S1 = 0; /校零時(shí)接地 if(change_in = 0) S2 = 0; /接入放大器 else S2 = 1; S3 = 1; /將積分輸入端接非參考電壓 S4 = 1; /對(duì)調(diào)零

18、電容充電 S5 = 1; /積分電容非放電 /S6 = 1; /參考電壓電容充電 /delay(100); void f_integral () P1_4=0; P1_5=1; P1_6=0; if(change_in = 0) S2 = 0; /接入放大器 else S2 = 1; S3 = 1; /將積分輸入端接非參考電壓 S4 = 0; /對(duì)調(diào)零電容斷開 S5 = 0; /積分電容非放電 /S6 = 1; /參考電壓電容充電 TMOD |=0x10; TH1 =0x15; TL1 =0xa0; ET1=1; TR1=1; EA=1 void s_integral() if(change_

19、in = 0) S2 = 0; else S2 = 1; S3 = 0; /將積分輸入端接參考電壓 S4 = 1; /對(duì)調(diào)零電容斷開 S5 = 0; /積分電容非放電 P1_4=1; P1_5=1; P1_6=0; TMOD |=0x90; TH1 =0x00; TL1 =0x00; ET1=1; TR1=1; EA=1; /S6 = 0; while( state =second_integral ) if(cmp_in = 0) regser = 0x00ff&TH1; regser<<=8; regser = regser+TH0; state = Operation

20、; void Operation_display () uchar a,b,c,d,e; uchar vref = 20; float result; uint midle ; P1_4=0;P1_5=0; P1_6=1; if(change_in = 0)S2 = 0; /接入放大器 else S2 = 1;S3 = 1; /將積分輸入端接非參考電壓S4 = 1; /對(duì)調(diào)零電容充電S5 = 1; /積分電容非放電/S6 = 1; /參考電壓電容充電 result = (float)regser)/6)*vref); if(change_in = 0) result =result/9.262

21、5; midle = (uint)result; a = (uint)result/10000; midle = midle%10000; b = midle/1000; midle = midle%1000; c= midle/100; midle = midle%100; d= midle/10; e = midle%10; dis21 = a + 0x30; dis22 = b + 0x30; dis23 = c + 0x30; dis25 = d + 0x30; dis24 = '.' dis26 = e + 0x30; dis27 = 'm' dis28 = 'V' dis29 = ' ' else result =result/9.2500;/10.0019; midle = (uint)result; a = (uint)result/10000; midle = midle%10000; b = midle/1000; midle = midle%1000; c= midle