單片機的數(shù)字電壓表的設(shè)計吳洋洋

頁1前言數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(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、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。在單片機構(gòu)成的數(shù)字電壓表中，一般包含三種模塊：數(shù)據(jù)采集保持模塊，數(shù)據(jù)處理模塊（單片機系統(tǒng)）和輸入/輸出模塊。在數(shù)據(jù)采集保持模塊中，基本結(jié)構(gòu)大部分都是一樣的，主要是對電壓信號采樣前，用放大器進行預(yù)處理，后通過保持其保持采樣。在數(shù)據(jù)處理模塊中，其中A/D轉(zhuǎn)換器的性能成為評定數(shù)字電壓表好壞的重要標準?？紤]到精度和成本條件，本設(shè)計采用4位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135,ICL7135是雙積型轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速凍比較慢，在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(diào)零操作，可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定。在輸入、輸出模塊中，顯示部分可使用1601液晶模塊，其中液晶顯示屏顯示測量值的大小。綜上所述，本設(shè)計主要以51系列單片機為核心，以ICL7135為A/D轉(zhuǎn)換器，介紹數(shù)字電壓表設(shè)計，該設(shè)計適用于人們?nèi)粘Ｉ罴肮まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于電壓的檢測。2系統(tǒng)原理及基本框圖如圖2.1所示，模擬電壓經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送到LCD中顯示，同時通過串行通訊與上位機通信。圖2.1系統(tǒng)基本方框圖3硬件設(shè)計3.1輸入電路輸入電路的作用是把不同量程的被測的電壓規(guī)范到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值。智能化數(shù)字電壓表所采用的單片雙積分型ADC芯片ICL7135，它要求輸入電壓0-±2V。本儀表設(shè)計是0-1000V電壓，靈敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰減器，如圖3.1.2所示9M、900K、90K、和10K電阻構(gòu)成1/10、1/100、1/1000的衰減器。衰減輸入電路可由開關(guān)來選擇不同的衰減率，從而切換檔位。為了能讓CPU自動識別檔位，還要有圖3.1.1的硬件連接。3.1.1量程切換開關(guān)3.2A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測量電路性能。本設(shè)計采用雙積A/D轉(zhuǎn)換器，它的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點是工作速度較低。在對轉(zhuǎn)換精度要求較高，而對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合如電壓測量有廣泛的應(yīng)用。圖3.1.2衰減輸入電路圖3.2.1雙積A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖雙積A/D轉(zhuǎn)換器如圖所示：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。在常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片（如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高（精度相當于14位二進制數(shù)）、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點。本文介紹用單片機并行方式采集ICL7135的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)單片機電壓表和小型智能儀表的設(shè)計方案。圖雙積A/D轉(zhuǎn)換器的波形圖3.2.17135的應(yīng)用7135是采用CMOS工藝制作的單片4位半A/D轉(zhuǎn)換器，其所轉(zhuǎn)換的數(shù)字值以多工掃描的方式輸出，只要附加譯碼器，數(shù)碼顯示器，驅(qū)動器及電阻電容等元件，就可組成一個滿量程為2V的數(shù)字電壓表。7135主要特點①雙積型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度慢。②在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(diào)零操作，可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定。在20000字（2V滿量程）范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度1字相當于14bitA/D轉(zhuǎn)換器。

③具有自動極性轉(zhuǎn)換功能。能在但極性參考電壓下對雙極性模擬輸入電壓ICL7135引腳圖進行A/D轉(zhuǎn)換，模擬電壓的范圍為0～±1.9999V。。

④模擬出入可以是差動信號，輸入電阻極高，輸入電流典型值1PA。

⑤所有輸出端和TTL電路相容。

⑥有過量程（OR）和欠量程（UR）標志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號。

⑦輸出為動態(tài)掃描BCD碼。

⑧對外提供六個輸入,輸出控制信號(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與異步接收/發(fā)送器,微處理器或其它控制電路連接使用。

⑨采用28外引線雙列直插式封裝，外引線功能端排列如圖所示。7135數(shù)字部分數(shù)字部分主要由計數(shù)器、鎖存器、多路開關(guān)及控制邏輯電路等組成。7135一次A/D轉(zhuǎn)換周期分為四個階段：1.自動調(diào)零（AZ）；2.被測電壓積分（INT）；3.基準電壓反積分（DE）；4.積分回零（ZI）。具體內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程這里不做祥細介紹，主要介紹引腳的使用。①R/H（25腳）當R/H=“1”（該端懸空時為“1”）時，7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，每40002個時鐘周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換。若R/H由“1”變“0”，則7135在完成本次A/D轉(zhuǎn)換后進入保持狀態(tài)，此時輸出為最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。若把R/H端用作啟動功能時，只要在該端輸入一個正脈沖（寬度≥300ns），轉(zhuǎn)換器就從AZ階段開始進行A/D轉(zhuǎn)換。注意：第一次轉(zhuǎn)換周期中的AZ階段時間為9001-10001個時鐘脈沖，這是由于啟動脈沖和內(nèi)部計數(shù)器狀態(tài)不同步造成的。②/ST（26腳）每次A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，ST端都輸出5個負脈沖，其輸出時間對應(yīng)在每個周期開始時的5個位選信號正脈沖的中間，ST負脈沖寬度等于1/2時鐘周期。第一個ST負脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后101個時鐘周期產(chǎn)生。因為每個選信號（D5--D1）的正脈沖寬度為200個時鐘周期（只有AZ和DE階段開始時的第一個D5的脈沖寬度為201個CLK周期），所以ST負脈沖之間相隔也是200個時鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則ST無脈沖信號輸出。ST信號主要用來控制將轉(zhuǎn)換結(jié)果向外部鎖存器、UARTs或微處理器進行傳送。③BUSY（21腳）在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時為低電平。因此利用BUSY功能，可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的遠距離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK“與”后來計數(shù)器，再減去10001就可得到原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。④OR（27腳）當輸入電壓超出量程范圍（20000），OR將會變高。該信號在BUSY信號結(jié)束時變高。在DE階段開始時變低。⑤UR（28腳）當輸入電壓等于或低于滿量程的9%（讀數(shù)為1800），則一當BUST信號結(jié)束，UR將會變高。該信號在INT階段開始時變低。⑥POL（23腳）該信號用來指示輸入電壓的極性。當輸入電壓為正，則POL等于“1”，反之則等于“0”。該信號DE階段開始時變化，并維持一個A/D轉(zhuǎn)換調(diào)期。⑦位驅(qū)動信號D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅(qū)動信號分別輸出一個正脈沖信號，脈沖寬度為200個時鐘周期，其中D5對應(yīng)萬位選通，以下依次為千、百、十、個位。在正常輸入情況下，D5--D1輸出連續(xù)脈沖。當輸入電壓過量程時，D5--D1在AZ階段開始時只分別輸出一個脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開始時才輸出連續(xù)脈沖。利用這個特性，可使得顯示器件在過程時產(chǎn)生一亮一暗的直觀現(xiàn)象。

⑧B8、B4、B2、B1（16、15、14、13腳）該四端為轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼輸出，采用動態(tài)掃描輸出方式，即當位選信號D5=“1”時，該四端的信號為萬位數(shù)的內(nèi)容，D4=“1”時為千位數(shù)內(nèi)容，其余依次類推。在個、十、百、千四位數(shù)的內(nèi)容輸出時，BCD碼范圍為0000--1001，對于萬位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當輸入電壓過量程時，各位數(shù)輸出全部為零，這一點在使用時應(yīng)注意。

最后還要說明一點，由于數(shù)字部分以DGNG端作為接地端，所以所有輸出端輸出電平以DGNG作為相對參考點?；鶞孰妷?，基準電壓的輸入必須對于模擬公共端COM是正電壓。

圖ICL7135的波形圖

與單片機系統(tǒng)的串行連接在ICL7135與單片機系統(tǒng)進行連接時，使用并行采集方式，要連接BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，可以將ICL7135的/STB信號接至AT89C52的P3.2（INT0）。ICL7135需要外部的時鐘信號，本設(shè)計采用CD4060來對4M信號進行32分頻得到125KHz的時鐘信號。CD4060計數(shù)為１４級２進制計數(shù)器，在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。圖ICL7135與系統(tǒng)的連接圖圖CD4060時鐘發(fā)生電路3.3單片機部分單片機選用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，如圖所示。該芯片具有低功耗、高性能的特點，是采用CMOS工藝的8位單片機，與AT89C51完全兼容。AT89S52還有以下主要特點：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存儲器（NV-SRAM）技術(shù)；

②其片內(nèi)具有256字節(jié)RAM，8KB的可在線編程（ISP）FLASH存儲器；③有2種低功耗節(jié)電工作方式：空閑模式和掉電模式

④片內(nèi)含有一個看門狗定時器（WDT），WDT包含一個14位計數(shù)器和看門狗定時器復(fù)位寄存器(WDTRST)，只要對WDTRST按順序先寫入01EH，后寫入0E1H，WDT便啟動，當CPU由于擾動而使程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)時，WDT即可有效地使系統(tǒng)復(fù)位，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。圖3.2.1.AT89S52引腳圖3.4液晶顯示部分顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分用的是LCD液晶模塊，采用一個16×1的字符型液晶顯示模塊，點陣圖形式液晶由M行×N列個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1個字節(jié)的8個位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元和顯示RAM區(qū)1024個字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。一個字符由6×8或8×8點陣組成，即要找到和屏上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8個字節(jié)，并且要使每個字節(jié)的不同的位為‘1’，其它的為‘0’，為‘1’的點亮，為‘0’的點暗，這樣一來就組成某個字符。但對于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。4設(shè)計總電路圖

5總結(jié)與提高1.選擇A/D轉(zhuǎn)換器時應(yīng)主要考慮的問題：精度、轉(zhuǎn)換速度。為了達到一定的精度，對電源的精度也有要求，因為電源的精度直接影響A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度。2.幾種常見的A/D轉(zhuǎn)換器性能比較：并行A/D轉(zhuǎn)換器的特點是轉(zhuǎn)換速度快、價格較昂貴，主要用于要求高速度的場合；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是一種在速度、精度和價格上都處于適中位置的最常用的A/D轉(zhuǎn)換器；雙積分A/D轉(zhuǎn)換器具有精度高、抗干擾性能好、價格低廉等優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換速度慢。所以，選擇A/D轉(zhuǎn)換器時要綜合考慮上面兩方面的問題。3.經(jīng)過論文的資料選取、到搜集材料、整理材料、查閱相關(guān)圖書和網(wǎng)站，請教輔導(dǎo)老師，一個看似簡單的電路，要把它完美的呈現(xiàn)在人的面前還是要克服很多困難，在這過程中，收獲了成熟，豐富了自己的知識，見識到了科學(xué)的奧妙。這真的讓我受益匪淺。懂得了以后面對社會的各種挑戰(zhàn)，只要不斷學(xué)習(xí)實踐，再學(xué)習(xí)再實踐。不管怎樣，都是一種磨練，一種知識的積累完全可以把這個當作基礎(chǔ)的東西，只有掌握了基礎(chǔ)的，才可以更進一步，取得更好的成績。參考文獻[1]吳國忠,丁振榮,樓正國.常用電子儀器的原理、使用及維修[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2002.

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