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
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
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