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专业工程训练

专业工程训练设计报告

智能数字电压表

1、专业工程训练任务：

1.设计任务：

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。

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期间选择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或者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；

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；

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；

4.具体任务：

ADC0809转换、LED显示、参数给定、灯光报警、模拟量或开关量输出、参数打印；

5.实验要求：

1）自觉遵守实验室各项规章制度；

2）实验前应预习，否则不许进机房；

3）实验完成后，由老师验收并平分；

6.报告要求：

1）综述目前国内相关技术的发展情况；

2）详细论述设计方案；

3）硬件电路设计，最后形成PROTEL下的原理图和PCB图；

4）控制软件框图和程序清单；

5）参考文献；

7.成绩评定：

1）实验成绩：

占总成绩的40%；

2）课程设计：

占总成绩的40%；

3）考勤：

占总成绩的20%；

二、方案论证：

1.最新技术：

1）高频真有效值数字电压表是一种采用半导体集成电－热－电交换器件。

作AC/DC变换的放大检波式宽带数字电压机并由机内的CPU实现自动量程转换、电压分贝及设定阻抗下的功率分贝运算、平均值运算。

均方根运算等功能及GPIB接口与微机联网进入自动测试系统之中的智能化数字电压表。

主要技术指标均已达到或超过英马可尼公司2610同类数安电压表。

该项目填补了空白,投产后可以替代进口,主要元器件国产化。

2）研究中利用田口方法中关于校准的理论,对直流数字电压表的各个档位进行了校准公式的推导,通过用高等级的计量标准进行检验,基于田口方法的校准公式可以满足对测量设备的任意点的校准,这对GUM理论是一个极大的补充,具有很大的现实意义。

在测量不确定度的比较研究中,依据田口方法和GUM两种理论对直流数字电压表各档的满量程值进行了不确定度的评定,对两者的评定结果进行了比较,指出了田口方法和GUM在不确定度评定中的一些优点和缺点。

在直流数字电压表的测量误差分析研究中,利用田口方法采用正交表安排误差因素以及使用正交试验的数据处理方法分析测量误差,解决了多参量有交互效应场合误差分析及测量不确定度的求解,定量的获得了影响直流数字电压表测量误差的影响因素的大小,为我们提高直流数字电压表的测量准确度和测量不确定度的评定准确度提供了依据。

3）无源共地LED数字电压表。

在一次光伏工程中，需要安装监测蓄电池电压，打算采用精度高又亮丽的LED数字表，但是表头需要5V独立直流电源。

为了化简设计，想到使用蓄电池自身电源。

因为LED表平均耗电量只有50mA左右，对于数百安时的蓄电池几乎没有影响，经过试验，克服了相互干扰的现象，只用几个元件就满意地解决了二合一的问题。

4）6位半数字程控电压表的研究。

智能仪表与传统仪表相比具有以下几个主要特征：

（１）多功能、高性能。

智能仪表通常都能自选量程、自动调零、自检、自校。

（２）具有数据处理能力，减轻了测试人员的劳动强度。

（３）具有较完善的可程控能力。

（４）可以用键盘来选择功能、量程和数据处理程序。

（５）可通过各种显示器将结果显示。

智能仪表具有上述优点，因此各仪器仪表开发制造商都争先推出新一代的智能化产品。

当前国产数字表绝大多数低于６位，满足不了一些精度要求较高的领域，例如：

高等级计量、军工和航天领域，以及精密仪器与机械领域。

在这些领域往往需要购买国外的仪器仪表产品，国外的高精度数字表价格都较为昂贵。

因此，探索、制造６位半数字电压表是切合实际的。

国产６位数字电压表极少见，研发出６位半数字电压表具有好的市场前景，具有可观的经济效。

本课题的目的是：

主要通过硬件电路设计实现电压、电流、频率、周期、温度等物理量的高精度测量要求。

对高精度测量的实现做一定的探讨和研究。

另外通过与ＰＣ机的通信实现程控。

首先，可以完成外协项目一一６％数字程控电压表，这是本课题的直接应用目的。

项目是由用户根据需要提出的，完成后可直接应用于实际测量中，具有实用价值并可带来一定的经济效益。

本课题研究获得成功，可为国内高精度测量的发展和完善起到一定的推动作用，具有一定的社会效益。

其次，高精度测量的硬件实现原理可应用于相关领域，使得各种工作所使用的测量参数精度得以保证。

将硬件电路加入到传感器所转化的电量的测量，那么二次处理时的数据精度将得以确保。

这种处理方法梅大大提高测量原理的使用价值，使得所测量的物理量大大增加。

高精度ＡＤ转换芯片的准确使用也是课题意义之一，由于精度的要求，采集的模拟信号量转换成数字信号量就需要较高精度的保证。

为此采用高精度ＡＤ来完成转换，但速度和精度在一定程度上是成反比的，并且基准电压等因素对其有很大影响．，因此需要进行合适的设置和外部电路处理。

课题在此方面进行了探讨研究。

课题所要研究的内容有三个方面：

１．如何设计数掘采集系统以ＡＴ８９Ｃ５５为核心组建采集系统，它必须快速准确采取各种待测参数转化为数字量。

由于要求的精度很高，采集系统应尽可能的排除噪声干扰，充分利用高精度Ａ/Ｄ器件的性能，提高所测物理量的精度。

这些都是本课题所研究的主要内容。

２．怎样进行数据处理单纯利用硬件设计不能够完全实现数字电压表的测量精度达到６位半的要求，另外利用单片机不适合进行数据处理运算，因此利用ＤＳＰ进行一定的数据处理，将精度尽可能提高至要求。

处理方法的选择和实现是课题又一重要研究的内容。

３．数字程控电压表能对交直流电压，电流、频率周期、温度等物理量进行高精度测量，同时要具有测量物理量的选择、量程手动、自动切换、结果的显示、与PC机通信（实现程控）等功能。

另外，根据厂商要求电压表还应该可以通过按键选择一些特殊的功能或完成某些对数字表的设置。

5）智能万用表是带微处理器或单片机的高档数字仪表,它是软硬件相结合,软件决定仪器智能程度的新型仪表。

其主要优点是准确度高、功能强,具有自动校准、自动测量、自动数据处理等功能,可通过RS-232或IEEE-488标准接口与计算机通信,实现自动测试及实时控制功能。

本课题的研究对象为某款产品NB80000万用表,其模拟前端采用专用万用表芯片FS9704。

通过微处理器FSμP01对其实施控制,对待测信号进行测量并将测量结果进行处理,最终通过显示模块予以显示。

研究中设计的通用微控制器控制下的万用表系统主要由以下部分组成：

测量模块、微控制器模块、存储模块、通讯模块、档位选择模块和基于LabVIEW的万用表显示平台。

采用微控制器C8051F020作为控制核心,通过档位选择模块确定当前档位后,微控制器从存储模块中读取相应信息,产生相应控制信号控制测量模块对待测信号进行测量,并取回测量结果显示于基于LabVIEW的万用表显示平台上。

论文主要由以下部分组成：

介绍智能万用表的组成及工作原理。

首先,介绍了智能仪器的概念、特点及一般组成。

然后,以NB80000万用表为例,介绍了万用表的总体构成,说明了其基本工作原理,给出了各模块的电路原理图并对核心部件进行了说明。

最后,介绍了虚拟仪器的应用,比较了传统仪器与虚拟仪器的区别,并对LabVIEW的功能进行了介绍。

介绍通用微控制器控制下的万用表系统的设计与实现。

首先,根据智能数字万用表的一般框架,参考NB80000万用表的硬件结构,构建了通用微控制器控制下的万用表系统。

然后,介绍了各模块的设计和实现方法,着重就其中的核心技术问题进行了讨论。

测量模块用于待测信号的调理,并完成模数转换；存储模块用于存储系统工作所必须的有关数据；通讯模块用于完成应用系统与上位机的数据交换；档位选择模块用于接收档位转换命令,实现万用表系统的档位选择；微控制器是整个系统的控制核心,一方面控制测量模块完成量程的选择,对测量数据进行转换,另一方面完成对存储模块、通讯模块、档位选择模块的控制；基于LabVIEW的显示平台是一个综合平台,一方面可以通过转动功能旋钮发送档位转换命令和测量命令,控制档位的选择并将测量结果显示出来,另一方面可以通过按动功能键实现量程选择、数据保持、相对测量、定时等功能。

以单片机C8051F020为核心,将各功能模块进行集成,形成万用表系统,之后编写校准软件,完善万用表系统的功能,并对校准后的系统进行综合测试,得到了系统性能评估结果。

6）直流数字电压表示值误差测量结果的不确定度评定。

1测量依据：

JJG315一1983《直流数字电压表检定规程》。

2测量环境条件：

环境温度（20士1）℃，      相对湿度不大于60％。

3测量标准：

直流标准器，型号5700A，测量直流电压：

1V，最大允许示值误差为士0.0008%

4被测对象：

数字多用表（仅评定其直流电压部分），型号1071，量程：

10V，最大允许示值误差士（0.002％读数

5测量过程：

采用标准电压源法测量被测表直流电压的示值误差。

将直流标准器与被测表直接连接，由直流标准器输出直流标准电压给被测表，在被测表上读得相应的读数。

将被测表指示值与实际值相减，其差值即为直流数字电压表的示值误差。

6测量不确定度分析。

当环境温度为20℃时，校准源和数字多用表的温度系数、负载和连接的影响可忽略不计；所使用的5700A校准源校准满足其技术指标，并在一年校准周期内，经上级计量检定机构鉴定合格。

综上所述，影响直流电压测量结果的部决定赌来源主要有以下因素：

1）由于校准源不准引入的不确定度；2）由于各种随即因素影响使读书不重复引入的不确定分量；3）由于数字多用表数字化处理引起读书有一个数字的变化，因此其分辨力引入的不确定度分量。

2．项目方案：

①基于CPLD的智能数字电压表设计

系统组成原理框图如图所示。

系统的控制核心是一片CPLD芯片，它由三个功能模块构成：

A/D转换时序控制模块、码制变换模块以及显示控制/驱动模块。

三个模块的功能分别为发出控制信号启动A/D转换及读取采样值、对AD采样值进行码制转换、发出控制信号驱动LED/LCD显示相应数据。

系统工作原理：

测量信号经过信号预处理，变换为0～2.5V范围内的有效信号后送入A/D转换电路中，然后A/D转换时序控制模块发出控制信号，启动A/D转换器进行转换，A/D采样得到的数字信号在码制变换模块中转换为相应的显示代码，最后经显示控制/驱动模块发出控制与驱动信号，推动外部的显示模块（LED/LCD）显示相应的数据。

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是新型的可编程逻辑器件，与传统ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。

传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本。

而采用CPLD进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电压表向小型化、集成化的方向发展。

本系统是用CPLD实现的智能数字电压表。

随着EDA技术的广泛应用，CPLD已成为现代数字系统设计的主要手段，CPLD目前正朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展。

2基于MSP430单片机的智能数字电压表设计

数字电压表采用MSP430F427为主处理器，除包括单片机最小系统的主控制芯片、3.3V电源电路、16MHZ时钟电路（内部带有看门狗）、外部复位电路外，主要选用其信号采集、LED显示、按键电路、JTAG接口电路、输出控制接口电路等模块组成。

MSP430系列单片机是TI公司生产的16为超低功耗混合信号控制器。

能够在低电压下超低功耗状态工作，其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设，带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。

这种方式设计的智能数字电压表，功耗低，操作简单。

③基于AT89C51单片机的智能数字电压表设计

用AT89C51进行数据控制、处理，送到显示器显示，硬件结构简单，软件采用C语言实现，程序简单可读写性强，效率高。

与传统的电路相比，具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点，具有一定的使用价值。

超量程时会接通声光报警电路，在超量程操作时可进行声光报警。

3.方案选择：

经过多方面综合考虑，决定使用AT89C51来实现智能数字电压表的设计。

因为用AT89C51进行数据控制、处理，送到显示器显示，硬件结构简单，软件采用C语言实现，程序简单可读写性强，效率高。

而且，AT89C51又是我们在学校学习、设计中最为常用的芯片，因此也最为熟悉，在设计中能更好的使用。

三、硬件电路设计：

1.原理框图：

2.单片机AT89C51：

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程FLASH存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

振荡器设计：

两端分别接于XTAL1和XTAL2处。

复位按键设计：

3.输入衰减器：

电压信号衰减电路如图2所示。

为了在输入大电压时不损坏电压表内部器件先对电压进行衰减，该设计中用阻抗进行1：

100衰减，为防止衰减后信号电压过小又通过运算放大电路以及多路开关CD4052进行信号放大，其中的5．1V稳压管起过压保护作用。

输入放大器由继电器开关控制，当输入电压较大时，继电器接通，电压通过衰减器衰减后接入测量电路，而继电器开关接入多路模拟开关中，由单片机控制开断。

4.输入放大器：

输入放大器采用运算放大器构成反比例电路，再经过反向使得输出电压为输入电压的1倍、10倍。

运算放大器采用芯片MC33174。

而放大器的选择是通过多路模拟开关CD4052实现，由单片机控制选通。

特性

◆宽模拟输入电压范围：

±5V

◆低通电阻抗：

当Vcc-VEE=4.5V时为80Ω（标准值）

当Vcc-VEE=6.0V时为70Ω（标准值）

当Vcc-VEE=9.0V时为60Ω（标准值）

◆逻辑电平变换：

可以实现5V逻辑电平与±5V模拟信号之间的通讯

◆内置特有的“breakbeforemake”电路（先拆后合）

◆输出能力：

非标准

◆Icc分类：

MSI（中规模集成电路）

输入放大电路是由反比例放大电路构成，满足

因此，取Rf为1MΩ，R为100KΩ，则输出电压为输入电压的10倍。

取Rf为100KΩ，R为100KΩ，则输出电压为输入电压的1倍。

5.有源滤波器：

采用一阶有源滤波器，上限频率设为10Hz。

通带放大倍数：

截止频率：

运算放大器使用芯片OP07：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏执电流低和开环增益高的特点，这种失调、高开环增益的特点使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大

高电源电压范围：

±3V至±22V

6.输入电流补偿电路：

输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响，其补偿原理如图所示：

在补偿电路的输入端设计一个10MΩ电阻，当有电流流过时，在该电阻上产生压降，电压经过放大器送入A/D转换器转换成数字量保存在存储器中，作为输入电流的校正量，进行正常测量时，单片机根据校正量输出适当的数字到D/A转换器，送到输入端产生一个与输入电流大小相等、方向相反的电流，两者在放大器的输入端相互抵消，达到提高测量精度的目的。

7.自举电源：

自举电源采用升压电路，通过芯片MAX732将+5V电压电压提升至+12V。

电路如图：

芯片MAX732的参数如下：

8.键盘与显示部分：

键盘部分：

通过微动开关将输入信号传送至单片机，从而控制完成打印与量程选择功能。

显示部分:

显示部分由4个8位LED数码管与一个串并转换芯片74LS164构成。

关于74LS164：

74ls164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。

74HC164、74HCT164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。

数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。

两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。

时钟（CP）每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。

主复位（MR）输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。

9.报警装置：

该装置使用一个三极管，一端接单片机的I/O口，一端接电源，另一端接蜂鸣器。

当单片机I/O口输出低电平时，蜂鸣器报警。

10.A/D转换部分：

A/D转换部分使用芯片ADC0809.ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）

4）单个+5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～+85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

由于输入信号只有一路，因此将输入信号接在IN0，通过将A、B、C全部接地来选通IN0端口。

时钟信号CLK接在芯片AT89C51的P3.3口，由单片机提供时钟信号。

11.打印部分：

打印部分是通过MAX232芯片来实现单片机与PC机之间的通讯。

关于芯片MAX232：

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专