基于单片机的高精度交流电压表的设计与实现 2.docx
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基于单片机的高精度交流电压表的设计与实现2
湖南涉外经济学院
本科毕业论文（设计）
题目
基于单片机的高精度电压表的设计与实现
作者
学院
信息科学与工程学院
专业
学号
指导教师
二〇一五年五月九日
湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。
对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
二○一五年五月九日
摘要
当今随着社会的发展中，在日常维修，教学和科研中，电压表是不可缺少的。
而高精度的简易的测量技术已经渗入到各个社会的领域当中，特别是高精度交流电压表的应用在国民生活中起着至关重要的地位，所以设计出一个结构简易，工作可靠，灵活性好，高精度的交流电压表给社会经济的发展创造了有利的条件，所以，鉴于此，本人在本课题中是利用单片机设计一个高精度的交流电压表，能够测量0~2V之间的交流电压值，测量精度优于0.001V，采样周期小于0.1秒，此设计选用数码管显示，所用的元器数目较少，通过电压的采样，进行信号的调理，外界电压的模拟量通过A/D转换变成数字信号输送到单片机，然后由单片机用数字信号控制数码管发光，从而显示所测量的电压数值。
此交流电压表的设计有耗费成本低、便于操作、数码显示灵活等多重优点，便于生活中的实际应用。
另外，在进行本设计的过程当中，在整个软硬件运行环境做了深入探究以及对于设计成品的调试等进行探讨。
关键词：
国民生活；交流电压表；单片机；运行环境
ABSTRACT（小二号TimesNewRoman加粗）
Thenumberofourforeignexchangereserveshasexperiencedquickgrowthoverthepastthirtyyears，frombreaking100billionU.S.dollarin1996tobreaking1.5trillionU.S.dollarin2007.Thesohigh-speedincreaseandgiganticscale，areadouble-edgedswordforourcountrydevelopmentoftheeconomy.Asadevelopingcountry，Chinadefinitelyneedsacertainamountofforeignexchangetoensureexternalpayments，interfereinforeignexchangemarketandpromotethecountrycredit.Butexcessiveexchangecoverscalemayproduceproblemsinmanagement.Atfirst，thispaperintroducesthedevelopmentofourcountryforeignexchangereserves，analysesthereasonsforquickgrowthofforeignexchangereserves，illustratesthenegativeeffectsofexcessiveforeignexchangereserves，revealstheproblemsinforeignexchangereserve;Thenanalysesandcomprisesthemanagementsystemsofforeignexchangereservesinfivecounties;Atlast，makesrecommendationsforourcountry’smanagementofforeignexchangereserves.（小四号TimesNewRoman）
Keywords（小四号TimesNewRoman加粗）:
foreignexchangereserves;internationalcomparison;meanings（小四号TimesNewRoman）
诚信声明……………………………………………………………………………………Ⅰ
摘要………………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅲ第一章引言………………………………………………………………………………1
1.1设计背景及意义…………………………………………………………………1
1.2课题的研究现状和发展趋势……………………………………………………1
1.3交流电压表目前的发展状况及可行性分析……………………………………2
1.3.1目前发展状况……………………………………………………………2
1.3.2可行性分析…………………………………………………………………2
第二章总体方案设计………………………………………………………………4
2.1设计任务和要求………………………………………………………………4
2.2.1设计任务……………………………………………………………………4
2.2.2设计要求……………………………………………………………………4
2.2设计总方案论证…………………………………………………………………4
2.2.1数据采集输入和信号调理模块……………………………………………4
2.2.2A/D转换模块………………………………………………………………4
2.2.3数据处理以及控制模块……………………………………………………4
2.2.4显示模块……………………………………………………………………5
2.2.5电路总体设计框架…………………………………………………………5
第三章单元模块设计…………………………………………………………………5
3.1硬件模块设计……………………………………………………………………5
3.1.1放大电路……………………………………………………………………5
2.1.2AC-DC变换电路……………………………………………………………6
3.1.3A/D转换电路………………………………………………………………7
3.2控制部分设计…………………………………………………………………8
3.2.1STC89C51单片机结构…………………………………………………8
3.2.2STC8951单片机最小系统…………………………………………………9
3.2.3显示部分设计………………………………………………………………10
3.3软件模块设计…………………………………………………………………13
2.2.5A/D转换子程序流程图……………………………………………………13
2.2.5显示子程序流程图……………………………………………………14
2.2.5软件总体设计思路及结构………………………………………………15
2.2.5总体软件设计流程图……………………………………………………16
3.4数据分析…………………………………………………………………………17
结论…………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………………20
附录A……………………………………………………………………………………21
第一章引言
1.1设计背景及意义
随着社会的高速发展和科技的与日剧新，各个行业、实验研究等对于一个简易的高精度的测量仪器的需要越来越强，目前生活中的传统的测量仪器功能单一、测量精度小、成本高，已经不能满足正常的行业需要，已经不能满足这个高速发展的社会需求。
采用51系列的单片机设计出的高精度交流电压表，将连续的诸多模拟量如交流电压转化成不连续的离散数字形式通过数码晶体管显示出来，从而有精度高、误差小、抗干扰力强等多重优点。
高精度的数字交流电压表是实验研究中众多数字化表的基础和核心，以数字电压表为核心，可以从中来拓展出各种各个不同行业需要的万用数字表、各专业所用到专用数字表以及非电量的数字化仪表，已被广泛应用于电子以及电工测量、工业仪表、国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业，就连在日常生活中也得到广泛的应用。
特别是高精度交流电压表的应用，在国民生活中起着至关重要的地位，所以设计出一个高精度交流电压表，给社会经济发展和人民生活便利创造条件。
在电网调度自动化设备中，需要配置多只测量、显示电工参数的镶嵌式面板表。
如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。
相对之比下，高精度交流电压表的应用有以下几个优点才能方便使用：
1、高精度交流电压表采用的是LED数码管显示电压值，才能更加准确显示数值，数值才可以直接显示出来，再也不要读量程估数值出来。
这样可以减少时间而且读出的数值精度更高，可以显示到小数点后两位。
2、高精度交流电压表可以对电压值进行监控，对观测电压值更加直观。
3、高精度交流电压表结构简单、方便操作，费用也较低、体积小、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。
因此，高精度交流电压表的应用已越来越引起人们的重视。
在日常生活等方面已经有了广泛的应用，正因为高精度交流电压表具有诸多的优点，所以研究和设计高精度交流电压表有着重大的意义。
1.2课题的研究现状和发展趋势
随着社会的经济的变化最近的十几年来，现在的半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了很大的改变，慢慢的在进步。
从而慢慢的促使了现在的数字电压表的日新月异，并且不断出现新的类型。
数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管的型式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化〕，值得庆祝的是从另一方面，随着发展精度也从0.1%提高到了现在的0.01%——0.005%，而且从实验中空用的“高价样品”也慢慢的开始已发展到了现在的为厂矿企业广所使用的的“廉价型”，从而现在出现了能够用于安装板上作指示仪表的“安装型”。
从目前可以看出，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上是可以影响着数字电流表的准确度，因此，我希望以后数字电流表的发展就是要在高精度和低成本这两个方面去发展。
1.3交流电压表目前的发展状况以及可行性分析
1.3.1目前发展状况
而从以前传统的手持式万用表，也是在采用单片微机控制之后，才使现在的功能更加的多样化，在使用的也更加方便、可靠，并且也使准确度大大的提高。
例如读数为4.5位的万用表，除去可以测量传统的直流电流，电压及电阻外;对交流电压及电流测量可为真有效值响应；到了80年代初期，高性能的数字万用表，读数可以达7.5~8.5位，其分辨率直流电压可达0.01V，交流电压可达0.1V。
而且24小时准确度，交流电压可达±0.01%,真有效值响应、频率覆盖可从音频（20KHz）至低频（1Hz），波形因数（峰值/有效值）可以达5：
1。
其中数据处理功能一般包括：
、绝对误差、百分误差最大值及最小值、平均值，峰峰值，有效值、方差及标准差等。
而且有的仪器可以在数日内进行采样时间间隔可调的自动跟踪测量及自动存储数据等等。
在内藏微计算机的作用下，高性能的数字万用表还采用了不开盖式的自动校准技术，才使仪器的稳定度及准确度进一步提高。
随着社会的科学技术的快速发展，高精度交流电压表在仪器仪表中的应用越来越广，越来越方便。
但是从目前技术水平来说，人们可以利用的测量与监控技术还十分有限，因此，当今的社会是一个正在蓬勃发展有着无限前景的技术及产业领域。
让我们展望着未来，相信高精度交流电压表能作为一种新型的非常重要有用的工具在各各方面都将会有很大的发展空间，它将会朝着更加高精度高定位的方向发展，这样才能满足日益发展的社会需求。
数字电压表，是作为一种智能仪表，而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、离散的数字形式并且把它加以显示的仪表。
而传统的指针式电压表精度低，功能单一、不能满足数字化时代的需求，而现在采用单片机的数字电流表，不但精度高、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。
从目前发展，由各种单片A/D转换器构成的数字电流表，已经被广泛的用于电子及电工测量、自动测试系统、工业自动化仪表等智能化测量领域，并且有着强大的生命力。
1.3.2可行性分析
可行性分析是在使用仪表的过程中的要求和系统调研的基础上进行的，对新仪表的开发从社会、经济、技术以及管理等方面进行分析，并且得出新仪表开发工作的可行、不可行、追加投资、需要修改、暂缓开发与分步实施等方案和结论，最后完成可行性分析。
1.3.2.1经济可行性
近几年，智能数字仪表的发展和应用，数字仪表也都成为实验研究等行业工作中的重要设备，每个单位、每个部门都有不同程度的仪表应用。
在硬件方面，减少了不必要的元器件，只需利用简单而已常见的元器件即可，所以从硬件方面上完全可行。
根据实际市场的要求，分析其特点，在经济上本项目是可行的，这样便捷了在使用过程中的携带、测量等，所以，在实验研究等行业中的实际应用，经济上是完全可以开发设计的。
1.3.2.2技术可行性
对于设计本交流电压表选用的是51系列89C51的单片机，它是功能丰富的单片机集成开发环境，包括了8位CPU、4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）、256bytes的数据存储器（RAM）、21个专用寄存器、2个可编程定时/计数器、5个中断源、2个优先级（52有6个）、一个全双工串行通信口、外部数据存储器寻址空间为64kB等多重功能。
Proteus自从有了单片机也就有了开发系统，随着单片机的发展开发系统也在不断发展。
keil是一种先进的单片机集成开发系统。
它代表着汇编语言单片机开发系统的最新发展，首创多项便利技术，将开发的编程/仿真/调试/写入/加密等所有过程一气呵成，中间不须任何编译或汇编。
综上所述本交流电压表的设计与实现，基于89C51单片机为开发平台，用Keil编程语言，因此此交流电压表在技术上是可行的。
第二章总体方案设计
2.1设计任务和要求
2.1.1设计任务
设计并制作一个高精度交流电压表，采用51系列单片机作为主控部件。
系统图如下：
2.1.2.设计要求
（1）测量交流电压范围0～2V。
（2）测量精度优于0.001V。
（3）采样周期小于0.1秒。
（4）具有超量程报警功能。
（5）内阻大于20kΩ。
2.2设计总方案论证
在由单片机构成的交流数字电压表中，一般包含三种模块：
数据采集模块，数据处理模块（单片机系统），输出显示模块。
在本次的设计中，可将这三个模块进行更加详细的可行性划分，可分为数据输入和信号调理模块，A/D转换模块，数据处理以及控制模块，显示模块。
2.2.1数据采集输入和信号调理模块
在数据采集输入模块当中，采用一般的放大电路。
输入的被测量交流信号首先经过输入电压变化电路进行放大通过变换电路将交流电压变换成直流电压，然后经过放大后的电压直接输入A/D转换。
通道选择因考虑到模拟开关本身具有一定的电阻，故采用普通自锁开关来进行通道选择。
2.2.2A/D转换模块
在A/D转换模块中，A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要，测的参数关系到测量电路性能。
2.2.3数据处理以及控制模块
在数据处理以及控制模块中，主要通过89C51将A/D转换后的信号处理，送到单片机的一个端口中用以来显示。
2.2.4显示模块
在输出显示模块中，我们选用的是数码管液晶显示屏。
2.2.5电路总体设计框架
第三章单元模块设计
3.1硬件模块设计
3.1.1放大电路
如下图，由双运放组成的同相输入高共模抑制比放大电路，其闭环输出可表示为：
为使共模输入为0，可令R1/R2=R4/R3,此时电路的差动闭环增益为Kd=1+R1/R2,U0=Kd（U1-U2）;下图即Kd=11，U0=11（U1-U2）;第二级为同相放大电路，放大倍数可通过电位器调节。
3.1.2AC-DC变换电路
由于A/D转换器MC14433测量的是直流电压，并且测量交流电压时，一般以交流电压有效值表示，因此采用AC-DC变换电路将被测交流信号变换成直流电压，通过A/D转换器测量其电压有效值，这里采用半波整流电路将交流信号变换成半波脉动直流信号，然后通过积分电路提取交流信号的平均值，采用运算放大器电路提取出被测交流信号的有效值。
电路如下图所示。
3.1.3A/D转换电路
A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。
本设计采用A/D转换器它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。
在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。
系统采用MCL4433作为A/D转换器，它是美国摩托罗拉公司生产的单片机三位半A/D转换器，内含时钟振荡器，仅需外接1只振荡电阻。
有多路调制的BCD码输出端和超次量程信号，便于实现自动转换量程。
最大显示值本别为199.9mV，1.999V。
Q3`Q0位转换结果BCD码输出端，而输出的数据属于哪一位则由DS1~DS4输出的位选通信号来选通，当某一位选通信号为高电平时，相应的位即被选通，此时该位的数据从Q3~Q0输出。
电路中MC14433采用2V档。
则被测量交流电压经AC/DC交直流转换电路后，送入A/D转换以动态扫描形式输出，数字量端输出端Q0，Q1，Q2，Q3上的数字信号按照时间先后顺序输出。
如图1所示
图1A/D转换及数码显示电路
3.2控制部分的设计
3.2.1STC89C51单片机的结构[8]
3.2.1.1.STC89C51结构框图
STC89C51内部结构框图如图2
图2STC89C51内部结构框图
3.2.1.2.引脚功能说明[14]
STC89C51是双列制插封装形式的器件，其引脚图如图3所示。
STC89C51的引脚P00～P07、P10～P17、P20～P27、P30～P37为四个8位并行输入/输出口，其中P3口、P0口、P2口为双功能口，可以作为普通输入/输出口（第一功能），也可以作为特殊输入/输出口。
RST为复位输入线，ALE、——P——S——E——N、——E——A为系统扩展控制线，XTAL1和XTAL2为时钟电路输入/输出线，VCC、VSS为电源输入线，一般接＋5V和地。
3.2.2STC89C51单片机最小系统[7]
最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。
3.2.2.1时钟和时钟电路
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。
STC89C51单片允许的时钟频率的典型值12MHZ，也可以是6MHZ。
本设计采用12MHZ。
单片机时钟电路图如图4
图4单片机时钟电路
图4中晶振频率选择12MHZ。
接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对f微调补偿，典型值为30PF，本设计中选用20PF瓷片电容。
当单片机加电以后延迟约10ms的时间振荡器起振产生时钟，不受软件控制（XTAL2输出幅度为3V左右的正弦波。
3.3.2.2.复位和复位电路
计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机的复位引脚是RST，当振荡器起振后，该引脚上出现2个周期的高电平，是器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态。
单片机复位方式有二种：
上电复位（如图5）、人工复位（如图6）。
图5上电复位电路图6上电复位和开关复位
注：
RST与Vss之间的那个电阻在NMOS型单片机种需要接，但是在CMOS型单片机中不接。
其中电容一般为10UF的电解电容。
3.3.2.3STC89C51单片机最小系统连接原理图
本设计的STC89C51单片机最小系统原理图[6]如图7
图7STC89C51最小系统连接原理图
3.2.3显示部分的设计
3.2.3.1显示电路原理图
如图8所示
图8显示电路原理图
该显示部分电路原理图用9012PNP型三极管来驱动共阳极LED数码管。
数码管的abcdefg接单片机的I/O口P0.0-P0.7，控制P0.0-P0.7的高低电平（0或1）来控制LED数码管的字型。
如数码管是共阳的，当P0.0-P0.7（即a,b,c,d,e,f）为低电平，g为高电平时，显示器显示“0”。
对于数码管的COM脚（共阳数码管）应接高电平（即“1”），在此次设计中用9012PNP型三极管来控制三极管的导通，关断来控制COM端的高低电平，而控制三极管的导通，关断是由三极管的基极接单片机I/O口（P2.0-P2.3）来控制的。
若P2.0送低电平0，三极管T1则导通，再配合P0.0-P0.7送出的字型码，便可在数码管上显示相应的字样。
若P.0送低电平1，三极管T1则关断，数码管即灭。
显示部分通过此原理来工作。
3.2.3.2LED显示器接口原理[6]
LED（LightEmittingDiode）是发光二极管的缩写。
LED显示器是由发光二极管构成的。
LED显示器在单片机中的应用非常普遍。
（1）LED显示器的结构如图9所示
图9LED显示器结构图
常用的LED显示器为8段（或7段，8段比7段多了一个小数点“dip”段）。
每一个段对应一个发光二极管。
这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图3-17所示。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连结在一起，通常此公共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连结在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阳极为低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示[11]。
为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同的字型，因此该代码称之为段码（或字型码）。
7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。
因此提供给LED显示器的字型码正好是一个字节。
各段与字节中的各位对应的关系如表3-1。
表3-1显示段与代码位的对应关系表
代码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dip
g
f
e
d
c
b
a
按照表3-1格式，8段LED显示器的字型码如表3-2所示。
表3-28段LED显示器部分字型码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极
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