基于51单片机的高精度数字电压表的设计.docx
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基于51单片机的高精度数字电压表的设计
摘要：
随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍[1]。
本文介绍一种基于STC89C51单片机的一种电压测量电路。
该电路采用高精度、双积分A/D转换电路ICL7135，测量范围为直流0-+5伏，使用LED数码管显示。
论文简单介绍了双积分电路的原理、STC89C51的特点、ICL7135的功能和应用，重点描述了高精度数字电压表的设计思想，分析了软、硬件各部分电路的工作原理、设计过程和调试过程，最后给出详细的测试数据并且进行了分析。
关键词：
电压测量；STC89C51；ICL7135；高精度
Abstract:
Alongwiththeelectronicsciencetechnology'sdevelopment,themethodwhichtheelectronicsurveyingintogeneralelectronworkermustgrasp,isalsogettinghigherandhighertothesurveyprecisionandthefunctionrequest,butthevoltagesurveyisprominentreally,becausevoltagesurveymostuniversal[1].ThisarticleintroducedthatonekindbasedontheSTC89C51monolithicintegratedcircuit'sonekindofvoltagemeasurementelectriccircuit,thiselectriccircuitusestheICL7135highaccuracy,thedoubleintegralA/Dswitchingcircuit,themeasuringrangedirectscurrent0-+5volts,usestheLEDnixietubetodemonstrate.Themaintexthasgivensoftwareandhardwaresystem'svariouspartofelectriccircuitsemphatically,introducedthedyadicpowerdistributionroad'sprinciple,theSTC89C51characteristic,theICL7135functionandtheapplication..
Keywords:
Voltagemeasurement;STC89C51;ICL7135;doubleintegralA/Dconverter
序言
在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。
而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器[1]。
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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表[1]。
传统的实验用模拟电压表功能单一、精度低、体积大，且存在读数时的视差，长时间连续使用易引起视觉疲劳，使用中存在诸多不便。
而目前数字万用表的内部核心多是模／数转换器，其精度很大程度上限制了整个表的准确度，可靠性较差。
而数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。
目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力[2]。
与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平[2]。
本文介绍一种基于STC89C51单片机的一种电压测量电路,该电路采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路，使用LED数码管显示。
第一章设计任务…………………………………………………………………5
1.1功能……………………………………………………………………………5
1.2技术指标………………………………………………………………………5
第二章设计思路………………………………………………………………6
2.1方案确定………………………………………………………………………6
2.2设计框图………………………………………………………………………7
第三章硬件设计…………………………………………………………………9
3.1A/D转换电路……………………………………………………………………9
3.1.1双积A/D转换器的工作原理……………………………………………9
3.1.2A/D转换电路主要构造…………………………………………………10
3.2控制部分的设计……………………………………………………………18
3.2.1STC89C51单片机的结构……………………………………………18
3.2.2STC89C51单片机最小系统……………………………………………19
3.3显示部分的设计……………………………………………………………20
3.3.1显示电路原理图………………………………………………………20
3.3.2LED显示器接口原理…………………………………………………21
4.2软件流程图………………………………………………………………24
4.2.1.定时器1中断服务程序……………………………………………25
4.2.2数据处理程序…………………………………………………………26
4.2.3显示程序………………………………………………………………26
第五章安装与调试……………………………………………………………27
5.1安装和调试工具……………………………………………………………27
5.2硬件的调试…………………………………………………………………27
5.3软件的调试………………………………………………………………28
5.4设计中遇到的问题………………………………………………………28
5.5数据分析……………………………………………………………………28
总结………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………31
致谢…………………………………………………………………………………32
附录………………………………………………………………………………33
附录一电路元件清单…………………………………………………………33
附录二高精度数字电压表电路原理图………………………………………34
附录三程序清单…………………………………………………………………36
第一章设计任务
1.1功能
1.总的工作功能
本设计的任务：
设计一个高精度数字电压表，其测量范围为0-5V直流电压，最小分辨率0.001V，精度不低于1%，测量结果数字显示。
2.原理框图及各部分的功能
（1）电源：
给各模块提供所需的电压。
（2）A/D转换：
将输入模拟电压转换成数字信号，并将其送给控制、处理电路。
（3）控制、处理系统：
采集A/D转换器传过来的信号进行相应的处理，送往显示部分；
（4）显示电路：
将数字信号显示出来。
图1-1总体框图
1.2技术指标
1.测量电压范围：
0-5V的直流电压；
2.最小分辨率0.001V；
3.显示要清晰稳定。
第二章设计思路（设计方案论证）
2.1方案确定
1.电源方案
（1）利用78、79系列三端固定正、负稳压器来实现稳压并提供给所需芯片所需电压，这一系列有固定的电压输出，应用广泛。
每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。
（2）使用实验室里的双稳压电源，虽然精度得到保证，但不是很方便。
通过比较，选用实现？
V电源
2.A/D转换方案
（1）积分型（如ICL7135）[5]
积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，成本低廉，非常适合现在所需。
（2）逐次比较型（如TLC0831）[4]
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
（3）压频变换型（如AD650）[3]
压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。
其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。
从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
选用
3.控制和处理系统方案
（1）利用STC89C51来实现控制和处理，它功能强，速度快，寿命长，价格低。
（2）利用ARM技术来实现控制和处理，ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。
而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了Ｔ变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色，但是价格昂贵。
4.显示电路
（1）八段LED数码管来显示电压结果，价格廉价。
（2）LCD液晶显示，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，但价格昂贵。
选用
综上所述电源部分我选取的是78、79系列三端固定正、负稳压器，A/D转换选取的是ICL7135双积分AD，控制、处理系统选用的是STC89C51，显示部分选用的是八段LED数码管，此方案既能完成预定目标，材料费又比较低廉。
2.2设计框图
1.设计过程框图如图2-1
图2-1设计过程框图
2.电路原理框图如图2-2
如图2.2所示，模拟电压送到ICL7135进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。
处理后的数据送到数码管中显示。
LM317和7905（和前面不符）分别提供正负电压给ICL7135工作所需电压，TL431提供基准电压。
（更详细叙述）
图2-2原理框图
第三章硬件设计
3.1A/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。
本设计采用双积A/D转换器ICL7135，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。
3.1.1双积A/D转换器的工作原理[10]
图3-1双积A/D转换器
如图3-1所示：
对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理，在常用的A/D转换芯片（如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D图3-2双积A/D转换器的波形
转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。
波形如图3-2所示。
3.1.2A/D转换电路主要构造（的组成及各集成电路功能介绍）
AD转换电路主要由ICL7135、LM317、TL431、LM358、74LS74等芯片及其它器件构成。
电路如图3-3所示。
图3-3AD转换电路原理图
1．ICL7135的应用[11]（没有应用）
ICL7135引脚如3-4所示
3-4ICL7135引脚图
ICL7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为5V的数字电压表。
（1）ICL7135主要特点如下：
（序号不连续）
a.双积型A/D转换器，转换速度慢
b.在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。
在20000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字相当于14bitA/D转换器。
c.具有自动极性转换功能。
能在但极性参考电压下对双极性模拟输入电压进行A/D转换，模拟电压的范围为0～±4.9999V。
d.模拟出入可以是差动信号，输入电阻极高，输入电流典型值1PA。
e.所有输出端和TTL电路相容。
f.有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。
g.输出为动态扫描BCD码。
h.对外提供六个输入,输出控制信号（R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR）,因此除用于数字电压表外,还能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。
i.采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图所示。
（2）ICL7135数字部分
数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。
ICL7135一次A/D转换周期分为四个阶段：
a、自动调零（AZ）；b、被测电压积分（INT）；c、基准电压反积分（DE）；d、积分回零（ZI）,主要介绍引脚的使用。
（a）R/H（25脚）当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，ICL7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换，图3-5所示。
若R/H由“1”变“0”，则ICL7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。
因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。
若把R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度≥300ns），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。
注意：
第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。
（b）/ST（26脚）每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期。
图3-5ICL7135的波形图
第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。
因为每个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。
需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。
ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。
（c）BUSY（21脚）在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。
因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。
（d）OR（27脚）当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。
该信号在BUSY信号结束时变高。
在DE阶段开始时变低。
（e）UR（28脚）当输入电压等于或低于满量程的9%（读数为1800），则一当BUST信号结束，UR将会变高。
该信号在INT阶段开始时变低。
（f）POL（23脚）该信号用来指示输入电压的极性。
当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。
该信号DE阶段开始时变化，并维持一个A/D转换调期。
（g）位驱动信号D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20脚）每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。
在正常输入情况下，D5--D1输出连续脉冲。
当输入电压过量程时，D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。
利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。
（h）B8、B4、B2、B1（16、15、14、13脚）该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。
在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000--1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。
当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。
最后还要说明一点，由于数字部分以DGNG端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。
基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。
2.LM317[4的介绍
LM317是美国国家半导体公司的三端可调稳压器集成电路。
国内和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM317能够有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
LM317塑料封装外壳如图3-6所示。
3-6封装外壳
它主要特性:
（1）可调整输出电压低到1.2V。
（2）保证1.5A输出电流。
（3）典型线性调整率0.01%。
（4）典型负载调整率0.1%。
（5）80dB纹波抑制比。
（6）输出短路保护。
（7）过流、过热保护。
（8）调整管安全工作区保护。
（9）标准三端晶体管封装。
（10）1.25V至37V连续可调。
3.TL431[4]的功能（介绍）与应用
TL431，A、B集成电路是三端可编程并联稳压二极管。
这些单片集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程至36V。
这些器件显示出宽工作电流范围，在典型动态电阻0.22欧姆时为1.0mA至100mA。
这些基准的特性使他们能在数字电压表、电源和运放电路等许多应用中代替齐纳二极管。
2.5V参考从5.0V逻辑电源可方便地获得稳定参考电压。
由于TL431,A、B工作方式为并联稳压器，所以可以用作正压或负压参考。
TL431塑料封装外壳如图3-7所示。
图3-7塑料封装外壳及符号
管脚1.参考
2.阳极
3.阴极
（1）可编程输出电压，达36V。
（2）电压参考源误差：
典型+/-0.4%@25摄氏度。
（3）低动态输出阻抗，典型为0.22欧姆。
（4）1.0 mA至100mA的灌电流能力。
（5）典型值为50PPM/摄氏度的等效全范围温度系数。
（6）在整个额定工作温度范围内可进行工作温度补偿。
（7）低输出噪声电压。
TL431为用于多方面的可编程精密参考。
在需要非标准参考电压的电路中它可作为参考电压。
其它用途包括驱动电压监视器、恒流源、横流宿、串联稳压器和电源中的光耦合器的反馈控制。
在每一项上述应用中在各种工作电流和负载电容情况下保持器件的稳定性相当关键。
有些情况下，电路设计者可以从图3-8提供的稳定性边界条件曲线估计出稳定电容。
然而这些曲线仅提供在指定阴极电压和指定负载条件下的稳定性信息。
需要更多的信息以确定优化相位余量或允许处理偏差所需的电容。
图3-8稳定性边界条件
4.LM358[3]的功能介绍
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，内部结构图如图3-9所示。
图3-9LM358内部结构
LM358有以下几个特性:
（1）内部频率补偿。
（2）直流电压增益高（约100dB）。
（3）单位增益频带宽（约1MHz）。
（4）电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。
（5）低功耗电流，适合于电池供电。
（6）低输入偏流。
（7）低输入失调电压和失调电流。
（8）共模输入电压范围宽，包括接地。
（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。
5.74LS74[9]功能介绍
74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路模块。
如图3-10所示。
3-1074LS74内部逻辑图
3.2控制部分的设计
3.2.1STC89C51单片机的结构[8]
1.STC89C51结构框图
STC89C51内部结构框图如图3-11。
图3-11STC89C51内部结构框图
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3-12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、、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。
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3-13
图3-13单片机时钟电路
图3-13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。
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
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