数字电压表实习报告.docx

1、数字电压表实习报告机械与电子信息学院通信工程系2009年寒假实习报告 题目： 数字电压表的设计 姓名：杜世超 班序号：11206113 指导教师：王巍、李杏梅、闻兆海 2008 年 12 月摘要：本数字电压表可以对直流电源和交流电压进行比较准确的测量。其中直流部分的测量范围是0-20V，分为三个档位：0-0.2V，0.2V-2V，2V-20V。该直流电压表的测量电路主要由三个模块组成：模拟数据采集处理模块、A/D转换模块及译码显示控制模块。模拟数据的采集处理模块由模拟电路部分完成。A/D转换模块主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到AT89S51单片机

2、进行数据处理。译码显示模块是单片机将译好的数据传送到由74LS244驱动的4位7段数码管进行显示。交流部分的测量范围是0-5V，测量的是交流电压的有效值。该交流电压表的测量电路由三个模块构成：AC-DC转换模块、电压补偿模块、直流电压表测试模块。其中AC-DC转换模块由AD637完成。电压补偿模块对AD637的非线性部分进行补偿，由LM324完成。直流电压表测试模块由直流部分完成。关键字：AT89S51，数模转换，AC-DC转换，数码管显示1. 系统方案的选择和论证1.1数模转换模块方案一：用分离元件完成数据采集AD转换的功能。该方案由于需要大量的元器件，实现起来比较复杂，而且精度不易控制。方

3、案二：选则集成芯片ADC0809。ADC0809的采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于本实验要求的测量误差是=1%,显示精度是0.01V，本设计采用ADC0809就可以满足要求。ADC0809的分辨率是1/28，量化间隔为=满量程输入电压/28-1，完成一次转换的时间是100us。适合此设计使用。方案三：采用其他采样频率位数更高的AD转换芯片，如积分型（如TLC7135）、压频变换型（如AD650）、调制型（如AD7705）、并行比较型/串并行比较型（如TLC55

4、10）。这些AD转换芯片各有各的特点。单本实验只需要采用常用的、性价比高的芯片就可以完成。1.2模拟数据采集处理模块：方案一：不加另外的模拟电路，直接让ADC0809采集输入的电压。对于此设计不可行。因为ADC0809只能对0-5V的模拟电压进行采样，而要求对0-20V的电压进行处理，故淘汰此设计。方案二：用滑动变阻器对输入的电压进行分压，实现了对比较大的电压进行采样的目的。再对不同的分压厚的电压进行不同的处理放大，这样可以避免ADC0809对比较小的电压采样误差较大的弊端。所以分压与放大两部分电路结合成功完成数据采集处理模块。1.3译码显示模块：方案一：用CD4511进行译码，四位七段数码管

5、进行显示。因为CD4511可将BCD，码转换为可以再数码管上显示的数字，则在单片机的程序中不需要写译码的程序。由于CD4511译码出的数据不能显示小数点，小数点的控制仍需在单片机程序中另外编写。方案二：用单片机直接控制四位的七段数码管进行显示，在单片机的程序中完成译码。其中在单片机和数码管之间要加驱动芯片驱动。所以实现起来较为简单。1.4 AC-DC转换模块方案一：采用分立元件设计，经过整理滤波等措施，使交流电压变为直流电压。但是设计要求的是测量其有效值，所以电路实现起来较为复杂，而且精确度不高。方案二：采用AD637完成AC-DC转换，再配合LM324完成交流转其对应的直流有效值的功能，精度

6、较高。2详细软件硬件设计2.1硬件设计部分整体设计流程图2.1.1单片机最小系统单片机的最小系统由AT89S51、6M晶振、两个20p电容、10K电阻、复位开关组成。如图1： 图12.1.2数模转换模块该模块采用的主要芯片使ADC0809。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量

7、输出到数据总线上。ALE信号常与START信号连在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动A/D转换，图2为ADC0809信号的时序配合图）。图2 ADC0809信号的时序配合在本设计中，选通了IN-0通道（A、B、C都为0），IN-0作为模拟信号的输入，通过D0-D7数据输出口与单片机进行数据传输。由于ADC0809没有内部时钟，所以需要单片机提供时钟，ALE输出的是六分频的时钟（1M），再经过D触发器的设计实现二分频，最终是ADC0809的工作时钟为500KHz。工作的ADC0809与单片机的连接图如图3。 图32.1.3模拟数据采集处理模块此模块完成将0-0.2V，0.2

8、V-2V，2V-20V的数据分开处理。配合单片机指令完成了使输入要测试的直流电压进行五分压后，对2V-20V的数据不作处理。对0.2V-2V的数据通过LM324进行十倍的放大，对0V-200MV的数据进行一百倍的放大。这样设计的目的是为了使传送给ADC0809的测试电压即在0-5V ADC0809所允许的电压范围之内，又对较小的电压进行了放大，加强其采样处理的准确性。U0为传送给ADC0809的接口。如图4为所设计的具体电路。 图42.1.4译码显示控制模块将AT89S51的译码输出通过驱动芯片74LS244驱动四位七段数码管。74HC138进行片选实现动态扫描四位数码管的每一位。图5是其具体

9、连接电路。 图52.1.5 AC-DC转换模块、电压补偿模块采用的AC-DC转换芯片是AD637，完成了将交流电转换成其直流有效值。其最终转换公式是：V0=VIN2/VDEN之所以要有电压补偿，是因为AD637的电压转换不是线性的，在大于4V之后则输出的电压小于输入的交流电压的有效值。在0-4V的范围就直接将V0加到直流电压的输入。所以要加一个放大器LM324进行补偿。R2设计为可调电阻就是为了调节放大器的放大倍数。具体的电路连接图如下： 图62.2软件设计部分软件设计流程图若电压大于0.4V若电压小于0.04VOE=1OE=1OE=1若电压小于0.4V 图72.2.1 CD4051的控制模块

10、CD4051是八通道数字控制模拟开关，有三个输入端A0、A1、A2作为控制八路开关的其中一路选通。当INH输入端为“1”时，所有通道截止。单片机的P2.7-P2.5口控制一路选通，也就是对不同的电压范围的数据分别进行放大处理。2.2.2数模转换模块首先启动AD，由一START的端口的下降沿触发。当AD转换完成标志EOC为0时，先将数据锁存，当AD采样数据给getdata后，再将OE置为1，输出转换得到的数据。其中因为在采样处理模块有五分压，所以送给U0的电压值并不是原始的电压值。对于2V-20V的电压，采样处理模块只对其进行五分压，然后送到U0。要注意的是AD转换的数据是八位二进制的数。而此二

11、进制的数是由：（参考电压/256）*输入电压所得到的。所以，若getdata21则正常处理：temp=(temp/51)*5;temp扩大1000倍，然后对其进行转换,即除以51（因为256/5是其转换的公式），最后再乘以5变换到五分压之前的数值。同样在0-0.2V档和0.2V-2V档都是这样处理的。2.2.3译码显示模块对temp进行除以和模操作，将其每一位分别取出，然后在数码管上显示。然后根据不同的档位显示小数点，20V档点亮第三个数码管的小数点（从低位到高位），2V档位点亮第四个数码管的小数点，0.2V档位点亮第一个数码管的小数点。uchardispcode=0x3f,0x06,0x5b

12、,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;定义09的显示段码，即完成了4511的功能。uchar code scan_con=0x03,0x02,0x01,0x00;实现了数码管从低位到高位的扫描其中值得注意的是：在temp=temp*1000;temp=(temp/51)*5;将temp扩大了1000倍，其目的是在最后的显示中实现0.01的精确度。那么P1=dispcodedispbufk也应改为P1=dispcodedispbufk+1;若temp*100则在最后的显示中只能显示0或5 ，原因是：因为temp/51，在C语言中两个整形数字相除，结果只

13、能是整数，也就是说如果2900/51=56.862745，但在程序的运算中结果是56！将一个整数temp*5结果肯定是5的整数倍，所以末位不是5就是0。（56*5末位是0）。改为temp*1000则虽不能改变末位为0或5的结果，但我们可以从倒数第二位显示。也就对应dispcodedispbufk+1。3测试数据与结果分析3.1测试仪器 （1）数字万用表（2）双通道数字示波器（3）频率发生器3.2测试数据3.2.1 0-0.2V档测量的数据(直流)万用表测量值（mv）数码管显示值（mv）17.318.543.44653.853.577.277.095.693.0125.1124.5184.118

14、7.0 表13.2.2 0.2V-2V档测量的数据(直流)万用表测量值（v）数码管显示值（v）0.2250.2250.4280.4300.6240.6250.8280.8201.0501.0451.2381.2451.4831.4801.6781.6751.8781.870 表23.2.3 0.2V-2V档测量的数据(直流)万用表测量值（v）数码管显示值（v）2.232.253.953.906.166.158.038.109.9610.0512.4112.4512.3212.4016.3216.3518.3118.4019.7319.90 表33.2.4 0-5V档测量的数据(交流)万用表测量

15、值（v）数码管显示值（v）0.16620.18430.2410.2640.3370.3520.5440.5490.8160.8131.4501.3621.6901.6071.8851.8722.242.252.682.643.113.033.443.433.803.824.124.214.461.604.704.704.975.005.005.00 表43.3测试数据分析用MATLAB分别做不同量程的曲线拟合图，横坐标是数码管显示值，纵坐标万用表测量值，做三次曲线拟合。然后做万用表测量值和数码管显示值之差，再做三次曲线拟合3.3.1 0-0.2V档测量的数据(直流) 图8 图9分析：从图8可以

16、看出，线性良好，也就是数码管显示值和万用表测量值很接近。图9纵坐标单位为MV，在60MV和160MV左右时，误差较小接近于0.但在量程的两端误差较大。3.2.2 0.2V-2V档测量的数据(直流) 图10 图11分析：从图10可以看出，线性良好，也就是数码管显示值和万用表测量值很接近。图11纵坐标单位为MV，0.4-1.4范围内，误差较小，在2MV左右.但在量程的两端误差较大。3.2.3 2V-20V档测量的数据(直流) 图12 图13分析：从图12可以看出，线性良好，也就是数码管显示值和万用表测量值很接近。图13纵坐标单位为V，4V-12V范围内，误差较小，在0.05V左右.但在量程的两端误

17、差较大，误差达到0.1V-0.15V3.2.4 0-5V档测量的数据(交流) 图14 图15分析：从图14可以看出，线性良好，也就是数码管显示值和万用表测量值很接近。图15纵坐标单位为V，误差见上图所示。4、总结通过本次实习，我掌握了AD采样的操作，同时也对单片机有了更好的掌握。在实习的过程中我们遇到了很多问题，如：AD的时序、交流转换直流的电路设计、单片机程序的调试等。在电路焊接方面我们做的比较好，几乎没有因为电路的焊接而出现故障。整个实习的难点在精度的调节和交流部分的制作。在实习的最后才解决了末尾只能显示0或5的问题，但在直流的数据记录时没有改正过来。在交流的数据记录中显示了正确的结果（末

18、尾可以显示从0-9的所有数字）。在交流部分的制作中，刚开始用分离元件做，结果天违人愿。不光交流-直流没有做出来，反而把直流部分也烧坏了。于是我又用了两天的时间从电路检查到程序调试做好了直流部分。鉴于用分离元件失败的教训，我们采用集成元件AD637.问题又出来，AD637在0-4V的交直流转换中成线性转换，效果较好。但在4V-5V的转换中，转换后的电压远小于交流的有效值。我们又采用放大器功率补偿的方法加以矫正。电压上去了，但仍然不是线性关系。于是在软件部分又加以矫正。最终得到了比较精确的电压值。5、参考文献【1】汪文，单片机原理及应用 【M】. 武汉：华中科技大学出版社，2007.3【2】谢子美

19、，电子线路.设计.试验.测试【M】.北京：清华大学出版社，2007【3】高峰，单片微型计算机与接口技术【M】.北京：科学出版社，2003 6.附录6.1单片机程序#include #define uchar unsigned char;uchar code scan_con=0x03,0x02,0x01,0x00;/定义列扫描uchardispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;/定义09的显示段码uchar dispbuf8=0,0,0,0,0,0,0,0; /定义8个存储空间uchar dispcount=

20、0; uchar getdata; unsigned long temp;/定义暂存空间uchar i,j,k,l,m;sbit s3=P27;/位定义，控制模拟开关sbit s2=P26;sbit s1=P25;sbit dp=P17; /定义小数点#define v20_on s3=1;s2=0;s1=0; /宏定义不同量程，不同的开关状态#define v2_on s3=0;s2=1;s1=0;#define v02_on s3=0;s2=0;s1=1;sbit ST=P20;/定义单片机和ADC的控制信号sbit OE=P21; sbit EOC=P22; main() while(1

21、) _20v:/220V量程v20_on;ST=0;/启动A/D转换ST=1;ST=0;while(EOC=0);OE=0;getdata=P0;OE=1;if(getdata21)/量程不合适，切换 goto _2v; l=3;temp=getdata;/量程合适，数据处理temp=temp*1000;temp=(temp/51)*5;goto disp;/跳到数码管显示程序段_2v:/200MV2V量程v2_on;ST=0;ST=1;ST=0;while(EOC=0);OE=0;getdata=P0;OE=1;if(getdata204)goto _20v;l=2;temp=getdata

22、;temp=(temp*1000/51)*10;temp=temp/2;goto disp;_02v:/0200MV量程v02_on;ST=0;ST=1;ST=0;while(EOC=0);OE=0;getdata=P0;OE=1;if(getdata204)goto _2v;l=1;temp=getdata;temp=(temp*1000/51)*100;temp=temp/20; disp:dispbuf0=0; dispbuf1=0; dispbuf2=0; dispbuf3=0; dispbuf4=0; dispbuf5=0; dispbuf6=0; dispbuf7=0;i=0;while(temp/10) /电压值的每个位计算 dispbufi=temp%10; temp=temp/10; i+; dispbufi=temp; for(k=0;k=3;k+)/数码管显示 P1=dispcodedispbufk+1; P3=scan_conk; if(l=3)if(k=2) P1=P1 | 0x80; /小数点的确定 else if(l=2) if(k=3) P1=P1 | 0x80; else if(l=1)if(k=1) P1=P1 | 0x80; for(m=0;m=2;m+)/延时 for(j=0;j=100;j+); 6.2附图6.2.1系统整体图