多功能数字电压表Word格式文档下载.docx
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2
8月31日
查阅相关资料、进行方案论证
3
9月1日
参数计算、确定方案
4
9月2日
绘制原理图，设计PCB板图
5
9月3日
设计PCB板图，程序设计
6
9月6日
程序设计
7
9月7日—8日
程序调试
8
9月9日
撰写论文
9
9月10日
论文答辩，成品验收
智能仪器课程设计成绩评定表
系（部）：
班级：
学生姓名：
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；
能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；
有综合归纳资料的能力
工作量饱满，难度适中。
0.3
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
评阅教师签名：
课程设计总评成绩
中文摘要
传统的指针式电压表功能单一、精度低,在测量电压时需要手动切换量程，不仅不方便，而且要求不能超过该量程，如果在测量时忘记了改变量程，则会出现很大的测量误差，甚至有将电压表烧坏的可能。
随着电子技术及数字技术的发展，传统的指针式电压表逐渐不能满足数字化时代的需求。
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，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、离散的数字形式并加以显示的仪表采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。
本文介绍一种基于C8051F020单片机的高精度直流电压和交流电压有效值、峰值、平均值的测量方法，给出由C8051F020单片机、自动量程切换开关CD4502、真有效值AC／DC转换器AD736组成的简易数字电压表，测量交直流电压范围在0.002V—2V伏，使用LED数码管显示。
关键词数字电压表，C8051F020单片机，自动量程切换,真有效值转换器
1多功能数字电压表设计任务描述
1.1设计主要内容及要求
1.1.1设计目的
1.1.2基本要
（1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。
（2）数字电压表软件设计
（3）要求能够测量并显示直流电压、交流电压，测量范围0.002V---2V。
1.1.3发挥部分
手动切换测量交流电压的有效值、峰值、平均值。
1.2课程设计论文的基本要求
1.3时间进度安排
2多功能数值电压表硬件设计思路
硬件电路设计主要是基于C8051F020单片机模数转换，首先进入单片机模数转换的电压不能超过2.4V，否则容易烧坏单片机，但是本次设计的多功能数字电压表测量范围是0.002V—2V,所以不存在电压过载的问题。
再次就是为了使测量数据比较精确，所以测量电压值都转换到0.2V-2V输入模数A/D转换，所以在输入A/D转换前需要对测量电压进行放大。
再就是需要将测量的交流电压转换为其有效值在输入A/D模数转换，整个硬件系统主要由以下几部分组成:
（1量程自动切换电路:
完成信号量程选择。
（2）真有效值转换电路:
对交流电压的真值转换为进行转换。
（3）C8051F020单片机模数转换及最小系统电路:
完成对采集的数据处理和对单片机系统的控制。
（4）显示器:
由8255芯片和74LS164及数码管组成,将测量的电压信号显示出来。
3多数字电压表硬件系统设计框图
图3-1硬件系统设计框图
4硬件系统主要电路分析
4.1C8051F020单片机最小系统电路
最小系统是指保证系统能正常工作的最基本电路和软件部分，单片机的最小系统电路包括外部晶振电路、电源电路和复位电路，如图4-3所示。
（a）外部晶振电路（b）电源电路
（c）外部复位电路
图4-1单片机最小系统电路
时钟基本脉冲是CPU工作的基础。
C8051F310单片机的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。
C8051F310在内部集成了完整的振荡电路，XTAL和EXTAL分别为振荡器的输出和输入，XTAL和EXTAL引脚可接入一个石英或陶瓷振荡器，如图4-1（a）所示。
图中电阻R2是为了避免对外接晶体振荡器的过驱动，电容C可提高振荡器的稳定性。
为单片机提供电源是单片机正常工作的最基本操作，电源通过电容与单片机并联相连，是为了避免出现耦合，对单片机造成损伤。
外部复位电路是通过外部
引脚提供了使用外部电路强制MCU进入复位状态的手段。
在
引脚上加上一个低电平有效信号将导致进入复位状态。
最好能提供一个外部上拉或对
引脚去耦以防止噪声引起复位，如图4-1（c）所示。
在低有效的
信号撤出后，MCU将保持在复位状态至少12个时钟周期。
从外部复位状态推出后，PINRSF标志（RSTSRC.O）被置位。
4.2 量程自动切换电路
量程的自动切换由初设量程开始,直至选出最佳的量程为止。
量程自动切换电路如图4-1所示,控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程,为解决这个问题系统中采用软件延时,然后再进行测量与判断。
为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动,在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。
该单元中运算放大器与多路模拟开关CD4052的其中一组开关执行相应量程的选择,。
CD4052的A、B以及INH分别接单片P21,P20,P22。
图4-2量程自动切换电路
4.3真/有效值转换电路
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。
其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±
3%.
AD736的内部框图如图1所示。
它主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元（又称有效值芯子RMSCORE）、偏置电路、输出放大器等组成。
芯片的2脚为被测信号VIN输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出。
偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。
AD736的内部框图如图4-3所示：
图4-3AD736的内部框图
AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列如图2所示。
各管脚的功能如下：
+Vs：
正电源端，电压范围为2.8～16.5V；
-Vs：
负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；
Cc：
低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；
VIN：
高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。
该端有两种工作方式可选择：
第一种为输出AC+DC方式。
该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；
第二种方式为AC方式。
该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。
COM：
公共端；
Vo：
输出端；
CF：
输出端滤波电容，一般取10μF；
CAV：
平均电容。
它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。
其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。
多数情况下可选33μF.
AD736引脚图如图4-4所示：
图4-4AD736引脚排列
图4-5为双电源供电时的典型应用电路，该电路中的+Vs与接地、一vs与接地之间均应并联一只0．01F的电容以便滤掉该电路中的高频干扰。
C2起隔直作用。
若将1脚与8脚短接而使C2失效，则所选择的就是AC+DC方式；
去掉短路线，即为AC方式。
在设计过程中通过一个开关可以选择测量的交流信号为AC+DC方式值还是AC方式值。
R1为限流电阻，D1、D2为双向限幅二极管，起超过压保护作用，可选IN4148高速开关二极管。
图4-5真有效值转换电路
4.4数码管显示及交流电压有效值、峰值、平均值测量切换开关电路
数码管显示及交流电压有效值、峰值、平均值测量切换开关电路主要是运用到了8255芯片。
8255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。
各部分功能概括如下：
（1）端口A、B、C
A口：
是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。
B口：
是一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。
C口：
是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。
通常A口、B口作为数据输入/输出端口。
C口作为控制/状态信息端口，它在“方式控制字”的控制下可分为两个4位端口，每个端口有一个4位锁存器，分别与A口、B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。
（2）工作方式控制电路
工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。
这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或者按位置“1”。
A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分（PC7-PC4）。
B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分（PC3-PC0）。
（3）总线数据缓冲器
总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。
（4）读/写控制逻辑电路
读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、地址信号A1-A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，发往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。
数码管显示及交流电压有效值、峰值、平均值测量切换开关电路如4-3图：
图4-3数码管显示及交流电压有效值、峰值、平均值测量切换开关电路
5软件设计流程图
图5-1软件流程框图
6系统软件分析
6.1A/D模数转换程序
经单片机采集进来的电压值为模拟电压值，需要转换为单片机能够处理的数字电压值。
C8051F020单片机片内含有一个9通道的12位模/数转换器ADC0。
A/D转换按原理可以分为计数式、平行式、双积分式、逐次逼近式等，本次设计采用的是逐次逼近式。
使用A/D转换器将模拟电压转换为数值电压，首先掌握A/D转换器的各种寄存器以及它们的使用方法，再次是要将A/D转换器转换的十六进制数转换为是十进制数。
A/D初始化程序及服务程序：
voidADC0_Init（void）
{
AMX0CF=0x00;
A/D输入通道设置为独立的单端输入方式
AMX0SL=0x00;
选择ADC输入通道为AIN0
REF0CN=0x03;
电压基准，选择内部电压
ADC0CF=0x58;
选择时钟周期为1MHz,系统为12MHz,增益为1
ADC0CN=0xc0;
选择启动方式为写BUSY,数据右对齐
EA=1;
启动中断
EIE2=0x02;
禁止ADC0转换结束中断
}
voidADC0_ISR（void）interrupt15
{
c=ADC0H;
数据高四位
d=ADC0L;
数据的低八位
ADC0CN&
=0xdf;
请标志位
ADC0CN|=0x10;
重新启动A/D转换
}
数值转换程序：
F7SEG[3]=d&
0x0f;
12为ADC0转换值的低四位保存在数组F7SEG[3]中
F7SEG[2]=（d>
>
4）&
12为ADC0转换值的中间四位保存在数F7SEG[2]中
F7SEG[1]=c&
12为ADC0转换值的高四位保存在数组F7SEG[0]中
b1=F7SEG[1]*256+F7SEG[2]*16+F7SEG[3];
将ADC012位转换的十六进制数转换为十进制数
b=b1*0.5859375;
将ADC0转换的值转化为相对应的电压值
6.2电压值转化为显示的数值程序
将电压值转化为一个一个数值显示在数码管上，需要对十进制电压值进行转换，以将测量200mv以上电压为例,如下：
ff0=b/1000;
ff0为千位数值
F7SEG[0]=ADC0Data[ff0];
F7SEG[0]为千位的字形编码
ff=（b-ff0*1000）;
ff1=ff/100;
ff1为百位数值
F7SEG[1]=ADC0Data[ff1];
F7SEG[1]为千位的字形编码
ff=（ff-ff1*100）;
ff2=ff/10;
ff1为十位数值
F7SEG[2]=ADC0Data[ff2];
F7SEG[2]为十位的字形编码
ff=（ff-ff2*10）;
ff3=ff;
ff1为个位数值
F7SEG[3]=ADC0Data[ff3];
F7SEG[3]为个位的字形编码
因为不同的量程对应的数码管显示不同的小数点为，只要那位数码管要显示小数点，只需要将该数码管要显示的字形码与0x80与，即可在该为上显示小数点位。
不同的量程范围对应的数值不同，但是其转换原理与上面大致相同，就不在累述了。
6.3数码管显示程序
本次设计是8255芯片驱动数码管显示，显示程序如下：
a=0x01;
{for（j=0;
j<
4;
j++）循环四次
{k=F7SEG[j];
Pointm=PORTB;
输出位码
*Pointm=a;
Pointm=PORTC;
输出段码
*Pointm=k;
a=a<
<
1;
a座椅一位
for（i=0;
i<
=50;
i++）;
}延时
a=0x01;
7元器件清单
PartType
Designator
Footprint
0.1uF
C13
RAD0.1
74LS244
U10
DIP-20
C3
100K
R13
805
C4
R11
C2
R15
C1
R18
0.01uF
C6
270Ω
R5
C10
R6
C7
R8
C15
R7
C17
R2
C14
R1
1K
R9
R4
R12
R3
R17
1000K
R14
R31
8255
U9
DIP-40
R10
AD736
U2
DIP8
R30
C8051F020/2
U6
TQFP-100
2.2uF
C8
RB.1/.2
CON1
J2
3K
R22
HEADER2
JP4
SIP2
4.7uF
C16
HEADER5X2
JP5
CON10
4.75K
R20
HEADER6
JP8
SIP6
8HEADER
JP2
SIP8
JP1
JP10
JP3
10K
R16
HEADER8
JP9
10uF
C9
JP7
C5
JP6
11.059MHz
X1
XTAL1
KEY
S1
DIP2
15KΩ
R21
VR1
LED
LED1
LED0.5
20pF
C11
LED2
C12
LED3
47K
R19
LED4
74LS04
SWDIP-8
S3
DIP16
ULN2003A（16）
U11
小结
两周的智能仪器课程设计结束了，真的过的很充实，学到了很多东西，比起以前做的课设，进步了很多，这是我感到最欣慰的地方。
开学就开始做课设，其实对我们来说其实挑战还是挺大的，特别是像这次这样，不仅要把硬件电路设计出来，还要在实验箱上编写程序模拟出来。
刚刚暑假结束，大家可能暑假都在玩，已经把上学期学到东西都忘得差不多了，要把东西设计出来我们就要好好复习以前的知识，上图书馆，在网上找些相关的资料。
在吕老师把题目发下来后，我没有浪费一点时间就马上去图书馆找资料了，但是开始在图书馆找书面资料时，我几乎把图书馆四楼相关的资料都看了，但是还是没有找到我要的，最后只有去多媒体教室去找一些论文资料，在上面我找到了基于各种单片机设计数字电压表的资料，在看了一些资料后，我感觉轻松了，其实数字电压表的硬件一点也不难，只要知道相关的芯片就挺好设计的，如量程自动切换开关，交流电压的真有效值转换芯片，就可以设计一个简单的数字电压表。
所以在第一周经过努力和不断向老师求证，最终把硬件电路设计出来了，当然把硬件设计出来后面临的就是画电路图，制PCB板，因为暑假我特意学了Protel99,所以这些对我来说都不是很难的。
但是在制PCB板的时候最难的就是各个元器件的封装，因为以前学的时候都是每个元器件都有封装，但是现在面对的一些新的芯片，有些不知所措，但是在同学们的帮助下，都得以解决。
第二个星期就是编写程序，这次首先遇到的问题就是，以前都是用汇编写的，但是这次老师要求我们尝试用C编，这有点让我不知所措，但是在看了几个C编写的程序，同时敲到电脑下载运行后逐渐找到了感觉，特别是对数码管是显示程序能够很彻底的了解和运用了。
所以最终选择用数码管显示电压值。
编程首先遇到的问题就是如何将模数转换值如何转化为十进制，这个问题我差不多发了两天的时间才解决，不断查找资料和同学们讨论，最终找到了解决方案，就是见ADC012位十六进制数分别存储到到三个空间中，再高位乘256，中间四位乘16，它们在和低四位相加，最终得到了ADC0的十进制数。
接着就是如何对电压值进行自动量程的切换，这是一个比较简单的问题，没有花多长时间就解决了。
再就是通过键盘的四个功能键实现交流电压的有效值、峰值、平均值的测量，因为要通过读键码值来判断执行那段程序，同时在键码按下后要保持，这个花了我较长的时间去考虑和验证，但是最终都解决了。
在这次课设中，Protel99有了更深的了解和运
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