智能數(shù)字電壓表的設(shè)計..

1、匪1南丈謬*本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目智能數(shù)字電壓表設(shè)計學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)年級2009級學(xué)號姓名=_指導(dǎo)教師_成績2013年5月1日目錄摘要3Abstract40文獻綜述50.1數(shù)字電壓表的特點50.2電壓表發(fā)展歷程80.3智能數(shù)字電壓表的特點80.4國內(nèi)外發(fā)展特點90.5智能儀器發(fā)展趨勢91引言112整體設(shè)計112.1整體構(gòu)造112.2主要功能123智能數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計123.1量程自動轉(zhuǎn)換電路123.2自動零點調(diào)整電路153.3交流/直流自動轉(zhuǎn)換電路153.4真有效值電路163.4.1 AD736簡介163.4.2真有效值電路圖173.5A/D轉(zhuǎn)換電路173.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選型

2、依據(jù)173.5.2 ICL7135工作原理183.5.3 ICL7135引腳說明203.5.4 ICL7135與單片機接口電路223.6顯示電路253.6.1 LCD12864簡介253.6.2 LCD12864中的重要指令263.6.3 LCD12864與單片機的連接273.7數(shù)據(jù)輸出電路283.7.1CH375簡介283.7.2電路設(shè)計294智能數(shù)字電壓表軟件設(shè)計294.1輸入電路自檢294.2RAM的檢測304.3自動量程304.4數(shù)據(jù)處理315proteus仿真325.1交直流自動識別電路仿真325.2真有效值電路仿真345.3整體仿真356結(jié)論38參考文獻38致謝40附錄4133智能

3、數(shù)字電壓表設(shè)計摘要：本文在研究國內(nèi)外有關(guān)智能儀器的基礎(chǔ)上，采用單片機AT80C51作為的主控制器，設(shè)計了一款智能數(shù)字電壓表。該電壓表可實現(xiàn)交直流電壓的測量、完成量程的自動轉(zhuǎn)換、結(jié)果的液晶顯示、數(shù)據(jù)輸出等功能。本設(shè)計通過逐步分析各個子電路的原理及作用，并結(jié)合Proteus進行仿真，全面地敘述了該系統(tǒng)的工作原理及功能。關(guān)鍵詞：單片機；電壓表；智能；ICL7135；仿真DESIGNOFINTELLIGENTDIGITALVOLTMETERAbstract:Inthepaper,onthebasisofstudyingofintelligentinstrumentathomeandabroad,ain

4、telligentdigitalvoltmeterwhichadoptsAT80C51singlechipascontrolcoreisdesigned.MeasurementofACandDCvoltage,selectionrangeautomatically,displayingtheresultsonliquidcrystalanddateoutputisfulfilledbythemeter.Analyzingtheworktheoryandfunctionofeachchild-circuitstepbystep,simulationbyProteus,itsyntheticall

5、ydetailsthetheoryandfunctionofthisdesign.Keyword:singlechip;voltmeter;intelligent;simulation0文獻綜述0.1數(shù)字電壓表的特點數(shù)字電壓表簡稱DVM（DigitalVoltmeter）,在1952年由美國NLS公司首次從電位差計的自動化過程中研制成功。50多年來，數(shù)字電壓表有了不斷的進步和提高。DVM的高速發(fā)展，使它已成為實現(xiàn)測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、電工測量，自動化測試系統(tǒng)等領(lǐng)域，數(shù)字電壓表已成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓具有以下特點：（1）顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)

6、確傳統(tǒng)的指針式電壓表必須借助與指針和刻度盤進行讀數(shù)。在讀數(shù)過程中不可避免地會引入人誤差。而數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)字顯示技術(shù)，使顯示結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的，不僅保證了讀數(shù)的客觀性與準(zhǔn)確性，還符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，能夠縮短讀數(shù)和記錄的時間。為了提高清晰度，有的電壓表采用字高為26mm的大屏幕LCD（液晶顯示器），而且增加了背光源，以便夜間觀察讀數(shù)。數(shù)字電壓表在數(shù)顯的基礎(chǔ)上，還增加了顯示各種標(biāo)志符的功能。這些標(biāo)志符中包括測量項目符號（例如DC、AC）,單位符號（mV、V、kV），特殊符號（如極性符號、電池低電壓指示符、讀數(shù)保持符），既便于讀數(shù)，又對操作人員給予明顯提

7、示。（2）顯示位數(shù)顯示位數(shù)通常為21位81個位。具體講，有21位、3位、31位、3丄位、33位、2 222244位、41位、43位、5位、51位、6位、61位、71位、81位共14種。國外最近還推242222出83位和101位數(shù)字儀表。42判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：能顯示從09所有數(shù)字的位是整數(shù)位；分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時最高位數(shù)字作分母。例如，某數(shù)字儀表的員大顯示值為土1999，滿量程計數(shù)值為2000，這表明該儀表有3個整數(shù)位，而分數(shù)位的分子為1,分母是2,故稱之為31位，讀作三位半，其最高位只能顯示20或1。（3）準(zhǔn)確度高數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度是測量結(jié)果中系

8、統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映測量誤差的大小。一般講準(zhǔn)確度愈高，測量誤差愈小，反之亦然。數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度遠優(yōu)于指針式電壓表，指針式電壓表的準(zhǔn)確度只有7個等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。普通31位數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度已可達土0.1%,2而41位DVM為土0.01%。2（4）分辨力高數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所對應(yīng)的電壓值，稱作儀表的分辨力，它反映出儀表靈敏度的高低。數(shù)字電壓表的分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。例如，31位2DVM的最高分辨力為100卩V，41位、51位DVM分別為10卩V、1卩V。71位、81位的2222最高分

9、辨力依次為10nV,1nV。數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)也可用分辨率表示。分辨率是指能顯示的最小數(shù)字（零除外）與大數(shù)字之比，通常用百分數(shù)表示。例如，31各位DVM的分辨率為丄0.05%。21999同理可計算出，41位和51位DVM的分辨率依次為0.005%、0.0005%。22需要指出，分辨力與準(zhǔn)確度屬于兩個不同的概念。前者表征儀表的“靈敏性”，即對微小電壓的“識別”能力；后者反映測量的“準(zhǔn)確性”，即測量結(jié)果與真值的一致程度。二者無必然的聯(lián)系，因此不能混為一談，更不得將分辨力（或分辨率）誤以為是類似于準(zhǔn)確度的一項指標(biāo)。實際上分辨力僅與儀表的顯示位數(shù)有關(guān)，而準(zhǔn)確度則取決于A/D轉(zhuǎn)換器、功能轉(zhuǎn)換器的綜合

10、誤差以及量化誤差。從測量角度看，分辨力是“虛”指標(biāo)（與測量誤差無關(guān)），準(zhǔn)確度才是“實”指標(biāo)（它決定測量誤差的大?。?。因此，任意增加顯示位數(shù)來提高儀表分辨力的方案是不可取的。原因就在于這樣達到的高分辨力指標(biāo)將失去意義。換言之，從設(shè)計數(shù)字電壓表的角度看，分辨力應(yīng)受到準(zhǔn)確度的制約，有多高的準(zhǔn)確度，才有與之相適應(yīng)的分辨力。（5）測量范圍寬多量程數(shù)字電壓表通?？蓽y01000V的直流電壓，配上高壓探頭還可測量幾千伏乃至上萬伏的高壓。（6）擴展能力強在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，還可以擴展成各種專用及通用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表。僅以電壓類型的儀表為例，就可劃分成直流數(shù)字電壓表、交流數(shù)字電壓表、峰值數(shù)字電壓表、真有效值

11、數(shù)字電壓表、數(shù)字電平表、邏輯電平測試儀等等。（7）測量速率快數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)，叫測量速率，單位是“次/s”。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。也有的DVM用測量周期來表示測量的快慢。完成一次測量過程所用的時間叫測量周期，它與測量速率成倒數(shù)關(guān)系。3 1位、4丄位DVM的測量速率一般在10次/s以下。51位8丄位DVM一般在幾2222十次/s左右，有些能達到幾百甚至上千次/s。目前，數(shù)字電壓表的最高測量速率已達到10萬次/s。（8）輸入阻抗高數(shù)字電壓表具有很高的輸入阻抗，通常為10MolOOOMo。最高可達106Mo。這樣在測量時從被測電路上吸取的電流極小，不會影響被測信

12、號源的工作狀態(tài)，由此可減小由信號源內(nèi)阻帶來的附加誤差。（9）集成度高、微功耗手持式數(shù)字電壓表采用單片A/D轉(zhuǎn)換器，外圍電路比較簡單，只需要少量輔助芯片和外圍元器件。新型數(shù)字電壓表普遍采用CMOS大規(guī)模集成電路，整機功耗很低。3丄位、24 1位手持式數(shù)字電壓表的整機功耗僅為幾十毫瓦,5丄位8丄位數(shù)字電壓表的總功耗一222般也只有幾瓦至幾十瓦。（10）抗干擾能力強噪聲干擾大致分兩類。一類是串模干擾，干擾電壓與被測信號串聯(lián)后加至儀表的輸入端另一類是共模干擾。干擾電壓同時加于儀表的兩個輸入端。衡量儀表抗干擾能力的技術(shù)指標(biāo)也有兩個：串模抑制比（SMRR）和共模抑制比（CMRR）。5 1位以下的數(shù)字電壓表

13、大多采用雙積分式或多重積分式A/D轉(zhuǎn)換器，只要采樣時2間（即正向積分時間）等于串模信號周期的整倍數(shù)，就能有效地抑制串模干擾。這是因為串模干擾電壓在正向積分階段被平均掉的緣故。中、低檔數(shù)字電壓表的共模抑制比可達80120dB.SMRR可達lOOdB左右。高檔數(shù)字電壓表大多采用數(shù)字濾波和浮地保護等技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力，其CMIRR可達100180dB,SMRR為lOOdB左右。0.2電壓表發(fā)展歷程(1) 模擬式電壓表。模擬式電壓表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式和力學(xué)式，電壓表基于電磁測量原理和力學(xué)轉(zhuǎn)換原理并用指針來顯示最終的測量結(jié)果。(2) 數(shù)字電壓表。DVM的基本原理是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號

14、后進行測量，并將測量結(jié)果以數(shù)字形式進行顯示與輸出。(3) 智能數(shù)字電壓表。智能DVM是指能在計算機的控制下，通過各種測量傳感器將被測信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計算機進行計算與處理，并根據(jù)實際要求進行各種操作的智能儀器。0.3智能數(shù)字電壓表的特點智能DVM的出現(xiàn)，極大地擴充數(shù)字電壓表應(yīng)用范圍，它廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個部門，不但在國防技術(shù)、航空、航天、鐵路、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟建設(shè)有著巨大的影響。智能數(shù)字電壓表除了具有普通數(shù)字電壓表的技術(shù)指標(biāo)外，還具有以下特點：(1) 智能DVM實用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關(guān)來實施對儀器的控制，從而使儀器面板

15、的布置和儀器內(nèi)部有關(guān)部件的安排不再互相限制，可完全獨立地進行，明顯改善了儀器前面板及有關(guān)功能部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這樣既有利于提高數(shù)字電壓的技術(shù)指標(biāo)也方便了操作。(2) 微處理器的運用極大地提高了儀器的性能。智能DVM利用微處理器的運算和邏輯判斷能力，可以按一定的算法方便地消除由于漂移、增益的變化和干擾等因素所引起的誤差，因而提高了儀器的測量精度。智能DVM除了測量功能外還有很強的數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。而且由于采用了微處理器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表只能測量交直流電壓，而智能數(shù)電壓表不僅能進行上述

16、測量，而且還具有對測量結(jié)果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，讓用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來。(3) 智能DVM運用微處理器的控制功能，可以實現(xiàn)自動化測量。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。(4) 智能DVM具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能數(shù)字電壓能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。（5）智能DVM具有友好的人機對

17、話能力。操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能DVM還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。0.4國內(nèi)外發(fā)展特點國外智能儀器的發(fā)展特點：（1）新技術(shù)的應(yīng)用，普遍采用EDA（電子設(shè)計自動化）、CAM（計算機輔助設(shè)計）、CAT（計算機輔助測試）、DSP（數(shù)字信號處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術(shù)）等。（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化注重性能價格比，在重視高檔儀器開發(fā)的同時注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)和產(chǎn)品軟件化。隨著各類儀器裝上中央處理器CPU,實

18、現(xiàn)數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力。（3）產(chǎn)品的開發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生了質(zhì)變從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，從一味追求高精轉(zhuǎn)為“恰到好處”。開發(fā)成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是用戶在明確的要求，能用最短的開發(fā)時間投放市場，功能和性能要恰到好處。產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則的另一變化是收縮方向，集中優(yōu)勢。（4）生產(chǎn)技術(shù)注重專業(yè)生產(chǎn)自動化。生產(chǎn)線是一個集生產(chǎn)、測試、統(tǒng)計、分析、打印、包裝為一體的系統(tǒng)。數(shù)字電壓表是在20世紀60年代問世的。我國的數(shù)字電壓表工業(yè)起步于20世紀70年代中期，先后經(jīng)歷了引進、發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新這3個階段。近年來，我國的儀器儀表需求量劇增，是發(fā)展最快的國家之一，在發(fā)展中國家行列，我國是儀器儀表行業(yè)最大最齊全、綜合實力最強

19、的一個國家。一些中低檔產(chǎn)品已具有規(guī)模優(yōu)勢和國際市場競爭力。目前，我國數(shù)字萬用表的產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界首位，每年生產(chǎn)近千萬臺（塊）中、低檔數(shù)字萬用表，并向100多個國家大量出口，占世界中、低檔數(shù)字萬用表總產(chǎn)量的85%以上，但目前我國所需要的高檔數(shù)字萬用表以進口產(chǎn)品為主。0.5智能儀器發(fā)展趨勢（1）微型化微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。(2)多功能化多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設(shè)計速度較快和結(jié)構(gòu)較

20、復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)廠家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上如準(zhǔn)確度比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。(3) 人工智能化人工智能是計算機應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺圖形及色彩辨讀、聽覺語音識別及語言領(lǐng)悟、思維推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想等方面具有一定的能力。(4) 網(wǎng)絡(luò)化伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系

21、統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。(5) 虛擬儀器測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”。1引言在電氣測量中，電壓是一個很重要的參數(shù)。如何準(zhǔn)確地測量模擬信號的電壓值，一直是

22、儀器研究的內(nèi)容之一。數(shù)字電壓表是通用儀器中使用較廣泛的一種測試儀器，很多電量或非電量經(jīng)變化后都用可數(shù)字電壓表完成測試。因此，數(shù)字電壓表被廣泛地應(yīng)用于科研和生產(chǎn)測試中。作為電子測量工具，電壓表的要求也越來越高，傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表不僅使用不方便，而且測量的精度也往往達不到要求。在現(xiàn)代電子科技的高速發(fā)展過程中，智能化已經(jīng)成為一種趨勢，電壓表也不例外。本設(shè)計利用單片機系統(tǒng)結(jié)合A/D采集芯片，能夠自動進行量程選擇，并且測量結(jié)果能夠通過大屏幕LCD顯示，并且具有自檢、自動調(diào)零等功能，利用軟件的一系列算法，提高測量精度，測量時使用方便，攜帶也方便，符合科技潮流的發(fā)展，具有一定的智能性。本文將就這一系統(tǒng)的硬件電

23、路部分和軟件程序部分分別作以介紹。2整體設(shè)計2.1整體構(gòu)造智能數(shù)字電壓整體構(gòu)造如圖2-1所示，采用單片機作為主處理器，系統(tǒng)主要由信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、USB通信等幾個功能模塊組成，由單片機控制各個模塊的功能。微處理器選用AT80C51，該單片機體積小、功能全、價格低，它自身就是一個完備的計算機，內(nèi)含32個I/O口，時鐘電路，ROM,RAM,有強大的指令控制功能，非常適合用于智能儀器。圖2-1系統(tǒng)整體構(gòu)造圖Fig.2-1completesystemstructure2.2主要功能(1) 測量電壓W1000V；(2) 自動量程；(3) 交直流自動識別；(4) 交流電壓真有效值測量;(5) 中

24、文顯示；(6) 操作提示；(7) 故障自診斷；(8) USB接口輸出。3智能數(shù)字電壓表的硬件設(shè)計3.1量程自動轉(zhuǎn)換電路量程自動轉(zhuǎn)換是繼電器開關(guān)在單片機的控制下，形成不同的通斷組合，從而形成不同的量程，控制原理如圖3-1-1所示。輸入端圖3-1-1自動量程原理圖Fig.3-1-1principleofselectionrangeautomatically量程的自動轉(zhuǎn)換首先從最高量程開始，利用單片機得到的測量值來判定檔位是否合適。如果最高量程有超量程現(xiàn)象，則立刻斷開輸入端，起保護儀器的作用，并作超量程處理，如果欠量程，則逐一用低量程測量，直到找到適合的量程，量程自動轉(zhuǎn)換過程如圖3-1-2所示。圖3

25、-1-2量程自動轉(zhuǎn)換過程Fig.3-1-2processofselectionrangeautomatically自動量程電路主要由精密電阻，繼電器開關(guān)及運算放大器組成，由單片機控制，如圖3-1-3所示。圖3-1-3輸入電路Fig.3-1-3inputcircuit為了防止在測量時發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，例如量程設(shè)計為IV10V,10V100V時，當(dāng)被測電壓在10V上下波動時，將導(dǎo)致微處理器對繼電器開關(guān)的控制產(chǎn)生混亂。所以在量程設(shè)計時要有一定得重疊范圍，并且滿足A/D轉(zhuǎn)換器2V量程的要求，經(jīng)計算，量程設(shè)定為：00.12V,0.1V1.2V,1V12V,10V120V，100V1000V共五個檔位。1.1

26、00V1000V量程繼電器開關(guān)RL6導(dǎo)通，輸入電壓經(jīng)電阻分壓后輸出，在這個狀態(tài)下最大輸出電壓為Umax=1000X丄=1V。10002.10V120V量程繼電器開關(guān)RL5導(dǎo)通，在這個狀態(tài)下最大輸出電壓為Umax=120X丄=1.2V。1003.1V12V量程繼電器開關(guān)RL4導(dǎo)通，在這個狀態(tài)下最大輸出電壓為Umax=12X丄=1.2V。104.0.1V1.2V量程繼電器開關(guān)RL3導(dǎo)通，在這個狀態(tài)下最大輸出電壓為Umax=1.20X1=1.2V。5.00.12V量程繼電器開關(guān)RL1，RL2,RL3導(dǎo)通，輸入電壓被放大10倍后輸出，在這個狀態(tài)下最大輸出電壓為Umax=0.12X10=1.2V。在使用

27、繼電器開關(guān)時應(yīng)注意，因為單片機輸出口的電流很小，無法驅(qū)動繼電器，所以在繼電器輸入端應(yīng)該接一個PNP三極管，用來放大電流，驅(qū)動繼電器工作。而為了保護此三極管的正常工作，還應(yīng)加上一個二極管來保護三極管不被過流擊穿，此二極管在實際應(yīng)用中非常重要。繼電器使用如圖3-1-4所示。2+5V11s£廠1.L繪曲剛*_X圖3-1-4繼電:器的勺使用Fig.3-1-4theuseofrelay3.2自動零點調(diào)整電路如圖3-1-3所示，在測量前，單片機控制繼電器RL8接通，儀器的輸入端接地，啟動一次測量，將測量Uos結(jié)果存入單片機中，這個值就是衰減器，放大器,A/D轉(zhuǎn)換器等部件的零點偏移量。這個零點偏移

28、量很小，因此選擇00.12V量程來測量。然后將繼電器釋放，測量被測信號，此時的測量值Uox是實際的測量值和Uos之和，單片機在處理數(shù)據(jù)時，用Uox減去Uos，這時所得到的計算值就是被測信號的實際值，再加以顯示，這樣就有效地消除了硬件電路零點漂移對測量結(jié)果的影響。3.3交流/直流自動轉(zhuǎn)換電路普通數(shù)字電壓表必須依靠手動操作，才能完成交流/直流轉(zhuǎn)換，從AC檔一到DC檔，或由DC檔一AC檔，但到而采用了單片機后，可以給數(shù)字電壓表增加AC/DC自動轉(zhuǎn)換功能，使操作更為方便。自動轉(zhuǎn)換電路如圖3-4-1所示，該電路包含三部分：1.電壓放大器；2隔直電路；3整流電路。輸入端R1100KC1rHF-c0.056

29、U1MR4IC2申-12VR5100KLM3247KR10.FC圖3-3-1交流/直流自動轉(zhuǎn)換Fig.3-3-1ACorDVselectionautomatically輸入端接的是經(jīng)輸入電路處理后輸出的電壓，當(dāng)輸入端為交流電壓時，由IC1進行電壓放大后，經(jīng)電容C1耦合到IC2,二極管組成橋式整流電路。整流后的電壓使三極管Q1導(dǎo)通，F(xiàn)C變?yōu)榈碗娖?，儀表自動轉(zhuǎn)換為交流電壓測量模式。當(dāng)輸入的為直流電壓，就被電容C1隔斷，此時整流電路器輸出為零，由于FC端接有上拉電阻，這時FC=1（高電平），儀表自動轉(zhuǎn)入直流電壓測量模式。3.4真有效值電路目前，普通數(shù)字表在測量交流電壓時大多米用平均值原理，只能測量不

30、失真的正弦波的有效值，故受到波形失真度的限制而影響測量準(zhǔn)確度和使用范圍。真有效值數(shù)字儀表可以測量任何復(fù)雜波形，而不必考慮波形種類和失真度的優(yōu)勢以及測量準(zhǔn)確度高、頻帶范圍寬、響應(yīng)速度快的優(yōu)點而得到廣泛推廣。在智能數(shù)字電壓表設(shè)計中，為了提高測量準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、改善線性、提高頻率響應(yīng)特性，本文采用高精度AD736芯片作為真有效值轉(zhuǎn)換器。3.4.1AD736簡介AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為20

31、0yA。AD736采用雙列直插式8腳封裝，其管腳排列如圖3-4-1所示：ccmCFvs圖3-4-1AD736芯片F(xiàn)ig.3-4-1AD736chip各管腳的功能如下：+VS：正電源端，電壓范圍為2.816.5V；-VS：負電源端，電壓范圍為-3.2-16.5V；CC：低阻抗輸入端，用于外接低阻抗的輸入電壓（W20（mv）,通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連，通常Cc的取值范圍為1020yF。當(dāng)此端作為輸入端時，第2腳VN應(yīng)接到COM；vin:高阻抗輸入端，適合于接高阻抗輸入電壓，一般以分壓器作為輸入級，分壓器的總輸入電阻可選10MQ，以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種

32、為輸出AC+DC方式。該方式將1腳（CC）與8腳（COM）短接，其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和；第二種方式為AC方式。該方式是將1腳經(jīng)隔直電容Cc接至8腳，這種方式的輸出電壓為真有效值，它不包含直流分量。COM:公共端；Vo：輸出端；CF:輸出端濾波電容，一般取10pF；CAV:平均電容。它是AD736的關(guān)鍵外圍元件，用于進行平均值運算。其大小將直接響應(yīng)到有效值的測量精度，尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33yF。3.4.2真有效值電路圖由于AD736轉(zhuǎn)換的電壓不能超過200mV，而經(jīng)輸入電路后的電壓最高為1.2V，因此必須經(jīng)分壓后才能進行真有效值轉(zhuǎn)換，電路圖3-4-2如圖所示。R

33、61U半+1ZV輸ASR5m3Z+5uAJ.GZ+->-C4口.1UFR41D：T-1ZVR31OcCFOUTVIMCAVCCVB-COM3R21UC2HI-_口.1uFC91DJFAtiTC333JF-a圖3-4-2真有效值電路Fig.3-4-2circuitofRSM3.5A/D轉(zhuǎn)換電路3.5.1A/D轉(zhuǎn)換器的選型依據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，用于智能儀器設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近式、積分式、并行式和改進型四類。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時間一般在s級，轉(zhuǎn)換精度一般在0.1%上下，適用于一般場合。積分式A/D轉(zhuǎn)換器的核心部件是積分器，因此速度慢，其轉(zhuǎn)

34、換時間一般在ms及或更長。但抗干擾性能強，轉(zhuǎn)換精度可達0.01%或更高。適合在數(shù)字電壓表類儀器中采用。并行式又稱閃爍式，由于采用并行比較，因而轉(zhuǎn)換速率可以達到很高，其轉(zhuǎn)換時間可達ns級，但抗干擾能力較差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位。這類A/D轉(zhuǎn)換器可用于數(shù)字示波器等轉(zhuǎn)換要求較快的儀器中。改進型為滿足某種搞性能指標(biāo)而改進或復(fù)合而成的，主要用于以高精度數(shù)字電壓表為基礎(chǔ)的智能儀器中。本設(shè)計選用適合在數(shù)字電壓表中采用的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點：(1) 抗干擾能力強因為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與輸入信號的平均值成正比，因而對疊加在輸入信號上的交流干擾有良好的抑制作

35、用，即串模干擾抑制能力較大。50Hz的工頻干擾一般是最主要的串模干擾成分，如果選定采樣時間T的時間為工頻周期20ms的整數(shù)倍，則工頻干擾在理想情況下可以完全消除。(2) 性價比高雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器在A/D轉(zhuǎn)換的過程中使用了同一積分器，又使用同一時鐘，因此對積分器和時鐘的指標(biāo)都要求不高，成本較低。本設(shè)計選用ICL7135A/D轉(zhuǎn)換器，ICL7135是4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出土20000個數(shù)字量，滿量程為2V,與微機接口十分方便。ICL7135具有精度高(相當(dāng)于14位A/D轉(zhuǎn)換)，價格低的優(yōu)點。3.5.2ICL7135工作原理ICL7135轉(zhuǎn)換器的工作原理圖如圖3-5-1所示。F

36、ig.3-5-1operatingprincipleofICL7135第一階段T,模擬開關(guān)S1導(dǎo)通，其余各模擬開關(guān)斷開，此階段可稱為對輸入電壓積分采樣階段。通常，在進入此階段之前，積分器的輸出已被復(fù)零。所以，當(dāng)輸入電壓Vi為正時，積分器輸出向負漸增；當(dāng)輸入匕為負時，積分器輸出向正漸增，如圖3-5-2所示。積分器輸出電壓的變化速率與輸入電壓成正比：(3-1)AVVINT=i-AtRC 匕較小時之積分器輸'岀波形 匕較大時之積分器輸出波形V,>0 1匕丨較小時之積分器輸出被形 V,丨較大時之積分輸岀波形V.<0圖3-5-2積分器輸出電壓波形Fig.3-5-2outputwave

37、formofintegrator采樣階段所經(jīng)歷的時間T1(T1=t1-t0)是一常值。它常常以計數(shù)器對時鐘脈沖f計數(shù)來1'110，cp確定。例如，計數(shù)器以0累計到N1所對應(yīng)的時間N1XT=N1/f作為T，也就是說計11cp1cp1數(shù)器從0計到N1所經(jīng)歷的時間作為對輸入電壓的積分階段。T階段結(jié)束時刻積分器之輸出電壓為：V=Jl-dt=丄Jl1Vdt=丄VT(3-2)inttRCRCtiRCii00式中之V表示在T1階段中V.之積分平均值，如果輸入電壓V.是常值，則V=V.。將i111iiT1=N1/f代入上式，即可得11cp1_NV=-丄V丄(3-3)INTRCifcp第二階段T2(T2

38、=t2-t1)，模擬開關(guān)S2或S3導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開。此階段可稱為對參考電壓回積階段。如果采樣階段T1中匕>0,貝V,T2階段S2導(dǎo)通，S3斷開，使積分器之輸出從一開始的-V.T/RC回積到0。反之，如果-階段中V.V0，則T2階段S3導(dǎo)通,S2斷開，使積分器之輸出從一開始的+ViT1/RC回積到0。VINT在T2階段的波形如圖3-5-2所示。由于T2階段積分器對固定的參考電壓積分，所以Vint之斜率不變。根據(jù)回積過程，t2階段的時間長度決定于：nVT1VTVT0=i1+J2Vdt=i1+R2-RCRCtRRCRCi即T二TV(3-4)21VR此式表明，在T1和VR均為常數(shù)時，T2與V成

39、正比，實現(xiàn)了V/T轉(zhuǎn)換。如果T2也用同一時鐘脈沖f對計數(shù)器計數(shù)來測量，則在此階段中計數(shù)器所累計的2cp數(shù)N2=T2f。將此關(guān)系和叫=丁一起代入式(3-4),即可得出22cp11cpVN二N-21VR最終的結(jié)果表明，計數(shù)器在T2階段中所累計的時鐘脈沖個數(shù)N2正比于被測電壓在T1階段中的平均值V。i3.5.3ICL7135引腳說明ICL7135為DIP28封裝，芯片引腳排列如圖3-5-3所示，引腳功能及含義如下：(1)與供電及電源相關(guān)的引腳(共7腳)-V：ICL7135負電源引入端，典型值-5V,極限值-9V；+V：ICL7135正電源引入端，典型值+5V，極限值+6V；DGND:數(shù)字地，ICL7

40、135正、負電源的低電平基準(zhǔn)；REF：參考電壓輸入，REF的地為AGND引腳，典型值1V；AC：模擬地，典型應(yīng)用中，與DGND(數(shù)字地)一并接地；INHI：模擬輸入正；INLO:模擬輸入負，當(dāng)模擬信號輸入為單端對地時，直接與AC相連。UNDERRAhlGEOVERRANGESTROBER；HDIGITALGNDPOLCLOCK(NBUSY(LSD)DID2D3D4(MSB!0BREFEREh4CEANALOGCOMMOM(NTOUTAZ削BUFFOUTREFCAP-PEFCAP+1WLONHIV+(MSD)D6LSB)BlB2圖3-5-3ICL7135芯片引腳Fig.3-5-3pinsofIC

41、L7135chip（2）與控制和狀態(tài)相關(guān)的引腳（共12腳）CLKIN：時鐘信號輸入。當(dāng)T=80ms時，fcp=125kHz,對50Hz工頻干擾有較大抑制能力，此時轉(zhuǎn)換速度為3次/s。極限值fcp=1MHz時，轉(zhuǎn)換速度為25次/s；cpREFC+:外接參考電容正，典型值1“FREFC-：外接參考電容負；BUFFO：緩沖放大器輸出端，典型外接積分電阻；INTO：積分器輸出端，典型外接積分電容；AZIN：自校零端；LOW:欠量程信號輸出端，當(dāng)輸入信號小于量程范圍的10%時，該端輸出高電平;HIGH：過量程信號輸出端，當(dāng)輸入信號超過計數(shù)范圍（20001）時，該端輸出高電平;STOR:數(shù)據(jù)輸出選通信號（

42、負脈沖），寬度為時鐘脈沖寬度的一半，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，該端輸出5個負脈沖，分別選通由高到低的BCD碼數(shù)據(jù)（5位），該端用于將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到并行I/O接口；R/H：自動轉(zhuǎn)換/停頓控制輸入。當(dāng)輸入高電平時，每隔40002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸入為低電平時，轉(zhuǎn)換結(jié)束后需輸入一個大于300ns的正脈沖，才能啟動下一次轉(zhuǎn)換；POL:極性信號輸出，高電平表示極性為正；BUSY：忙信號輸出，高電平有效。正向積分開始時自動變高，反向積分結(jié)束時自動變低;（3）與選通和數(shù)據(jù)輸出相關(guān)的引腳（共9腳）；B8B1：BCD碼輸出。B8為高位，對應(yīng)BCD碼；D4D1：千，百，十，個位選通。3.5.4ICL7

43、135與單片機接電路ICL7135其轉(zhuǎn)換速度與時鐘頻率相關(guān)，每個轉(zhuǎn)換周期均有：自校準(zhǔn)（調(diào)零），正向積分（被測模擬電壓積分），反向積分（基準(zhǔn)電壓積分）和過零檢測四個階段組成，其中自校準(zhǔn)時間為10001個脈沖，正向積分時間為10000個脈沖，反向積分直至電壓到零為止（最大不超過20001個脈沖）。圖3-5-4給出了ICL7135時序，由圖可見，當(dāng)BUSY變高時開始正向積分，反向積分到零時BUSY變低，所以BUSY可以用于控制計數(shù)器的啟動/停止。圖3-5-4ICL7135時序Fig.3-5-4sequencediagramofICL7135在ICL7135與單片機系統(tǒng)進行連接時，如果使用ICL713

44、5的并行采集方式，則不但要連接BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，又要連接BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動信號輸出端，這樣至少需要9根I/O口線。因此，系統(tǒng)的連接比較麻煩，且編程也非常復(fù)雜。而ICL7135的串行接法是通過計脈沖數(shù)的方法來獲得測量轉(zhuǎn)換結(jié)果的。這是因為其脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)換結(jié)果具有對應(yīng)關(guān)系。通過單片機AT80C51的定時器TO（也可以使用定時器T1）來計脈沖器。由于，定時器T0所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。因此可利用單片機的ALE信號作為ICL7135的脈沖（CLK）輸入。但要注意，在軟件設(shè)計編程中，若指令中不出現(xiàn)MOVX指令，ALE端產(chǎn)生的脈沖頻率將是晶振的1/6。至此，便可找到定時器所使用的頻率與單

45、片機系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系，以及ICL7135所需的頻率輸入與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系。為了使定時器TO的計數(shù)脈沖的ICL7135工作所需的脈沖同步，可以將ICL7135的BUSY信號接至的P3.2（INTO）引腳上。此時定時器T0是否工作將受BUSY信號的控制。由上述時序圖可知，當(dāng)ICL7135開始工作時，即在正向積分開始時，也就是ICL7135的BUSY信號跳高時，定時器T0才開始工作，且定時器TO所記錄的數(shù)據(jù)與ICL7135的測試脈沖（從正向積分開始到反向積分相結(jié)束這一區(qū)域內(nèi)的脈沖稱為測量脈沖）存在一定的比例關(guān)系。在這種情況下，由于定時器TO和ICL7135所用的時鐘不是同一路。因此，應(yīng)當(dāng)找

46、到定時器TO所記錄的數(shù)據(jù)和測量脈沖之間的某種比例關(guān)系。其比例關(guān)系如下：Ftime二Fosc/12Fale二Fosc/6Freal二Fosc/24Ficl=Fale/N其中，F(xiàn)osc為系統(tǒng)晶振頻率；Ftime為定時器所用頻率；Fale為單片機ALE輸出的頻率；Freal為ICL7135的測量脈沖頻率；Ficl為ICL7135所用的輸入頻率，該頻率可通過Dale分頻得到。N為分頻比，該系統(tǒng)中N選為4。本設(shè)計取AT80C51的外接晶振fosc=6MHz,則ALE輸出約為1MHz,將ALE信號輸入74HC4040（如圖3-5-5）的CLK引腳。CD4040是由12個T型觸發(fā)器組成的串行二進制計數(shù)器/分

47、頻器，有12個分頻輸出端，Q1Q12，最大分頻系數(shù)為212=4096，由于74HC4040的所有輸入，輸出端都設(shè)有緩沖器，所以有較好的噪聲容限。CD4040的Q2輸出是對ALE進行了22=4分頻，故輸入ICL7135的時鐘為1MHz/4=250kHz，可得TCP=1/250Hz=0.004ms，正向積分時間T為0.004X10000=40ms，為工頻周期20ms的整數(shù)倍，可消除50Hz的工頻干擾。而且這一頻率，使AT80C51的16位計數(shù)器能一次計數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的脈沖數(shù)。在滿電壓輸入時，BUSY寬度為正向積分10000個CP脈沖，反向積分20001個脈沖（總計30001個CP脈沖）。在fosc=

48、6MHz情況下，AT80C51內(nèi)部定時頻率為6MHz/12=500kHz，比ICL7135時鐘頻率250kHz大了1倍。在滿刻度電壓輸入時，定時器計數(shù)值應(yīng)為30001X2=60002,不超過AT80C51的16位計數(shù)的最大可計數(shù)值（216）。要得到測量脈沖的個數(shù)，只需在測量結(jié)束時，將定時器所記錄的脈沖個數(shù)除以2即可，而要得到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對應(yīng)的脈沖數(shù)則應(yīng)用測量脈沖的個數(shù)減去，再減去10001（2711H），余數(shù)就是通過輸入電路后的電壓值。這些轉(zhuǎn)換通常可通過軟件完成,因此非常簡單。通過A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對應(yīng)的脈沖數(shù)可得到被測的模擬量。通過對串行方式的討論可以看出：使用這種方法可以不再使用芯片來擴

49、展口線。其優(yōu)點是占用口線少，能節(jié)省系統(tǒng)的硬件資源，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，不用添加任何擴展口線器件，從而使系統(tǒng)的成本得到降低。ICL7135與單片機的連接電路如圖3-5-6所示。KCL11012345678901QQQQQQQQQQ11QQ74HC4040圖3-5-574HC4040Fig.3-5-574HC4040R3010kBAALEPSENRSTXTAL2>XTAL18DC51NET=PD15A:31417C6T30PC7T30PC822U-IppppppppP3.7/RDP3.6/WRP3.5XT1P3.4.-TUP3.3/iNTTP3.2/INTDP3.irn(DP3.D/RKD

50、P2.7XA15P2.6XA14P2.5XA13P2.4/A12P2.3XA11P2.2/A1DP2.1伽P2.D倔PLi.T/AU?PU.6/AD6PU.5/AD5PU.4/aE4PD.3/AD3PLL2/AD2PU.1/AD1PU.D/ELiU12MR22U2R24輸入端<=100kC50.1uFQ11Q1DQ9Q8Q7Q605Q4Q302QIQDCLKINVhINHIUNRINLOOVRPOLREFBUSYRUN/HOLDACOMSTROBEBl(QSl)INTB2日斗ByESN圧D1(QS1)D2BUFD：jD4D5CREF-GND7CREF+9D987242111122613F

51、WZ25s-732-2-2ID2¥3C45C3IID.47uF6II1uFR2671DDk81ICL7135C131uFw-5V圖3-5-6ICL7135與單片機連接電路Fig.3-5-6circuitofsinglechipconnecttoICL71353.6顯示電路普通數(shù)字電壓表通常采用LED顯示，屏幕小，不能顯示中文字符，本設(shè)計采用大屏幕LCD12864來顯示測量結(jié)果，并可顯示測量時的量程。3.6.1LCD12864簡介LCD12864分為兩種，帶字庫的和不帶字庫的，不帶字庫的液晶在顯示漢字的時候可以選擇自己喜歡的字體。而帶字庫的液晶，只能顯示相應(yīng)的字體，也可以用圖片的形式顯

52、示其他的字體。下面介紹不帶字庫的LCD12864，以Proteus中的AMPIRE128X64為例，如圖3-6-1所示，它的液晶驅(qū)動器為KS0108。圖3-6-112864液晶Fig.3-6-1LCD12864LCD12864的引腳功能如表3-6-2所示。表3-6-2LCD12864的引腳功能Tab.3-6-2pinsfunctionofICL7135引腳符號狀態(tài)引腳名稱功能CS輸入芯片片選端，都是低電平有效CS1=0開左屏幕，CS1=1關(guān)左屏幕CS2=0開右屏幕，CS2=1關(guān)右屏幕RS輸入數(shù)據(jù)/命令選擇信號RS=1為數(shù)據(jù)操作RS=0為寫指令或讀狀態(tài)RW輸入讀寫選擇信號R/W=1為讀選通R/W

53、=0為寫選通E輸入讀寫使能信號在E下降沿，數(shù)據(jù)被鎖存（寫）入液晶，在E高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出DB0DB7二態(tài)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)或指令的傳送通道RST輸入復(fù)位信號，低電平時復(fù)位復(fù)位時，關(guān)閉液晶顯示，使顯示起始仃為0，可以跟單片機的復(fù)位引腳RST相連,也可以直接接VCC，使之不起作用VO對比度（亮度）調(diào)整-VoutLCD驅(qū)動電壓輸出端如圖3-6-3所示，與帶字庫的液晶不同，此塊液晶含有兩個液晶驅(qū)動器，每塊驅(qū)動器都控制64*64個點，分為左右兩個屏幕顯示，總共為128*64個點（即有128X64個點）。這就是為什么AMPIRE128*64有CS1和CS2兩個片選端的原因。此液晶有8頁，一頁有8行點陣點，左

54、右各64列，共128列。Vaddress012ei62S3ROW1DtJU；PAGIE0X=DROWGDB7ROW9DBOIPAGEDX1ROW1五nrt?DBUPAGE6XGUBZOROEPAGE?X=7DBF圖3-6-3LCD12864屏幕Fig.3-6-3screenofLCD128643.6.2LCD12864中的重要指令（一）行（line）設(shè)置命令：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011xxxxxx由此可見顯示的起始行地址為0XC0，共64行。（二）頁（page）設(shè)置指令：RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111xxx起始頁地址為0XB8，因為液晶有64行點，分為8頁，每頁就有8行點。（三）列（column）地址設(shè)置指令RWRSDB7DB6DB5D