简易直流电压表.docx

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简易直流电压表

————单片机课程设计

姓名：

刘雅男

学号：

2220071201

班级：

通信

（2）班

指导老师：

马宝山

摘要

本报告介绍了基于AT89S52单片机为核心的、以AD0809数模转换芯片采样、以数码管显示的具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。

在实现基础功能要求之上增加了电阻测量、交流电压峰峰值测试等功能，使系统达到了良好的设计效果和要求。

关键词：

AT89S52单片机模数转换测交流扩展功能

ABSTRACT

ThereportdescribestheAT89S52basedonthemicrocontrollerasthecore,AD0809digital-to-analogconverterchipsampling,toLEDdisplaywithvoltagemeasurementfunctionwithacertainprecisionofdigitalvoltagemeter.InachievingfunctionalrequirementsbasedupontheexpansionofelectricalresistivitymeasurementandACvoltagetesting,allowingthesystemtoachievegoodresultsandthedesignrequirements.

Keywords:

AT89S52SCManalog-to-digitalconversionfunctionsACvoltagetestingexpansion

一．设计任务和要求

1．设计任务

设计制作一个简易直流电压表，该直流电压表能测量直流电压。

2．设计要求

1）基本部分：

能测量电压档0—5V，0—50V两档，输入阻抗>200K。

数码管显示共3位，其中1位小数（0.00—9.99或000—999V）。

要有输入信号超范围的保护电路

2）发挥部分：

能够测量交流电压0—500V。

能够测量电阻。

二．方案的选择和论证

1．AD转换方案

1）.方案一：

采用TLC1543为美国TI公司生产的多通道低价格数模转换器，是串行输入芯片，10位的精度，价格适中。

可在程序中发送通道号，芯片开始A/D转换，转换结束时，EOC输出端表示转换完成，在INT0产生中断，通过外部中断0的服务自程序读取转换结果。

接线如下图：

图1TLC1543采样电路图

2）.方案二：

采用8位AD转换器ADC0809，编程简单方便，价格便宜。

采样电路如图2。

图2ADC0809采样电路

3）比较：

tlc153的精度较高但由于时间紧张，没有购买tlc1543。

而实验室的实验箱中又有ADC0809芯片，所以我们选择了ADC0809作为AD转换器。

2．测交流电压的方案

1）方案一：

采用半波整流及峰值检波结合的方法将交流电压转换成直流电压再进行测量。

如图3

半波整流电路。

它属于反相型运放电路。

当输入电压Ui为正极性时，运放输出Uo1为负极性，二极管D1导通,D2截止，输出电压Uo为零.当输入电压Ui为负极性时，运放输出Uo1为正极性，二极管D2导通,D1截止，电路处于反相比例运算状态，输出电压Uo为-Ui*R2/R1，完成了半波整流作用。

峰值检波电路。

峰值检波电路如下图所示。

运放接成同相跟随状态。

当Ui大于电容两端的电压Ui时，二极管D3导通，运放A构成同相跟随器，Uo=Ui对电容C充电，充电速率很快，Uo=Uc≈Ui；当Ui小于Uc时，二极管D3截止，Uc电压值保持。

输出波形如图所示。

显然输出电压跟随信号的峰值而变，并保持信号的最大值。

电路中的开关S作电路复位。

图3半波整流和峰值检波

2）方案二：

采用全波整流和峰值检波结合的方法将交流电压转换成直流电压进行测量。

其电路如图4，这个电路的优点是可以在R5两端并联滤波电容，而且可以通过调节电阻改变增益。

图4全波整流电路

3）比较：

虽然全波整流电压利用率较高，且整形效果较好，但是半波整流电路比起简单许多，且半波整流电路整流电压的脉动较大。

更符合要求，因此选择半波整流来实现交流电压的测量。

3．测电阻方案

1）方案一：

通过威尔逊恒流源将测电阻转换成测电压，如下图5所示电路为威尔逊电流源，IC2为输出电流。

T1管的c-e串联在T2管的发射极，其作用与典型工作点稳定电路中的Re相同。

因为c-e间等效电路非常大，所以可使IC2高度稳定。

经分析证明可知，在

较小时也可认为

，

受基极电流影响很小。

图5威尔逊电流源

2）方案二：

用微电流源电路做恒流源，如图6所示，要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。

图6微电流源电路

3）比较：

虽然微电流源电路结构相对简单，但是威尔逊电流源是一种改进的电流源，它加了射极输出器提高了输出电流IC1和基准电流IR的传输精度。

而且电流值得计算较简单，因此选择威尔选电流源。

三．基本部分设计及调试

1．硬件部分

1）实际电路：

有设计任务的框图可分析得，电源部分提供整个系统的电能；单片机部分控制系统，用来将转换来的数字量进行处理，变为应显示的数值；显示部分通过动态扫描显示测量结果；模数转换采集电压以及电阻值发送到单片机；如果电压过高超过量程或者测量短路，电路有保护电路。

又因为用到的口比较多，所以引入8255。

具体电路图如下图7。

图7基本部分硬件连接图

2）实际调试：

实际连接是在实验箱上进行的，0809和51的大部分连接已经在向内部练好，所以在实际调试中发现应注意以下几点：

0809和8255的片选端分别接IN0和IN1。

8255的INT1端一定要接与非门接到8951的

口。

8951的

口在测5V档和50V档时要分别接5V和地。

8255的A口接位选，B口接七段码。

2．软件部分

1）程序设计思想;

主程序:

系统上电，开中断，ad模块将模拟量转换成数字量送到51单片机中处理成十进制的数，再调用显示模块进行显示。

A/D转换模块：

A／D转换子程序用来控制对模拟输入电压的A／D转换，并对其进行处理，将其对应的数值存入30H-32H内存单元。

显示模块：

先判断P1口的电平，是高电平时是50V档的，应在32H显示小数点；P1口是低电平时，是5V档的，应在第一位显示小数点。

显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示。

测量数据在显示时需转换成BCD码DES段的内存单元中。

R4作为3路循环控制，R1用作显示数据指针。

主程序和A／D转换测量程序流程图如图8所示。

图8程序流程图

2）程序清单见附录。

四．发挥部分设计及调试

1．测交流电压

1）实际电路：

采用半波整流及峰值检波结合的方法将交流电压转换成直流电压再进行测量，实际电路如下图9，其中第一级：

半波整流电路。

它属于反相型运放电路。

第二级：

峰值检波电路。

峰值检波电路如下图所示。

运放接成同相跟随状态。

第三极：

反向运算放大器。

第四级：

反向跟随。

图9交流电压转换成直流的电路图

2）仿真结果：

当输入有效电压值为20V的交流电压时，方正结果如下：

仿真结果为输出直流电压20.44V，误差很小

3）实际调试：

因为在实际电路中各级之间会有干扰，不能像仿真值这么准确，特别是在峰值检波中会有很大衰减，因此第三级放大器的的放大倍数不确定，将其反馈电阻换成电位器，改变电阻值，调到需要的放大倍数，可以输出有效电压值即可。

2.测电阻

1）实际电路：

如图5所示的原理图中，在镜像电流源T0管集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管T2，利用T2管的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。

T0、T1和T2特性完全相同，因而

，UBE1=UBE0，IB1=IB0=IB，因此，输出电流

因此当测量1-5千欧的电阻时，应让恒流源输出1毫安的电流，这样可将其转化为测0—5V的直流电压，这用基本部分的电路即可。

这样由上面公式可得在5V电压下，电阻R大概选5千欧即可。

具体电路如下图9。

其中R2的位置为待测电阻。

图9测电阻的实际电路

2）仿真结果：

当待测电阻为3千欧时，仿真结果如下图所示：

有仿真结果可以看出，此设计基本满足要求，和理论值3V相差很少。

3）实际电路调试：

在实际电路中，输出电流并不能像论计算值如此精确，因此在实际电路中，应将R设为电位器，在待测电阻的位置接入1千欧电阻，这样，调节电位器，使输出电压为1V时即可。

五．实验结果及数据分析

1．直流电压0—5V档测量

1）实验结果：

将8951的

口接地，将电压源接入和IN0口相连的1千欧电阻的一端。

将程序下载到单片8951后，调节电压源在0—5V的范围内变化，观察数码管的显示结果，将实验结果记录到下表中：

表1

待测电压（V）

0.2

0.6

1.0

2.0

3.5

4.8

7.0

测量结果（V）

0.30

0.63

1.03

2.10

3.52

4.81

5.0

2）数据分析：

由实验结果可以看出，可以实现数码管三位显示，且测量值和待测电压基本吻合，因此这部分的功能基本实现。

但从数据中可以看出：

在电压很小时，测量误差较大，这是因为，0809是八位A/D转换，转换精度不高，当输入电压值较小时，其不能准确的转换。

由最后一组数据可看出，当待测电压超过5V时，电路依然可正常工作，测量结果始终保持5V。

这是因为，电路中加入了稳压管构成的保护电路。

2．直流电压0—50V档测量

1）实验结果：

将8951的

口接+5V，将电压源接入和IN0口相连的450千欧电阻的一端。

将程序下载到单片8951后，调节电压源在0—22V（因为电压表上限是22V）的范围内变化，观察数码管的显示结果，将实验结果记录到下表中：

表2:

待测电压（V）

0.5

1.5

5.0

10.0

15.5

20.5

测量值（V）

00.6

01.4

05.0

10.2

15.7

20.3

2）数据分析：

由实验结果可以看出，可以实现数码管三位显示，能显示一位小数且测量值和待测电压基本吻合，因此这部分的功能基本实现。

但从数据中可以看出：

在电压很小时，测量误差较大，这是因为，0809是八位A/D转换，转换精度不高，当输入电压值较小时，其不能准确的转换。

和0—5V档相比较，其整体误差大一些，这是因为，测0—50V电压的原理是通过一分压电路，把0—50V转换成0—5V的，但由于实际电路中的分压电阻和理论值有偏差，因此误差会大一些。

3．交流电压测量

1）实验结果：

将信号发生器调为正弦波，将其接入半波整流模块，将通过半波整流峰值检波两级放大出来的信号接入和IN0口相连的450千欧电阻的一端。

将程序下载到单片8951后，调节信号发生器使其输出电压峰峰值在0—22V（因为信号发生器峰峰值电压上限是22V）的范围内变化，观察数码管的显示结果，将实验结果记录到下表中：

表3

待测交流电压峰峰值（V）

1.0

3

5

10

18

22

待测交流电压有效值（V）

0.36

1.06

1.78

3.54

6.36

7.78

测量值（V）

04.4

01.1

01.9

03.6

06.4

07.9

2）数据分析

由实验结果可以看出，可以实现数码管三位显示，能显示一位小数且测量值和待测交流电压的有效值基本吻合，因此这扩展部分的测交流电压功能基本实现。

但从数据中可以看出：

测量值的误差一方面是由于半波整流及峰值检波这部分电路的输出值本身和理论就有一定的偏差，又因为使用的是0—50V档的电压显示，本身误差就会大一些

在刚开始调试时，会出现，显示电压变化缓慢的情况。

这是因为电容值选取不合理，造成放电时间较长，将电容值取小一点即可。

4.测电阻

1）实验结果:

按测电阻的电路图练好，将待测电阻的两端接到原基本部分接入和IN0口相连的1千欧电阻的一端即可。

改变待测电阻的阻值（0—5千欧内），观察数码管的显示结果，将实验结果记录到下表中：

图4：

待测电阻（kΩ）

1

2.3

3.5

4.9

测量值（kΩ）

1.00

2.35

3.53

4.88

2）数据分析：

由实验结果可以看出，可以实现数码管三位显示，能显示两位小数且测量值和待测交流电压的有效值基本吻合，因此这扩展部分的测电阻功能基本实现。

测量值误差很小，说明实际中恒流源的效果很好。

六．课设总结

此次课设实现了基本部分和扩展部分的要求，通过“简易数字电压表的设计”的设计过程，结合所学过的课程，了解了简易仪表的发展状况，掌握了目前自动化仪表的一般设计要求，工程设计方法，开发及设计工具使用方法，最重要的是通过这一设计实践过程，我们不在是约束在理论上而是锻炼了我们的动手能力和分析，解决问题的能力，积累经验，培养按部就班，一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力，了解了很多课本上学不到的知识，我想这样的实践环节在我的学生生涯是很难得的，也为我们以后步入社会开始工作打下了一定的基础。

附录

1．使用仪器及元件清单

（1）.函数信号发生器（AS1634）

（2）直流稳压电源（DF1731）

（3）数字示波器（TDS2002）

（4）数字万用表（FLUKE15B）

（5）LM324芯片一个

（6）电阻电位器及二极管若干

（7）三级管三个

（8）导线若干

2．参考文献

[1]蔡黄琴.《MCS—51系列单片机系统及其应用》,高等教育出版社。

[2]万福君，潘松峰.《单片微机原理系统设计与应用》,中国科学技术大学出版社,01年8月第2版。

[3]傅丰林.《低频电子线路》,高等教育出版社。

[4]李青.《电路与电子技术基础》,浙江科学技术出版社,05年2月第1版。

[5]陈乐.《过程控制与仪表》,中国计量学院出版社,07年3月。

3．程序清单

ORG0000H

LJMP0100H

ORG0013H

LJMP1000H

ORG0100H

MAIN:

MOVDPTR,#8003H

MOVA,#80H

MOVX@DPTR,A

SETBIT1

SETBEX1

SETBEA

MOVDPTR,#9000H

MOVA,#00H

MOVX@DPTR,A

LOOP:

SETBEA

AJMPLOOP

RET

ORG1000H

START:

PUSHPSW

PUSHACC

PUSHDPL

PUSHDPH

CLREA

MOVDPTR,#9000H

MOVR1,#30H

MOVXA,@DPTR

MOV@R1,A

MOVB,#33H

DIVAB

MOV@R1,A

INCR1

MOVA,B

MOVB,#05H

DIVAB

MOV@R1,A

INCR1

MOVA,B

MOVB,#02H

MULAB

MOV@R1,A

ACALLDISUP

MOVDPTR,#9000H

MOVX@DPTR,A

POPDPH

POPDPL

POPACC

POPPSW

RETI

DISUP:

MOVR4,#04H

MOVR1,#30H

MOVA,P1

ANLA,#01H

JNZKK

MOVA,@R1

MOVDPTR,#DES

MOVCA,@A+DPTR

ORLA,#80H

MOVDPTR,#8001H

MOVX@DPTR,A

MOVDPTR,#8000H

MOVA,R4

MOVX@DPTR,A

ACALLDELY

RRA

MOVR4,A

INCR1

MOVA,@R1

MOVDPTR,#DES

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#8001H

MOVX@DPTR,A

MOVDPTR,#8000H

MOVA,R4

MOVX@DPTR,A

ACALLDELY

RRA

MOVR4,A

INCR1

JMPAAA

KK:

MOVA,@R1

MOVDPTR,#DES

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#8001H

MOVX@DPTR,A

MOVDPTR,#8000H

MOVA,R4

MOVX@DPTR,A

ACALLDELY

RRA

MOVR4,A

INCR1

MOVA,@R1

MOVDPTR,#DES

MOVCA,@A+DPTR

ORLA,#80H

MOVDPTR,#8001H

MOVX@DPTR,A

MOVDPTR,#8000H

MOVA,R4

MOVX@DPTR,A

ACALLDELY

RRA

MOVR4,A

INCR1

AAA:

MOVA,@R1

MOVDPTR,#DES

MOVCA,@A+DPTR

MOVDPTR,#8001H

MOVX@DPTR,A

MOVDPTR,#8000H

MOVA,R4

MOVX@DPTR,A

ACALLDELY

RET

DES:

db3fh,06h,5bh,4fh,66h,

6dh,7dh,07h,7fh,67h;0bfh,

86h,0dbh,0cfh,0e6h,0cdh,

0fdh,87h,0ffh,0e7h

DELY:

MOVR7,#02H

DL1:

MOVR6,#0FFH

DL2:

DJNZR6,DL2

DJNZR7,DL1

RET