范一君-積分型直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)(共53頁)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - PAGE IV-摘 要在日常維修、教學(xué)和科研中，電壓表是不可缺少的。本課題目的就是(jish)以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表。本文首先介紹了數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀及課題的目的(md)和意義。然后，對(duì)基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及具體實(shí)現(xiàn)方案作以詳細(xì)介紹。該設(shè)計(jì)(shj)主要由三個(gè)模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由三斜積分構(gòu)成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量在傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片STC12C5410來完成，其負(fù)責(zé)把A/D傳送來的數(shù)字

2、經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；此外，它還控制著A/D工作。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電壓表；A/D轉(zhuǎn)換器；液晶顯示器AbstractIn routine maintenance, teaching and research, voltage meter is indispensable. A direct current digital voltage meter has been designed, which is based on MCU, and has a simple structure, reliable, flexible.Firstly，this paper

3、 introduced the development of the base on MCU digital voltage meter and the purpose and significance of topic. Then in details this paper described the design principle of hardware and software systems. And in details the hardware part present a discussion in hardware selection, design principles,

4、instructions and the function.The circuit of the voltage meter is mainly consisted of three mouldes: A/D conversion module, data processing module and display module. A/D conversion is mainly completed by the triclinic integral, It is responsible for the collection to the analog conversion to the co

5、rresponding digital quantity in transmitted to data processing module. Data processing is mainly completed by the STC12C5410 chip, it processes the data produced by the A/D chip and generates the right manifestation codes, also transmits the codes to the manifestation controlling moulde. Also, the S

6、TC12C5410 chip controls the A/D chip to work. Keywords：SCM;digital voltmeter;A/D converter;liquid crystal display目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc373168359 摘 要 PAGEREF _Toc373168359 h I HYPERLINK l _Toc373168360 Abstract PAGEREF _Toc373168360 h II HYPERLINK l _Toc373168361 第1章 緒論(xln) PAGEREF _To

7、c373168361 h 1 HYPERLINK l _Toc373168362 1.1 本課題(kt)研究的目的及意義 PAGEREF _Toc373168362 h 1 HYPERLINK l _Toc373168363 1.2 數(shù)字電壓表的發(fā)展(fzhn)狀況 PAGEREF _Toc373168363 h 1 HYPERLINK l _Toc373168364 1.2.1 所屬領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r PAGEREF _Toc373168364 h 1 HYPERLINK l _Toc373168365 1.2.2 數(shù)字電壓表的優(yōu)勢(shì) PAGEREF _Toc373168365 h 2 HY

8、PERLINK l _Toc373168366 1.3 積分型直流數(shù)字電壓表介紹 PAGEREF _Toc373168366 h 4 HYPERLINK l _Toc373168367 1.4 本文主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc373168367 h 5 HYPERLINK l _Toc373168368 第2章 系統(tǒng)方案的選擇6 HYPERLINK l _Toc373168369 2.1 總體方案的選擇6 HYPERLINK l _Toc373168370 2.2 對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇 PAGEREF _Toc373168370 h 6 HYPERLINK l _Toc373168

9、371 2.3 切換開關(guān)的選擇 PAGEREF _Toc373168371 h 7 HYPERLINK l _Toc373168372 2.4 顯示器件的選擇 PAGEREF _Toc373168372 h 8 HYPERLINK l _Toc373168373 2.5 單片機(jī)的選擇9 HYPERLINK l _Toc373168374 2.5.1 STC12C5410性能特點(diǎn) PAGEREF _Toc373168374 h 9 HYPERLINK l _Toc373168375 2.5.2 STC12系列單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc373168375 h 10 HYPERLIN

10、K l _Toc373168376 本章小結(jié) PAGEREF _Toc373168376 h 12 HYPERLINK l _Toc373168377 第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理 PAGEREF _Toc373168377 h 13 HYPERLINK l _Toc373168378 3.1 系統(tǒng)總體方案及框圖 PAGEREF _Toc373168378 h 13 HYPERLINK l _Toc373168379 3.2 主程序流程 PAGEREF _Toc373168379 h 13 HYPERLINK l _Toc373168380 3.3 輸入放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF _

11、Toc373168380 h 15 HYPERLINK l _Toc373168381 3.3.1 輸入放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc373168381 h 15 HYPERLINK l _Toc373168382 3.3.2 理論分析與計(jì)算 PAGEREF _Toc373168382 h 15 HYPERLINK l _Toc373168383 3.4 積分式A/D轉(zhuǎn)換器 PAGEREF _Toc373168383 h 16 HYPERLINK l _Toc373168384 3.4.1 積分式A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc373168384 h 16

12、HYPERLINK l _Toc373168385 3.4.2 三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器理論分析與計(jì)算 PAGEREF _Toc373168385 h 16 HYPERLINK l _Toc373168386 3.4.3 三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分 PAGEREF _Toc373168386 h 18 HYPERLINK l _Toc373168387 3.5 單片機(jī)計(jì)數(shù)、控制電路 PAGEREF _Toc373168387 h 19 HYPERLINK l _Toc373168388 3.6 顯示電路 PAGEREF _Toc373168388 h 20 HYPERLINK l _Toc3

13、73168389 3.6.1 顯示電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc373168389 h 20 HYPERLINK l _Toc373168390 3.6.2 1062液晶的參數(shù)資料 PAGEREF _Toc373168390 h 20 HYPERLINK l _Toc373168391 3.7 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc373168391 h 23 HYPERLINK l _Toc373168392 本章小結(jié) PAGEREF _Toc373168392 h 23 HYPERLINK l _Toc373168393 第4章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 PAGEREF _Toc373

14、168393 h 25 HYPERLINK l _Toc373168394 4.1 軟件(run jin)調(diào)試 PAGEREF _Toc373168394 h 25 HYPERLINK l _Toc373168395 4.2 分辨率和測(cè)量誤差 PAGEREF _Toc373168395 h 25 HYPERLINK l _Toc373168396 4.3 采樣速率(sl)測(cè)試 PAGEREF _Toc373168396 h 26 HYPERLINK l _Toc373168397 4.4 系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決(jiju)的方法 PAGEREF _Toc373168397 h 26 HYP

15、ERLINK l _Toc373168398 本章小結(jié) PAGEREF _Toc373168398 h 27 HYPERLINK l _Toc373168399 結(jié) 論 PAGEREF _Toc373168399 h 28 HYPERLINK l _Toc373168400 致 謝 PAGEREF _Toc373168400 h 29 HYPERLINK l _Toc373168401 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc373168401 h 30 HYPERLINK l _Toc373168402 附錄1 譯文 PAGEREF _Toc373168402 h 31 HYPERLINK l _

16、Toc373168403 附錄2 英文參考資料 PAGEREF _Toc373168403 h 36 HYPERLINK l _Toc373168404 附錄3 程序 PAGEREF _Toc373168404 h 42 - PAGE 49-緒論(xln)本課題研究(ynji)的目的及意義(yy)數(shù)字電壓表簡稱DVM，數(shù)字電壓表基本原理是將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在進(jìn)行輸出顯示。而A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，基本結(jié)構(gòu)是由采樣保持，量化，編碼等幾部分組成。因此A/D轉(zhuǎn)換是此次設(shè)計(jì)的核心數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)和開發(fā)，已經(jīng)有多種類型和款式。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表各有

17、特點(diǎn)。它們適合在現(xiàn)場做手工測(cè)量，要完成遠(yuǎn)程測(cè)量并要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理，傳統(tǒng)數(shù)字電壓表是無法完成的。然而基于單片機(jī)技術(shù)數(shù)字電壓表，既可完成測(cè)量數(shù)據(jù)的傳遞，又可進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表，專用數(shù)字儀表及各種非電子的數(shù)字化儀表幾乎覆蓋了電子電工測(cè)量，工業(yè)測(cè)量，自動(dòng)化儀表等各個(gè)領(lǐng)域。因此對(duì)數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，直流數(shù)字電壓表的應(yīng)用與推廣越來越廣泛，目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的單片機(jī)積分型測(cè)量電壓的儀器還十分有限，因此這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而具有無限前景的技術(shù)產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域。利用

18、單片機(jī)積分型直流數(shù)字電壓表可進(jìn)行進(jìn)一步精確的測(cè)量。數(shù)字電壓表之所以受到人們?nèi)绱饲嗖A，主要原因是具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。顯示清晰直觀讀數(shù)準(zhǔn)確，數(shù)字電壓表能避免人為測(cè)量誤差，保證讀數(shù)的客觀與準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確度高，分辨率高，擴(kuò)展能力強(qiáng)，測(cè)量速率快，輸入阻抗高，抗擾能力強(qiáng)，集成度高，微功耗，而且速度和自動(dòng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬式電壓表。在價(jià)格上，體積上，節(jié)能方面，也與模擬電壓表不相上下。數(shù)字電壓表取代模擬電壓表的趨勢(shì)已經(jīng)十分明朗了。數(shù)字電壓表的發(fā)展?fàn)顩r所屬領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)50年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)字儀器得以問世，把模擬儀器的準(zhǔn)確度、分辨率與測(cè)量速度提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)

19、測(cè)試自動(dòng)化打下了良好的基點(diǎn)。60年代中期，測(cè)量技術(shù)又一次取得了進(jìn)展，計(jì)算機(jī)的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個(gè)別電量的測(cè)量轉(zhuǎn)變成測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的待征參數(shù)，從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?、分析、處理、?jì)算與顯示輸出，從用單個(gè)儀器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)變成用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表中的進(jìn)一步滲透，使電子儀器在傳統(tǒng)的時(shí)域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域(dat domain)測(cè)試。80年代，由于微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，過去直觀的用于調(diào)節(jié)時(shí)基或幅度的旋轉(zhuǎn)度盤，選擇電壓電流等量程或功能的滑動(dòng)開關(guān)，通、斷開關(guān)鍵已經(jīng)消失。測(cè)量系統(tǒng)的主要模式，是采用機(jī)柜形式，全部通過IEE

20、E-488總線送到一個(gè)控制品上。測(cè)試時(shí)，可用豐富的BASIC語言程序來高速測(cè)試。不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個(gè)人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展。90年代，儀器儀表與測(cè)量科學(xué)進(jìn)步取得重大的突破性進(jìn)展。這個(gè)進(jìn)展的主要標(biāo)志是儀器儀表智能化程度的提高。突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：微電子技術(shù)的進(jìn)步將更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計(jì)：DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數(shù)字信號(hào)處理功能大大加強(qiáng)；微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；圖像處理功能的增加十分普遍；VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷對(duì)儀器儀表提出(t ch)更高更新的要求。儀器儀表電流傳感器(current sensor)的發(fā)展趨勢(shì)是不斷利用新的工作原

21、理和采用新材料及新的元器件，例如利用超聲波、微波、射線、紅外線、核磁共振、超導(dǎo)、激光等原理和采用各種新型半導(dǎo)體敏感元件、集成電路、集成光路、光導(dǎo)纖維等元器件。其目的是實(shí)現(xiàn)儀器儀表的小型化，減輕重量、降低生產(chǎn)成本和更便于使用與維修等。另一重要的趨勢(shì)是通過微型計(jì)算機(jī)的使用來提高儀器儀表的性能，擔(dān)高儀器儀表本身自動(dòng)化、智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力。儀器儀表不僅供單項(xiàng)使用，而且可能過標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)通道與電子計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，組成各種測(cè)試控制管理綜合(zngh)系統(tǒng)，滿足更高的要求。 工業(yè)自動(dòng)化儀表重點(diǎn)發(fā)展基于現(xiàn)場總線技術(shù)的主控系統(tǒng)裝置及智能化儀表、特種和專用自動(dòng)化儀表；全面擴(kuò)大服務(wù)領(lǐng)域，推進(jìn)儀器儀表系統(tǒng)的數(shù)

22、字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，完成自動(dòng)化儀表從模擬(mn)技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，5年內(nèi)數(shù)字儀表比例達(dá)到60%以上。數(shù)字(shz)電壓表的優(yōu)勢(shì)數(shù)字電中的煩鎖和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今(rjn)，它又成為向智壓表出現(xiàn)在50年代初，60年代末發(fā)起來的電壓測(cè)量儀表，它采用的是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示(xinsh)器件顯示。這種電子測(cè)量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動(dòng)控制信實(shí)驗(yàn)研究的領(lǐng)域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)碼的要求，即為了實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理的需要；另一方面，也是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)

23、展，帶動(dòng)了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測(cè)量儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的；同時(shí)，為革新電子測(cè)量能化儀表發(fā)展的必要橋梁。如今，數(shù)字電壓表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時(shí)候也非常不方便，很容易出錯(cuò)。而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測(cè)量精度高，速度快，讀數(shù)時(shí)也非常的方便，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于電子及電工的測(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。數(shù)字電壓表最初是伺服步進(jìn)電子管比較式，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度比較高，但是采樣速度慢，重量達(dá)幾十公斤，

24、體積大。繼之出現(xiàn)了諧波式電壓表，它的速度方面稍有提高，但是準(zhǔn)確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進(jìn)逐次漸近式結(jié)構(gòu)，它不僅保持了比較式準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺點(diǎn)是抗干擾能力差，很容易受到外界各種因素的影響。隨后，在諧波式的基礎(chǔ)上雙引伸出階梯波式，它的唯一的進(jìn)步是成本降低了，可是準(zhǔn)確寬，速以及抗干擾能力都未能提高。而現(xiàn)在，數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)是非常的成熟，就原理來講，它從原來的一，二種已發(fā)展到多種，在功能上講，則從測(cè)量一參數(shù)發(fā)展到能測(cè)多種參數(shù)；從制作組件來看，發(fā)展到了集成電路，準(zhǔn)確度已經(jīng)有了很大的提高，精度高達(dá)1NV；讀數(shù)每秒幾萬次，而相對(duì)以前，它的價(jià)格也有了降低

25、了很多。數(shù)字儀表的特點(diǎn)： （1）數(shù)字顯示，讀數(shù)不存在視覺誤差。 （2）精確度一般較高，數(shù)字電工儀表由于沒有機(jī)電類儀表的可動(dòng)部分，所以機(jī)械摩擦，變形的影響極小，只要元器件的質(zhì)量、性能上沒問題，數(shù)字儀表是比較容易制成很高精準(zhǔn)度的儀表，比如深圳科立恒電子有限公司的生產(chǎn)的KM顯示表精度都已經(jīng)達(dá)到了0.01%，代理的CSS系列產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了十萬分之一的精確度，而目前一般機(jī)電類儀表精準(zhǔn)度達(dá)0.1%已很不容易，而數(shù)字儀表可輕易達(dá)到0.05%，目前有些數(shù)字儀表以達(dá)到0.01%的精確度。 （3）靈敏度高。由于有些數(shù)字儀表內(nèi)多設(shè)有各種放大(fngd)線路或器件，所以可測(cè)量較小的信號(hào)，如1mv左右的電壓信號(hào)，1mA

26、左右的電流信號(hào)號(hào)、0.01Hz的頻率信號(hào)。 （4) 輸入阻抗高。數(shù)字(shz)儀表一般本身有工作電源，除測(cè)量電流外，一般阻抗都可以制得較高，使在測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)物理量影響很小。 （5) 使用方便。特別是實(shí)驗(yàn)室用便攜式、臺(tái)式儀表(ybio)，可制成多量程（目前有-19999999 顯示量程的KM表系），多功能儀表（可測(cè)量電流電壓頻率功率線速轉(zhuǎn)速）。 （6）性價(jià)比高 。 （7） HYPERLINK /view/835573.htm t _blank 抗干擾性能教差，由于數(shù)字儀表靈敏度高，其副作用就是抗干擾性能差外磁場和電場等變化容易引起讀數(shù)變化，為了解決這一現(xiàn)象；深圳科立恒公司，在技術(shù)方面投入巨資，應(yīng)

27、用先進(jìn)的表面貼裝工藝和電磁隔離技術(shù)，弧型設(shè)計(jì)面板確保儀表的長期穩(wěn)定。 （8）數(shù)字儀表的精確度，表示方法不同于指針式儀表，數(shù)字儀表一般多以上量限或讀數(shù)值為基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)再加上幾個(gè)數(shù)字來表示該表的精確度，比如KM系列數(shù)顯儀表，系統(tǒng)精度0.1%(直流)，0.2%（交流）滿刻度字。一般多功能，多量程的數(shù)字多用表的各功能、量程檔位不同時(shí)，精確度也不一樣。積分型直流數(shù)字電壓表介紹隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量成為廣大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)的迅速發(fā)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

28、測(cè)量控制儀表領(lǐng)域的新的技術(shù)革命。數(shù)字電壓表的核心器件(qjin)是A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器一般有積分式、比較式和復(fù)合式三種類型。目前應(yīng)用比較廣泛的是積分式數(shù)字電壓表，它具有抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。積分型A/D轉(zhuǎn)換器基本原理是將模擬輸入電壓進(jìn)行固定(gdng)時(shí)間的積分，然后(rnhu)轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時(shí)間為。由于及均為常熟，因而反向積分時(shí)間與輸入模擬電壓成正比，此期問單片機(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 所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量這種轉(zhuǎn)換器具有良好的精度、線性和積分輸入特性，抗干擾能力強(qiáng)，而且信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)

29、。此外，它的應(yīng)用電路簡單，外圍元件性能要求不高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，與單片機(jī)的接口簡單。本文主要研究內(nèi)容本文對(duì)采用51單片機(jī)制作積分式直流數(shù)字電壓表進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）論述數(shù)字電壓表的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)。（2）研究積分型A/D轉(zhuǎn)換器。（3）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換器部分采用模擬元件構(gòu)成，通過軟件實(shí)現(xiàn)直流電壓表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)校零、液晶顯示等功能。（4）對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵部分進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。系統(tǒng)(xtng)方案的選擇總體方案的選擇(xunz)方案一：基于(jy)分立組件的電壓表這種設(shè)計(jì)方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和

30、基準(zhǔn)電壓源；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)，按規(guī)定的時(shí)序?qū)/D轉(zhuǎn)換器中個(gè)組模擬開關(guān)接通或斷開，保證A/D轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過計(jì)數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出相應(yīng)的數(shù)值。方案二：基于單片機(jī)系統(tǒng)及A/D轉(zhuǎn)換芯片的電壓表這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測(cè)量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和

31、被測(cè)電壓。模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號(hào)，通過一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電壓的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測(cè)電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。綜上所述，根據(jù)以上兩種設(shè)計(jì)方案各方面優(yōu)點(diǎn)及其在所設(shè)計(jì)電壓表中的實(shí)用性，我們選擇第一種電壓表設(shè)計(jì)方案。第一種方案不僅能夠繼承第二種方案的各種優(yōu)點(diǎn)而且設(shè)計(jì)成本低，能夠滿足一般的電壓測(cè)量。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇 A/D轉(zhuǎn)換是要將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅值都離散的數(shù)字量，一般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼幾個(gè)

32、過程。方案一：采用ADC0809的A/D的轉(zhuǎn)換電路ADC0809是AD公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的一種8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。用ADC0809和AT89S52用程序查詢方式來采集被測(cè)的輸入模擬信號(hào)。采集數(shù)據(jù)時(shí)首先單片機(jī)執(zhí)行一傳送指令，在該指令執(zhí)行過程中單片機(jī)在控制總線中產(chǎn)生寫些信號(hào)，其低電平品信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換工作，ADC0809經(jīng)100us后將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存于輸出鎖存器，EOC信號(hào)經(jīng)反相器產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR,通知單片機(jī)取數(shù)。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集子程序后，立即執(zhí)行輸入指令，指令產(chǎn)生讀信號(hào)給ADC0809，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲(chǔ)器中。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，由單片機(jī)有

33、序地執(zhí)行若干指令完成。方案(fng n)二：采用OP07和LM311構(gòu)成(guchng)三斜積分 用三斜積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其(yq)平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。 三斜積分法A/D轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量，采樣輸入到積分器，積分器 HYPERLINK /search?word=%E4%BB%8E%E9%9B%B6%E5%BC%80%E5%A7%8B&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 從零開始進(jìn)行固定時(shí)間T的正向積分，時(shí)間T到后，開關(guān)

34、再接通與極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時(shí)停止積分。越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。 綜合比較以上兩種方案，對(duì)轉(zhuǎn)換10V內(nèi)的電壓信號(hào)都是可以實(shí)現(xiàn)的，但方案一電路中ADC 0809管腳較多，另外還需接鎖存器電路，所需的元器件較多，成本較大，而OP07和LM331都是簡單的、廉價(jià)的元件，非常適合用作模/數(shù)轉(zhuǎn)換，有極高的轉(zhuǎn)換精度，且十分適用于低電壓，低功耗的數(shù)字電路，十分適合用作光電隔離，有好良的共模抑制能力；三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器且具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)

35、，在采用零點(diǎn)校準(zhǔn)的前提下，其轉(zhuǎn)換精度也可以做得很高。所以考慮到實(shí)現(xiàn)電路的簡單性和性價(jià)比本設(shè)計(jì)采用方案二。切換開關(guān)的選擇方案一：采用繼電器固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，它利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路。其具有零電壓導(dǎo)通，零電流關(guān)斷，與邏輯電路兼容（TTL、DTL、HTL）切換速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾、壽命長、體積小，能以微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)；但也存在通態(tài)壓降，需要散熱措施，有輸出漏電流，交直流不能通用，觸點(diǎn)組

36、數(shù)少，成本高等缺點(diǎn)。 方案二：多路模擬開關(guān)CD4066 CD4066 是一個(gè)雙向8 通道多路開關(guān)，它有3 個(gè)二進(jìn)制控制輸入(shr)端A、B、C 和一個(gè)禁止輸入端，并由3 位二進(jìn)制信號(hào)來選擇8 個(gè)通道中的一個(gè)通道。當(dāng)INH 為“1”時(shí)，通道斷開，禁止模擬量輸入；當(dāng)INH 為“0，通道接通，允許模擬量輸入。它能實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換單元完成CMOS 到TTL 的電平轉(zhuǎn)換，因此這種多路開關(guān)輸入電平范圍廣，數(shù)字量輸入為315V，模擬量可達(dá)15V。二進(jìn)制譯碼器用來(yn li)對(duì)選擇輸入端A、B、C 的狀態(tài)進(jìn)行譯碼，并控制開關(guān)電路TG，使某一路開關(guān)接通，從而使輸入/輸出通道相連，達(dá)到自動(dòng)切換的目的。綜合(z

37、ngh)對(duì)比以上兩種方案，方案一由于價(jià)格高、切換觸點(diǎn)少、實(shí)際應(yīng)用電隔離不理想，而方案二由于模擬開關(guān)CD4066 具有功耗低、速度快、無機(jī)械觸點(diǎn)、體積小、使用壽命長、價(jià)格、交直流通用、使用方便等優(yōu)勢(shì)，故自切換采用方案一即多路模擬開關(guān)CD4066 實(shí)現(xiàn)。顯示器件的選擇方案一：數(shù)碼管數(shù)碼管是最常用的一種顯示器件，它是由幾個(gè)發(fā)光二極管組成的8字段顯示器件，其特點(diǎn)是價(jià)格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長。但數(shù)碼管只能是顯示09的數(shù)據(jù)。不能夠顯示字符。這也是數(shù)碼管的不足之處。方案二：1062液晶顯示1602液晶是工

38、業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16*2即32個(gè)字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。使用時(shí)直接編寫軟件程序按一定的時(shí)序驅(qū)動(dòng)即可。它的特點(diǎn)是顯示字跡清楚，價(jià)格相對(duì)便宜。在本設(shè)計(jì)中，我們只需要顯示最后電壓的數(shù)字值和電壓的單位，綜合上面兩種顯示器件的特點(diǎn)：數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，不能顯示單位字符，不符合本設(shè)計(jì)的要求。所以本設(shè)計(jì)考慮用液晶顯示器件，1602液晶的功能強(qiáng)，在價(jià)格方面也相對(duì)便宜。而且1602液晶足夠滿足本設(shè)計(jì)的需要。因此，在本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)我們選擇1602液晶

39、顯示器件。單片機(jī)的選擇(xunz)單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(xtng)，具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU，內(nèi)存，總線系統(tǒng)等。而目前常用的單片機(jī)的8位有51系列單片機(jī)，AVR單片機(jī)，PIC單片機(jī)。應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)還是intel的51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)的特點(diǎn)是：硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，世界有許多芯片公司都買了51的芯片核心專利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上擴(kuò)充其性能，使得芯片的運(yùn)行(ynxng)速度變得更快，性價(jià)比更高。AVR單片機(jī)是atmel公司推出較新的單片機(jī)，它的顯著特點(diǎn)是：高性能，低功能，高速度，指令單周期為主，但性格方面比51單片機(jī)

40、要高。有專門的I/O方向寄存器。雖然有轉(zhuǎn)強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電壓，但I(xiàn)/O口使用沒51單片機(jī)方便。PIC單片機(jī)系列是美國微芯公司的產(chǎn)品，也是市面上增長最快的單片機(jī)之一，屬精簡指令集單片機(jī)，其特點(diǎn)是：高速度，高性能，但在性格方面比51單片機(jī)要高，也有專門的I/O方向寄存器，I/O口使用不比51單片機(jī)方便。綜合以上各種單片機(jī)的基本性能及本設(shè)計(jì)的滿足需要，我們將選擇51系列單片機(jī)。STC12C5410性能特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選擇了51系列的STC12C5410單片機(jī)。STC12C5410系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，全新的流水線/精簡指

41、令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。其主要性能特點(diǎn)如下： （1）增強(qiáng)型1T流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)8051CPU。（2）工作電壓：5.5V3.4V（5V單片機(jī)）/3.8V2.0V（3V單片機(jī)）。（3）工作頻率范圍：035MHz，相當(dāng)于普通8051的0420MHz。 （4）用戶應(yīng)用程序空間12K/10K/8K/6K/4K/2K字節(jié)。 （5）片上集成512字節(jié)RAM。 （6）通過I/O口（27/23個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏。 （7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/ASP（在應(yīng)用(yngyng)可

42、編程），無需專用編程器?？赏ㄟ^串口（P3.0/P3.1）直接(zhji)下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 （8）EPROM功能(gngnng)。 （9）看門狗。 （10）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶振20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路）。 （11）時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器，用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘。常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.65MHz5.95MHz。精度不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛袦仄瑧?yīng)認(rèn)為是5MHz6.5MHz。 （12）共2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 （13）PWM(4位)/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）

43、，也可用來在實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器。（14）ADC，10位精度ADC，共8路。（15）通用異步串行口（UART）。（16）SPI同步通信口，主模式/從模式。（17）工作溫度范圍：075/-40+85。（18）封裝：PDIP28，SOP28，PDIP20，SOP20，TSSOP20，PLCC32。STC12C5410AD單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、EEPROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O接口、UART接口和中斷系統(tǒng)、SPI接口、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM（或捕捉/比較單元）以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi)RC振蕩器等模塊?？梢哉fSTC12C5410AD單片機(jī)幾乎包含了

44、數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC），可以很容易地構(gòu)成典型的測(cè)控系統(tǒng)。STC12系列單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)STC12系列單片機(jī)是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash單片機(jī)，在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大的改進(jìn)后推出的一個(gè)增強(qiáng)型功能的單片機(jī)。STC12系列是從引腳到內(nèi)核及指令上都完美兼容8051的單片機(jī)。它的16級(jí)中斷、高效尋址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合，因此具有很好的性價(jià)比和應(yīng)用適應(yīng)性。該單片機(jī)的管腳結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2

45、-1 STC12C5410AD引腳圖基本(jbn)配置STC12C5412AD單片機(jī)除了具有STC12系列單片機(jī)共有特點(diǎn)外，還具有一些(yxi)自身特點(diǎn)，對(duì)其一些基本配置做以介紹:（1）Flash存儲(chǔ)器STC12C5412AD Flash存儲(chǔ)器為l 0KB。Flash存儲(chǔ)器主要用作程序存儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序;程序運(yùn)行時(shí)能對(duì)其中的1段或多段進(jìn)行擦/寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能。Flash可用于程序數(shù)據(jù)保存，實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器可以按字或字節(jié)(z ji)讀寫，最小擦除單位為1段，經(jīng)過擦除的位為“1，寫入位為“0”。（2）脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM)所有PCA模塊都可用作PMW輸出。

46、輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCnL,CCAPnL有關(guān)。當(dāng)CL SFR的值小于EPCnL, CCAPnL時(shí)，輸出為低，當(dāng)PCA CL SFR的值等于或大于EPCnL, CCAPnL時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，EPCnH, CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL,CCAPnL中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。（3）I/O口工作類型(lixng)設(shè)置STC12C5412AD帶有24個(gè)I/O

47、引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個(gè)I/O口均可由軟件設(shè)置成4種工作類型之一，使得功能(gngnng)口和通用I/O口復(fù)用。4種類型分別為:準(zhǔn)雙向口(標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。其中一些I/O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊(m kui)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信,與A/D模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外，STC12C5410AD的I/O端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有6mA的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于一般的液晶顯示

48、屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)而無需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接。（4）準(zhǔn)雙向口輸出配置準(zhǔn)雙向口輸出類型可用作輸出和輸入功能而不需重新配置口線輸出狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)口線輸出為1時(shí)驅(qū)動(dòng)能力很弱，允許外部裝置將其拉低。當(dāng)引腳輸出為低時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，剛一吸收相當(dāng)大的電流。準(zhǔn)雙向口有3個(gè)上拉晶體管適應(yīng)不同的需要。在3個(gè)上拉晶體管中，有1個(gè)上拉晶體管稱為“弱上拉”，當(dāng)口線寄存器為1且引腳本身也為1時(shí)打開。此上拉提供基本驅(qū)動(dòng)電流使準(zhǔn)雙向口輸出為1。如果一個(gè)引腳輸出為1而由外部裝置下拉到低時(shí)，弱上拉關(guān)閉而“極弱上拉”維持開狀態(tài)，為了把這個(gè)引腳強(qiáng)拉為低，外部裝置必須有足夠的灌電

49、流能力使引腳上的電壓降到門檻電壓以下。本章小結(jié) 本章對(duì)積分型直流電壓表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論證和選擇，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中涉及到的A/D轉(zhuǎn)換電路、切換開關(guān)、顯示器件以及單片機(jī)的型號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)(xtng)總體設(shè)計(jì)及原理系統(tǒng)(xtng)總體方案及框圖本系統(tǒng)由輸入放大與量程轉(zhuǎn)換電路、三斜積分(jfn)A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)計(jì)數(shù)控制電路、LCD數(shù)字顯示器構(gòu)成?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)框圖主程序流程根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序。所謂初始化，是對(duì)將要用到的51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)

50、設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時(shí)器等。A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對(duì)輸入的模塊電壓信號(hào)的采集測(cè)量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)1602液晶顯示器的數(shù)值顯示，在采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí)，要使得液晶顯示器顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時(shí)，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對(duì)液晶顯示器進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位液晶顯示器的顯示時(shí)間為1ms。主程序流程如圖3-2所示。圖3-2 主程序流程輸入放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路輸入(shr)放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的

51、設(shè)計(jì)輸入放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的主要(zhyo)作用是提高輸入阻抗和完成量程轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用OP07集成運(yùn)算放大器構(gòu)成同相比例放大電路，以提高電路的輸入阻抗，以達(dá)到題目要求，模擬開關(guān)CD4066在單片機(jī)的控制下形成不同的通斷組合，實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)校零功能。理論分析與計(jì)算圖3-3為輸入放大與量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路。輸入電路的主要作用是提高輸入阻抗和實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。輸入電路的核心是輸入放大器和模擬開關(guān)CD4066組成的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路。電路中用到運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器，其重要特點(diǎn)是具有夠穩(wěn)定輸出電壓的作用，電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路具有較好的恒壓輸出特性。綜合而言根據(jù)電路中輸入恒壓與輸

52、出恒壓的特性,可將其稱為壓控電壓源。如圖3-3所示。TG1、TG2是單片機(jī)控制的模擬開關(guān)，采用CD4066芯片，通過單片機(jī)對(duì)模擬開關(guān)的通斷可以控制不同的增益。各種組合分析如下：(1)200mv量程。TG2導(dǎo)通，放大電路被接成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器。放大倍數(shù)Af及最大的輸出電壓Uomx分別為：Uomx=200mV20=4V(2)2V量程。TG1導(dǎo)通，此時(shí)的電壓放大倍數(shù)Af及最大的輸出電壓Uomx分別為： Uomx=22=4V由上述計(jì)算可見，輸入AD轉(zhuǎn)換器的規(guī)范電壓為0-4V，同時(shí)電路被接成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器形式，輸入電阻高達(dá)10000M，完全達(dá)到題目的要求。電路輸入端采用的是RC低通濾波電路。

53、RC低通濾波電路構(gòu)成簡單，抗干擾性強(qiáng)能很好的抑制交流干擾，還有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件易得。圖3-3 輸入放大與量程自動(dòng)(zdng)轉(zhuǎn)換電路圖積分(jfn)式A/D轉(zhuǎn)換器積分(jfn)式A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)雖然雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在采用零點(diǎn)校準(zhǔn)的前提下，其轉(zhuǎn)換精度也可以做得很高，但顯著的不足是轉(zhuǎn)換速度較慢，并且分辨率越高，其轉(zhuǎn)換速度也就越慢。因此本設(shè)計(jì)采用了分立元件構(gòu)成的三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，可以較好的改善轉(zhuǎn)換速度慢的缺點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)換速率分辨率的乘積比傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器提高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器理論分析與計(jì)算圖3-4是一個(gè)三斜積分式AD

54、轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由基準(zhǔn)電壓-VREF、 積分器、比較器和由單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)數(shù)控制電路組成。轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分三步進(jìn)行：首先，令開關(guān)S1置于輸入信號(hào)一側(cè)。積分器對(duì)進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為： (3-1)可見積分器的輸出(shch)電壓與成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路對(duì)輸入模擬電壓的采樣(ci yn)過程。圖3-5 為三斜積分式AD轉(zhuǎn)換波形圖。在采樣開始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器對(duì)周期為Tc的計(jì)數(shù)脈沖CP計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程N(yùn)1，此時(shí)計(jì)數(shù)器由全“1”恢復(fù)為全“0”，這個(gè)

55、時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間T1， 。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號(hào)，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束。三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式A/D的反向積分階段T2分為圖4所示的T21、T22兩部分。在T21期間，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF進(jìn)行積分，放電速度較快；在T22期間積分器改為對(duì)較小的基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行積分,放電速度較慢。在計(jì)數(shù)時(shí),把計(jì)數(shù)器也分為兩段進(jìn)行計(jì)數(shù)。在T21期間,從計(jì)數(shù)器的高位(2m位)開始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N1；在T22期間，從計(jì)數(shù)器的低位（20位）開始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N2。則計(jì)數(shù)器中最后的讀數(shù)為: N= N

56、12m+N2 （3-2）在一次測(cè)量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則 |Ux|T1=VREFT21+(VREF/2m)T22 （3-3）其中: T21=N1Tc T22=N2Tc （3-4）本設(shè)計(jì)中，取m=8，時(shí)鐘脈沖周期Tc=120us，基準(zhǔn)電壓VREF=5V，并希望把2V被測(cè)電壓變換成N=65536碼讀數(shù)時(shí)，由上式可以計(jì)算出T1=76.8ms，而傳統(tǒng)的雙積分式AD轉(zhuǎn)換器在相同的條件下所需的積分時(shí)間T1=307.2s,可見三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器可以使轉(zhuǎn)換速度大幅度提高。圖3-4 三斜積分(jfn)式AD轉(zhuǎn)換器的原理圖圖3-5 三斜積分(jfn)式AD轉(zhuǎn)換波形圖三斜積分A/D

57、轉(zhuǎn)換器模擬(mn)電路部分三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路中放大電路選用精密運(yùn)放OP07；積分電路也選用OP07；積分電容選用漏電流很小且等效串聯(lián)電阻、電感都很小的CBB80電容；比較器選用LM311；圖中的電子開關(guān)TG1、TG2、TG3、TG4、TG5、TG6、TG7、TG8均選用模擬開關(guān)CD4066芯片，只要將CD4066控制端接到單片機(jī)不同控制端口PBX上即可實(shí)現(xiàn)不同的開關(guān)通斷控制。TG1為自動(dòng)校零控制、TG2、 TG3為量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制，TG4、TG5、TG6控制積分的三個(gè)階段，TG7、TG8為轉(zhuǎn)換開始前的控制。電路如圖3-6所示。圖3-6 三斜積分(jfn)A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分單片機(jī)

58、計(jì)數(shù)(j sh)、控制電路通過對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的方案(fng n)分析，本設(shè)計(jì)采用三斜積分電路和單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。脈沖的計(jì)數(shù)功能由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)單片機(jī)的速度提出了較高的要求。本課題基本要求分辨率為12位，若采用一般的8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和脈沖計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)換速度較慢。因此本設(shè)計(jì)采用了STC-12C5410AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和脈沖計(jì)數(shù)。STC-12C5410AD單片機(jī)具有速度高、超功能精簡指令等特點(diǎn)，采用12MHZ晶振，完全能滿足分辨率12位和轉(zhuǎn)換速度2次/S的要求。通過STC12C5410AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)CD4066模擬開關(guān)的通斷控制，從而實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)校零以及三斜積分A/D轉(zhuǎn)

59、換過程的控制；利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)12位高速計(jì)數(shù)功能。同時(shí)內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。單片機(jī)控制、計(jì)數(shù)器電路如圖3-7所示。圖3-7 單片機(jī)控制(kngzh)、計(jì)數(shù)器電路圖顯示(xinsh)電路顯示電路(dinl)的設(shè)計(jì)顯示部分采用1602LCD液晶顯示器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和測(cè)量電壓值的顯示。LCD液晶顯示電路如圖3-8所示。 圖3-8 LCD液晶顯示電路圖1062液晶(yjng)的參數(shù)資料本設(shè)計(jì)采用(ciyng)點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示。液晶顯示器顯示功能強(qiáng)大，可顯示各種字體的數(shù)字

60、、圖像，還可以自定義顯示內(nèi)容，增加了顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機(jī)界面。以下(yxi)是1602液晶的各方面參數(shù)：表3-1 接口信號(hào)說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地2VDD電源正極3VL液晶顯示偏壓信號(hào)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端5R/W讀/寫選擇端6E使能信號(hào)8-14D0-D7Data I/O15BLA背光源正極16BLK背光源負(fù)極（1）基本操作時(shí)序(sh x)：讀狀態(tài)：輸入(shr)：RS=0，RW=1，E=1。輸出：D0-D7為狀態(tài)字寫狀態(tài)：輸入(shr)：RS=0，RW=0，D0-D7為指令碼，E為高脈沖。輸出：無讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=1，RW=1，E=1。輸出：D0-D7