《电气工程训练》设计报告--智能数字电压表.doc

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《电气工程训练》设计报告

----智能数字电压表

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

中南大学

2014年9月30号

目录

1引言 2

1.1数字电压表的发展背景 2

1.2数字电压表的发展现状 3

1.3数字电压表的发展意义 3

2设计要求 4

2.1设计任务 4

2.2设计要求 5

2.3实验任务 5

3设计方案 5

3.1系统设计 5

3.2系统框图 6

4硬件电路 6

4.1单片机系统 6

4.2A/D转换电路 8

4.3量程自动切换电路 11

4.4LED点阵显示电路 12

4.5电源电路 14

4.6超量程报警电路 14

5软件设计 15

5.1程序结构 15

5.2程序分析与设计 15

6结论 20

7致谢 20

8附件（系统仿真图、原理图、PCB图） 21

8.1系统protues仿真图 21

8.2AltiumDesigner设计原理图 21

8.3AltiumDesigner设计PCB图 21

9参考资料 22

1引言

科学技术现代化的今天，是电子技术和信息技术迅速发展的时代。

数字电压表在工程测量、计量检定、科学实验、机械电子、电能电力、邮电通信、国防军工以及工矿企业等诸多领域中，有着非常广泛的应用。

尤其是智能化数字仪表的普及和应用，在数字化、自动化、软件化测量技术中更发挥着重要的作用。

1.1数字电压表的发展背景

数字仪表是把连续的被测模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。

这是一种新型仪表，它把电子技术、计算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切地结合在—起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。

数字仪表的种类很多，应用场合各不相同，其内部结构也相差很大。

根据仪表的用途（即被测量的性质）分为：

数字电压表、数字电阻表、数字电流表、数字功率表、数字Q（品质因数）表、数字电桥及电子计数器等经过适当变换，还可制成测量多种非电量的仪表，如数字温度表、数字转速表、数字位移表、数字钟、数字秤、数字测厚仪及数字高斯计等，还有许多其他数字式测量仪器和测量装置。

自1952年，美国NLS公司首创四位数字电压表，到现在的三十多年中经过了不断的改进和提高。

DVM的体积和功耗越来越小，重量不断减轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐渐扩大。

回顾以下DVM的发展过程，大致可分为三个阶段:

数字化阶段、高准确度阶段、智能化阶段。

1972年，美国Intel公司首创微处理器，不久即研制出微处理器式数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序。

当前，智能仪器发展十分迅速，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大。

我国的数字电压表是从60年代初期发展起来的，现在我国已经有50多个单位研制生产数字仪表，并出现了许多六位表和七位表，准确度达百万分之几，灵敏度已达到0.01uV。

目前，数字电压表已广泛应用在国防、科研、学校、工矿企业、计量部门和各种物理量的非电量测量系统中。

1.2数字电压表的发展现状

传统的电压表功能单一、精度比较低，不能满足时代的需求，采用单片机的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可以去PC进行实时通信。

目前，由各种单片A/D转化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，显示出强大的生命力。

与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

数字电压表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压表。

较之于一般的模拟数字电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。

最近十几年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了DVM和A/D变换器的日新月异，并不断出现新的类型。

今后，总的趋势随简单电路代替复杂电路；高准确度代替低准确度；低成本代替高成本；同时也向着自动化、程控化和智能化相结合的方向发展。

数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。

传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步处理，传统数字电压表是无法完成的。

然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成数据的传递，又可以借助PC对测量数据的处理。

所以数字电压表无论在功能和实际上，都具有传统电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。

1.3数字电压表的发展意义

DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一，而高准度的DC-DVC的出现，又使DVM进入了精密标准测量领域。

这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解，自己动手设计数字电压表与仿真，它可以广泛的应用于电压测量外，通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量，测量是一种认识过程，就是用实验的方法将被测量和被选用的相同参量进行比较，从而确定它的大小。

DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性能和技术指标。

所示我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。

数字电压表对繁多的电量测试具有精度高,测量速度快,自动化程度高等优点,在科研生产的电量测试中得到了广泛的应用。

各种数字仪表中,数字电压表的用途居于较为突出的地位,它不但用来测量各种电量,而且还广泛用来进行各种非电量的电测量,同时在实现工业自动化,生产过程的自动控制以及测量本身的自动化等方面,都起着很重要的作用。

2设计要求

2.1设计任务

运用所学微控制器、智能仪器和现代测控系统等方面的知识，设计出一台以单片机为核心的智能仪器，完成信息的采集、处理、输出及人机接口电路等部分的软、硬件设计。

1．分组完成下列设计任务中的一项：

1）．热电偶多路温度检测仪

设计多路转换开关、程控增益放大电路等对4种不同热电偶的输出信号巡回检测、显示、键盘参数设置、打印温度等功能。

2）．等精度频率计

设计单片机控制部分、通道部分、同步门部分、计数器部分、键盘与显示部分。

可在线键盘参数设置、定时检测、显示。

3）．智能流量监测仪

设计流量检测、处理与显示电路，可在线键盘参数设置、定时检测、显示、定时打印流量的瞬时值和累计值。

4）．单片机电子计价秤

设计重量检测、处理与显示电路，对5种以上不同单价的商品进行称量、计价和打印及键盘参数设置。

5）．步进电机控制仪

由单片机输出脉冲对步进电机进行启动、制动、相位、方向、速度、位置等控制。

例如：

设计程序，使步进电动机实现间断性步进（30步，间隔0.5s）→连续正传（60步，0.1s）→停顿（2s）→反向间断性步进（30步，间隔0.5s）→连续反转（60步，间隔0.1s）。

6）．智能数字电压表

设计输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路、自举电源、键盘与显示部分。

可在线键盘参数设置、定时检测、显示。

7）．智能型数字PID调节器

设计信号采集、处理、输出及人机接口电路（如数显、键盘、指示报警）等部分的软、硬件设计,主要实现数字PID控制。

2．应用微机和单片机实验开发装置完成规定的实验任务；

3．系统硬件部分包括传感器、前置信号处理单元（放大器，滤波器等）、A/D转换、微处理器（MCU）、键盘、显示、打印、报警、多路转换开关、程控增益放大电路、通信接口电路等；

4．系统软件部分包括键盘扫描、A/D转换、数字滤波、标度变换、显示、打印、报警、通信、控制输出、非线性校正、冷端温度补偿、通信等；

5．画出仪表的硬件电路原理图、PCB图、面板结构图和软件程序框图；

6．编写设计说明书一份，阐述仪器的工作原理和软、硬件设计方法。

（硬件设计重点为：

打印、通信接口电路、多路转换开关、程控增益放大电路

软件设计重点为：

打印、通信、控制输出、非线性校正、冷端温度补偿）

2.2设计要求

1．传感器的选择和前置信号处理单元设计；

2．A/D器件选择（5G14433或ADC0809）及其与微控制器接口电路设计；

3．参数给定电路的软、硬件设计：

通过按键及接口电路实现；

4．参数显示电路的软、硬件设计：

通过LED、LCD或点阵式显示器及接口电路实现；

5．参数报警电路的软、硬件设计：

通过语音接口电路板、喇叭或发光二极管实现；

6．参数打印电路的软、硬件设计：

通过微型打印机及其接口电路实现。

7．通信接口电路的软、硬件设计：

通过单片机通信接口电路实现；

8．控制输出电路的设计：

输出模拟信号或开关量信号。

2.3实验任务

1．显示部分：

包括LED显示、LCD显示和点阵式显示；

2．键盘扫描部分：

自定义按键功能，编写并调试键盘扫描程序；

3．A/D转换部分：

利用双积分式A/D转换器5G14433或逐次逼近式A/D转换器ADC0809进行A/D转换；

4．故障报警部分：

针对不同故障进行语音报警、喇叭报警或灯光报警；

5．打印部分：

利用微型打印机打印出不同格式的数据或曲线（含日期、时间）；

6．通信部分：

完成单片机与单片机或单片机与上位机通信的软件调试。

3设计方案

3.1系统设计

本设计主要分为两部分：

硬件电路及软件程序。

而硬件电路除了单片机系统电路之外，还包括了量程自动切换电路、A/D转换接口及按键/显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。

程序的设计使用C语言编程，利用Proteus软件对其编译和仿真，详细的程序会在程序设计部分详细介绍。

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一整套的按位操作系统，称作为处理器，它的处理对象不是字或字节而是位。

虽然其他种类的单片机也具有处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。

Intel公司应用最广泛的单片机包括AT89C51、AT89C52等，其中AT89C51是最典型的产品，可以做乘法和除法指令，给编程带来了便利，并且有一条二进制——十进制调整指令DA，这对于十进制的计量十分方便。

鉴于以上有利因素，在本设计中，我选用了AT89C51单片机芯片。

随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同应用场合的需要。

如果按照转换原理划分，主要有3种类型，即双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。

目前最常用的是双积分和逐次逼近式。

双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。

与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送单片机进行分析和显示。

由于ADC0809比较常用，容易理解，并且功能完全可以满足本设计的需要，所以我选用了ADC0809模数转换器芯片。

由于本设计的任务，是完成一个智能数字电压表的设计，不仅为了达到量程切换的结果，我选用数据选择器CC4051来完成智能型电压表自动