智能仪器课程设计.docx
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智能仪器课程设计
智能仪器课程设计
课程设计名称3位半数字电压表
学生姓名、学号谭彩铭（0501170118）
指导教师牛国柱
2009-1-16
课程设计要求
设计一3位半直流数字电压表，满足下列要求
1、量程为20mV，200mV，2V，20V，200V，测量精度要求0.1%
2、3位半数码显示
3、工作状态显示
4、开机自检
5、配简单键盘，如量程切换
6、配微型打印机接口
由实际操作中遇到的问题找解决方案
实际搭建的数字电压表的量程为20mV，200mV，2V和8V，能完成量程的自动切换，并有各种量程状态以及超、欠量程的指示灯显示。
原理图附录一所示。
对应的完整汇编程序见附录三。
1原理图总体思路
由于采用3位半AD转换器TC14433，提供的基准电压为2V，可测电压量程为2V，故大于2V的待测电压衰减后输入，小于2V的待测电压放大后输入。
衰减和放大由51单片机控制控制模拟开关4051，4052来完成。
调试当中，发现若输入电压为负时，比例放大就不准确了，且相差较大，故又用运放和模拟开关搭建了一反相控制电路。
原理图当中，U15为用OP07搭建的电压跟随器，用于增大输入阻抗，减小输出阻抗，以减少对待测电压的影响。
U16为用OP07搭建的一反相器。
U1用于若发现待测电压为负，让待测电压反相后进入后续电路。
U6作用同U15。
U1用于控制是否将待测电压衰减1/4后进入后续电路。
U4和U7用于控制是否对电压进行衰减以及衰减多少。
U17作用同U15。
U2为用MC1403搭建的2V电压源，用于输出较准确的电压源给TC14433作为基准电压。
2AD转换部分
TC14433中，EOC与DU端相连，选择连续工作方式。
EOC与51单片机的中端口0相连，由中断方式采集数据。
中断0采集数据服务子程序如图2所示。
3升降量程及量程状态指示灯显示程序控制
升降量程即控制模拟开关4051和4052，是否对待测电压进行放大或衰减。
如何有效的控制量程的自动转换是一较难点，尤其是保证程序的健壮性。
程序中要求如果欠量程，就要升一级量程。
若原量程是2V量程，那么升一级量程后是8V量程。
若原量程是20mV，那么升一级量程后是200mV，等等，共有4中可能，当然较容易想到的是用4组判断语句来完成这个工作，加上欠量程的语句，共有8组判断语句，那程序的效率是不高的，尤其是当量程的选择更多时。
故借用一内存单元2DH，如要升量程，即将2DH加1，要降量程，即将2DH减1，较重要的一点是，2DH内存单元在位寻址区，可以位寻址。
如表1所示。
图2中断0采集数据服务子程序
表1
P1.0
P1.1
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
69H
68H
2DH
欠量程
4
放大100倍（20mV量程）
0
0
0
0
1
0
1
1
3
放大10倍（200mV量程）
1
0
0
0
0
1
1
0
2
不放大不衰减（2V量程）
0
1
0
0
0
0
0
1
1
衰减1/4（8V量程）
0
1
1
1
0
0
0
0
0
超量程
-1
69H和68H为2DH内存单元中的低两位，分别记为M，N。
这样P1口的控制就很容易用汇编语言实现了。
4电压测量精度问题
虽然加了几个电压跟随器解决了模拟开关的输入阻抗问题，但是模拟开关4052存在导通电阻，该导通电阻在比例放大电路部分的干扰就比较大了。
如图3所示。
图3比例放大控制电路
在4052中，Xn和X，Yn和Y之间相当于接一电阻Rx和Ry（导通电阻），它的存在影响了比例放大系数。
在放大10倍时，可以将R13阻值设为89.5k，在串接入1k的滑动变阻器，调节变阻器，可以使比例放大系数达到10。
放大100倍时也是如此。
但是放大1倍时，就不可能再接入滑动变阻器了，虽然将U4的6脚和U7的15脚相连，消除了Rx的影响，但是无法消除Ry的影响。
解决方案之一是将U4改成反相比例放大电路，这样都可以接入滑动变阻器校准了。
但是这样做的缺点可能存在两方面，一是滑动变阻器的阻值是否稳定，二是Rx和Ry的阻值是否稳定。
故采用方案二可以很好的解决这个问题，如图4所示。
图4比例放大电路2
当选通X0和Y0时，对应的等效电路如图5所示。
图5等效电路
Rx和Ry为模拟开关4052的等效电阻。
从图5中可知，U17搭建的电压跟随器具有高输入阻抗特性，几乎不受Ry的影响。
另外，Rx的位置不影响比例系数。
这样，只要R13，R11的阻值准确，可以使电压的比例放大系数趋于准确。
对于AD转换器TC14433，其转换精度为读数的±0.05%±1字，满足测量精度要求。
520V和100V量程的功能实现
实际操作所搭建的电路（如图1）最大可以测量8V电压（还需将图一中运放供电电压改接为±15V），为了可以测量更高的电压，需要做一些改进。
改进后的电路原理图如附录二所示。
6输入过压保护电路
输入过压保护电路如图7所示
图6过压保护电路
当输入电压（未衰减）大于2.5V时，二极管D1导通；当输入电压小于-2.5V时，二极管D2导通；当输入电压在-2.5V到2.5V之间时，二极管D1和D2均不导通，此时U15为电压跟随器。
当二极管D1导通时，利用叠加原理可得放大器输入端电压V为
式1
式中，
为二极管导通压降。
因
和
，所以
＞
式2
当输入电压为1000V时，可限制在±4V左右的范围内。
此时，流经电阻
和二极管的电流约为10mA。
当电阻
功率不小于10W时，可保证在最大输入电压为1000V的情况下，电路可长期承受过载电压。
这里，只要输入电压大于2.5V，过压保护电路的输出电压也会大于2.5V（如式2所示），这样，51单片机就会输出过量程信号，这时需要手动波动三掷开关U1，经衰减后输入。
7自检与打印机接口
自检的内容包括RAM的自诊断、ROMEPROM的自诊断、CPU的自诊断、I/O端口的自诊断、总线的自诊断和人机界面的自诊断。
打印机可以选择串行输入型的，如选择并行输入型的需要接锁存器进行端口分时复用，或者接入串并转换电路。
附录一实际搭建的电路原理图
附录二改进后的电路原理图
附录三实际搭建的电路图对应的程序
org0000H
ljmpmain
org0003H
ljmpad
org0013H
ljmpkey
org0030H
main:
movTCON,#00000101B;inpuse,tocauseinterruption
movIE,#10000101B;enableinterruption
clrP1.0
setbP1.1
clrP1.2
clrP1.3
clrP1.4
clrP1.5
clrP1.6
clrP1.7
movR2,#01H
show:
jb77H,S3
clrP1.7
ajmpS4
S3:
setbP1.7
S4:
jb74H,S1
movA,#11100000B
ajmpS2
S1:
movA,#11100001B
S2:
movP2,A
acalldelay
movR1,#2EH
movA,@R1
anlA,#00001111B
orlA,#11010000B
movP2,A
acalldelay
movR1,#2FH
movA,@R1
swapA
anlA,#00001111B
orlA,#10110000B
movP2,A
acalldelay
movA,@R1
anlA,#00001111B
orlA,#01110000B
movP2,A
acalldelay
ajmpshow
ajmpshow
ajmpshow
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;delay
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
delay:
movR3,#0FFH
DL1:
NOP
NOP
DJNZR3,DL1
ret
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;interruption0,getthevoltage
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
ad:
movA,P0
jnbAcc.4,ad
jbAcc.2,PL1;ifminus,
cplP1.2
PL1:
jbAcc.0,PEr;ifrangenotsuitable,gotoPEr
PL2:
jbP1.2,PM1
clr77H
ajmpPM2
PM1:
setb77H
PM2:
jbAcc.3,PL3;kilobit,0or1
setb74H
ajmpPL4
PL3:
clr74H
PL4:
movA,P0
jnbAcc.5,PL4;waitforhundred
movR0,#2EH
xchdA,@R0;tothelowhaghpartof2EH
PL5:
movA,P0
jnbAcc.6,PL5;waitforten
swapA
incR0
mov@R0,A;tothehighhaghpartof2FH
PL6:
movA,P0
jnbAcc.7,PL6
xchdA,@R0;tothelowhaghpartof2FH
cplP3.6
reti
PEr:
jnbACC.3,higher
incR2
ajmpdeal
higher:
decR2
cplP3.7
deal:
mov2DH,R2
acallchange
reti
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;functiontochangetherange
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
change:
cjneR2,#-1H,cha1
ajmpalarm
cha1:
cjneR2,#4H,cha2
alarm:
movR2,#01H
ret
cha2:
movC,68H
anlC,69H
movP1.0,C
movP1.6,C
movC,69H
cplC
movP1.1,C
anlC,/68H
movP1.3,C
movP1.4,C
cjneR2,#2H,cha3
setbP1.5
ret
cha3:
clrP1.5
ret
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;interruption1，nouse
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
key:
cplP3.7
reti
end
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