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进展，电子测量成为广大电子工作者必需把握的手腕，对测量的精度和功能的要求也愈来愈高，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。
该电路采纳高精度、双积分A/D转换电路ICL7135，测量范围为直流0-+5伏，利用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、硬件各部份电路的工作原理、设计进程和调试进程，最后给出详细的测试数据而且进行了分析。
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、电流和频率是最大体的三个被测量，其中电压量的测量最为常常。
而且随着电子技术的进展，更是常常需要测量高精度的电压，因此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，它是采纳数字化测量技术，把持续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不持续、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，长时刻持续利用易引发视觉疲劳，利用中存在诸多不便。
而目前数字万用表的内部核心多是模／数转换器，其精度专门大程度上限制了整个表的准确度，靠得住性较差。
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，由各类单片A/D转换器组成的数字电压表，已被普遍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，示出壮大的生命力[2]。
与此同时，由DVM扩展而成的各类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,该电路采纳ICL7135高精度、双积分A/D转换电路，利用LED数码管显示。
第一章设计任务…………………………………………………………………5
功能……………………………………………………………………………5
技术指标………………………………………………………………………5
第二章设计思路………………………………………………………………6
方案确信………………………………………………………………………6
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转换电路要紧构造…………………………………………………10
操纵部份的设计……………………………………………………………18
3.2.1STC89C51单片机的结构……………………………………………18
3.2.2STC89C51单片机最小系统……………………………………………19
显示部份的设计……………………………………………………………20
3.3.1显示电路原理图………………………………………………………20
3.3.2LED显示器接口原理…………………………………………………21
软件流程图………………………………………………………………24
4.2.1.按时器1中断服务程序……………………………………………25
4.2.2数据处置程序…………………………………………………………26
4.2.3显示程序………………………………………………………………26
第五章安装与调试……………………………………………………………27
安装和调试工具……………………………………………………………27
硬件的调试…………………………………………………………………27
软件的调试………………………………………………………………28
设计中碰到的问题………………………………………………………28
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，精度不低于1%，测量结果数字显示。
2.原理框图及各部份的功能
（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，并将其送给操纵、处置电路。
（3）操纵、处置系统：
搜集A/D转换器传过来的信号进行相应的处置，送往显示部份；
（4）显示电路：
将数字信号显示出来。
图1-1整体框图
技术指标
1.测量电压范围：
0-5V的直流电压；
2.最小分辨率；
3.显示要清楚稳固。
第二章设计思路（设计方案论证）
方案确信
1.电源方案
（1）利用7八、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，应用普遍。
每种类型由于内部电流的限制，和过酷爱惜和安全工作区的爱惜，使它大体上可不能损坏。
（2）利用实验室里的双稳压电源，尽管精度取得保证，但不是很方便。
通过比较，选用实现？
V电源
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刻（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由按时器/计数器取得数字值。
其优势是用简单电路就能够取得高分辨率，本钱低廉，超级适合此刻所需。
（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组成，从MSB开始，顺序地对每一名将输入电压与内置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。
其优势是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价钱廉价，但高精度（>12位）时价钱很高。
（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。
其原理是第一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的分辨率几乎能够无穷增加，只要采样的时刻能够知足输出频率分辨率要求的积存脉冲个数的宽度。
其优势是分辩率高、功耗低、价钱低，可是需要外部计数电路一起完成AD转换。
选用
3.操纵和处置系统方案
（1）利用STC89C51来实现操纵和处置，它功能强，速度快，寿命长，价钱低。
（2）利用ARM技术来实现操纵和处置，ARM的RISC体系结构的进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，这确实是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色，可是价钱昂贵。
4.显示电路
（1）八段LED数码管来显示电压结果，价钱廉价。
（2）LCD液晶显示，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰硕、超薄轻巧的诸多优势，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中取得愈来愈普遍的应用，但价钱昂贵。
选用
综上所述电源部份我选取的是7八、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，操纵、处置系统选用的是STC89C51，显示部份选用的是八段LED数码管，此方案既能完成预定目标，材料费又比较低廉。
设计框图
1.设计进程框图如图2-1
图2-1设计进程框图
2.电路原理框图如图2-2
如图所示，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置。
处置后的数据送到数码管中显示。
LM317和7905（和前面不符）别离提供正负电压给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为重要，它的参数关系到测量电路性能。
本设计采纳双积A/D转换器ICL7135，它的性能比较稳固，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普遍的应用。
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刻距离T1，再利用计数器测出现在刻距离，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一样的处置，在经常使用的A/D转换芯片（如ADC-080九、ICL713五、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）、价钱低廉、抗干扰能力强等优势。
波形如图3-2所示。
3.1.2A/D转换电路要紧构造（的组成及各集成电路功能介绍）
AD转换电路要紧由ICL713五、LM317、TL431、LM35八、74LS74等芯片及其它器件组成。
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是采纳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要紧特点如下：
（序号不持续）
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固。
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～±。
d.模拟出入能够是差动信号，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操纵信号。
g.输出为动态扫描BCD码。
h.对外提供六个输入,输出操纵信号（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,微处置器或其它操纵电路连接利用。
i.采纳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数字部份
数字部份要紧由计数器、锁存器、多路开关及操纵逻辑电路等组成。
ICL7135一次A/D转换周期分为四个时期：
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）,要紧介绍引脚的利用。
（a）R/H（25脚）当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，ICL7135处于持续转换状态，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在完本钱次A/D转换后进入维持状态，现在输出为最后一次转换结果，不受输入电压转变的阻碍。
因此利用R/H端的功能能够使数据有维持功能。
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时期开始进行A/D转换。
注意：
第一次转换周期中的AZ时期时刻为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转换周期终止后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时刻对应在每一个周期开始时的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终止后101个时钟周期产生。
因为每一个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（只有AZ和DE时期开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），因此ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。
需要注意的是，若上一周期为维持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。
ST信号要紧用来操纵将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处置器进行传送。
（c）BUSY（21脚）在双积分时期（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。
因此利用BUSY功能，能够实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方式是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可取得原先的转换结果。
（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信号终止时变高。
在DE时期开始时变低。
（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信号终止，UR将会变高。
该信号在INT时期开始时变低。
（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时期开始时转变，并维持一个A/D转换调期。
（g）位驱动信号D五、D4、D3、D二、D1（1二、17、1八、1九、20脚）每一名驱动信号别离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。
在正常输入情形下，D5--D1输出持续脉冲。
当输入电压过量程时，D5--D1在AZ时期开始时只别离输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE时期开始时才输出持续脉冲。
利用那个特性，可使得显示器件在进程时产生一亮一暗的直观现象。
（h）B八、B4、B二、B1（1六、1五、14、13脚）该四端为转换结果BCD码输出，采纳动态扫描输出方式，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，关于万位数只有0和1两种状态，因此其输出的BCD码为“0000”和“0001”。
当输入电压过量程时，列位数输出全数为零，这一点在利历时应注意。
最后还要说明一点，由于数字部份以DGNG端作为接地端，因此所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。
基准电压，基准电压的输入必需关于模拟公共端COM是正电压。
[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，是利用极为普遍的一类串联集成稳压器。
LM317的输出电压范围是至37V，负载电流最大为1.5A。
它的利用超级简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
另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内置有过载爱惜、安全区爱惜等多种爱惜电路。
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）。
利用输出电容能改变瞬态响应。
调整端利用滤波电容能取得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，能够用来调剂高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。
固然还要幸免输出端短路。
还能够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
它要紧特性:
（1）可调整输出电压低到。
（2）保证1.5A输出电流。
（3）典型线性调整率%。
（4）典型负载调整率%。
（5）80dB纹波抑制比。
（6）输出短路爱惜。
（7）过流、过酷爱惜。
（8）调整管安全工作区爱惜。
（9）标准三端晶体管封装。
（10）至37V持续可调。
[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犹如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，在典型动态电阻欧姆时为mA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。
参考从逻辑电源可方便地取得稳固参考电压。
由于TL431,A、B工作方式为并联稳压器，因此能够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：
摄氏度。
（3）低动态输出阻抗，典型为欧姆。
（4） 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周密参考。
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操纵。
在每一项上述应用中在各类工作电流和负载电容情形下维持器件的稳固性相当关键。
有些情形下，电路设计者能够从图3-8提供的稳固性边界条件曲线估量出稳固电容。
但是这些曲线仅提供在指定阴极电压和指定负载条件下的稳固性信息。
需要更多的信息以确信优化相位余量或许诺处置误差所需的电容。
图3-8稳固性边界条件
[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利用，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。
它的利用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业操纵、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的利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（±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。
[9]功能介绍
74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每一个器件中包括两个相同的、彼此独立的边沿触发D触发器电路模块。
如图3-10所示。
3-1074LS74内部逻辑图
操纵部份的设计
3.2.1STC89C51单片机的结构[8]
89C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，能够作为一般输入/输出口（第一功能），也能够作为特殊输入/输出口。
RST为复位输入线，ALE、——P——S——E——N、——E——A为系统扩展操纵线，XTAL1和XTAL2为时钟电路输入/输出线，VCC、VSS为电源输入线，一样接＋5V和地。
3.2.2STC89C51单片机最小系统[7]
最小系统包括单片机的大体供电、时钟电路和复位电路。
1.时钟和时钟电路
时钟电路是运算机的心脏，它操纵着运算机的工作节拍。
STC89C51单片许诺的时钟频率的典型值12MHZ，也能够是6MHZ。
本设计采纳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。
接到晶振两头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，本设计当选用20PF瓷片电容。
当单片机加电以后延迟约10ms的时刻振荡器起振产生时钟，不受软件操纵（XTAL2输出幅度为3V左右的正弦波。
2.复位和复位电路
运算机在启动运行时都需要复位，使中央处置器CPU和系统中的其它部件都处于一个确信的初始状态，并从那个状态开始工作。
单片机的复位引脚是RST，当振荡器起振后，该引脚上显现2个周期的高电平，是器件复位，只要RST维持高电平，单片机维持复位状态。
单片机复位方式有二种：
上电复位（如图3-14）、人工复位（如图3-15）。
图3-14上电复位电路
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