说明书正文HJB课设.doc

1、武汉理工大学智能仪器课程设计说明书 1绪论 数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，其精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。本系统用单片机AT89S51构成智能化数据采集和电压监控系统, 具有精度高、速度快、性能稳定和电路简单且工作可靠等特点, 具有很好的使用价值。目前，由各种单片A/D 转换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，示出强大的生命

2、力。本课设用ADS7825制成数字电压表可以测量05V的输入电压值，ADS7825进行模数转换然后送给单片机处理，用数码显示器进行测量结果的显示。以便于与其它设备进行数据交换，便于实现智能化控制。该系统以单片机为核心具有如下功能：1）能对2-4v范围变化的模拟信号进行连续采样（模拟信号中有尖峰脉冲干扰和50Hz工频干扰）和实时数字显示，采样频率为10Hz，保存最近的50个连续采样值；2）当采样值小于2v时第1个报警灯闪烁，大于4v时第2个报警灯闪烁；3）能对存在的系统误差进行线性插值校正；4）能和上位机进行串行通信，根据上位机的要求随时将采样数据上传；5）能产生占空比为20%幅度为5v的50H

3、z脉冲波供外设用。本章重点对它的硬件和软件部分进行详细介绍 2方案设计2.1A/D采样模块的选择方案一：利用ADS7825芯片来进行A/D转换，它是4通道，16位模数转换器，由单一5V电源供电，数据采样及转换时间不超过25us，它的最大优点就是数据可以并行输出，又可串行输出，所以转换速度比较快，使用也很方便。方案二：MAX197 是一种单电源，工作电压为5V，并行12位A/D转换器，其采样速率可以达到100ksps，采样有效动态范围可增至 16 位。具有 8个采集通道，可独立设置多种输入范围：10V、5V、0V至 10V 或0V至5V，且任何通道的故障都不影响其他通道的变换结果。由于该芯片在片

4、内已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围元件极少，因此,用MAX197构成的数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和可扩展功能多的优点。经比较，为了更好实现电路要求、采集精度适合，AD采样模块采用方案一。2.2显示模块的选择 方案一：采用液晶1602显示，它属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为

5、如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。但它微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 方案二：采用数码管显示，数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一点，它在单片机里可以用作静态显示和动态显示，只要我们输入段码和位码，我们就可以在相应的数码管显示我们想要的数值,不断的循环移位显示，并且保证间隔时间很短，就可以动态显示了。 根据性价比和编程方便的需要，综合考虑我选择方案二2.3总设计方案与系统框图 根据设计要求，该系统采用

6、51内核的8位机作为控制核心，A/D转换器采用ADS7825，它是16位转换，因为要求电压显示精度要1mv，所以8位转换明显不够，所以就采用了16位转换的，数字量经过CPU处理后，转化为十进制数，这就是我们要显示出来的电压值，我们采用动态显示，把4位数字量循环显示出来，同时我们还可以利用51的定时器在P3.6引脚输出满足条件的方波，利用RS232端口可以实现单片机与PC机之间的串口通信，把单片机采集到的50个数据进行实时传送和显示。输入AD转换的模拟信号，50hz工频干扰利用带阻滤波器消除，脉冲干扰信号采用数字滤波用软件编程加以去除，零点误差和增益误差利用软件编程进行校正。本设计的系统框图如下

7、图2-1所示:LED数码显示滤波电路/模拟量输入通道AD转换/单片机PC上位机RS232串口方波输出 显示报警显示 图2-1 系统总设计框图 3硬件部分设计3.1单片机系统介绍以及报警显示方波输出本设计采用的单片机芯片为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R

8、AM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。由于我们平时学习已经对它有很深的了解，所以在这里我就不对它的各个引脚功能进行详细说明。如下图3.3所示，我们把P0口做为数码显示通道，把P1口作为A/D转换后的数字量输入通道, P3.0和P3.1作为上位机串口通信的接收发送通道，P3.2和P3.3作为报警LED灯亮灭通道，P3.6作为所需方波输出通道，P2口作为数码管位选通道以及AD芯片的控制信号。工作原理：A/D转换后的数字量从P1口输入，由于AD为16位转换，所以数字量分高8位和低8位进行接收，在芯片中进行处理后把模拟量电压的段码从P0口输出给数码管，其中P2.0P2

9、.3作为数码管的位选信号端，就可以实现动态显示。P3.2和P3.3口我们可以用软件编程来实现报警灯的亮灭，当电压值小于2.000V时我们让P3.2口置1，这时报警灯1亮，当电压值大于4.000V时，我们让P3.3口置1，这时报警灯2亮。要想输出符合要求的方波，我们可以编程来实现，同时还需要硬件电路实现，当P3.6口为高电平时，光电耦合器不工作，这时通过上拉电阻得到电压值5V, 当P3.6口为低电平时，光耦合导通，这时输出电压为0，占空比为20%，周期为50HZ，只要利用单片机的定时器和中断编程就可以得到。 图3.1 单片机芯片及电路图3.2滤除工频干扰的滤波电路设计 滤除50HZ工频干扰的滤波

10、电路设计，采用具有滤波，放大，反馈， 调节功能的可调Q值双有源带阻滤波电路,在有源带阻滤波电路基础上,又增加了具有反馈功能的运算放大器U2:A 和具有调节功能的电位器RW。其中，电位器RW具有调节电路的品质因数Q的作用，Q值越大，阻带宽度越窄，选频特性越好滤除50HZ工频干扰的滤波电路如图3.2所示，在带阻滤波电路设计中，带阻滤波器的中心频率f0 1/2 RC,所以令C4C50.01uF，则R4=R5318.4K ，C110.02uF，R6159.2K调整电位器RW，使阻带中心频率在50HZ处，并且阻带带宽在以内，以达到在输出电压V0 中完全滤除50HZ工频信号及其二次谐波干扰的目的 图3.2

11、 50HZ工频干扰滤波电路3.3系统A/D转换电路介绍 由于设计要求规定电压分辨率要达到1mv，因为8位AD的分辨率为1/28 大于0.001，所以不满足条件，所以我选择16位的AD转换器ADS7825，分辨率为1/216 小于0.001 下面对这个芯片做介绍 ADS7825是美国B - B 公司生产的 4通道 ,16位模数转换器。它由单一5V 电源供电,数据采样及转换时间不超过 25 s ,可输入 - 10. 010. 0V 的模拟电压。AD 转换后的数据既可并行输出,也可串行输出,数据转换模式还可设置为 4通道间连续循环转换,使用极其方便。下面对该芯片引脚做详细说明，如下图3.1所示：AI

12、N 0AIN 3 : 4 个模拟通道 , 可接受 -10.010. 0V 的模拟输入电压 。PAR/ SER : 该管脚为高电平时, 数据在 D0D7脚并行输出; 为低电平时, 数据在 SDATA 脚串行输出。B YTE : 并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。B YTE = 1 时 , 输出低 8 位 D0D7 , B YTE = 0时 ,输出高 8位 D0D7 。R/ C : 读数/ 启动转换,该管脚被一下降沿触发将保持前次的采样并启动下一次模数转换; 上升沿触发 ,则允许读数。BUSY: 状态标志位,只读管脚。在AD 转换过程中 ,该管脚输出始终保持低电平。转换结束,数据锁存到

13、输出寄存器后, 该管脚输出高电平。当数据作并行输出时,必须使BUSY= 1 ,才可读数。CON TC :选择转换模式。CON TC = 0时,必须用CS及 R/ C来逐次启动AD 转换; CON TC = 1时,采样和读取数据在 4个通道之间自动循环进行。SYNC :串行数据输出帧同步信号。 SYNC 为输出管脚 , 仅在数据作串行输出时使用。输出正脉冲时 ,其后沿标志着一帧数据的最高位开始输出。TA G:该脚仅在多个ADS7825联合工作、数据作串行输出且用外部时钟工作时才起作用。当电路中使用单个 ADS7825时 , 可在 TA G脚接低电平。当电路中 ADS7825 联合工作时 , 可将

14、前一级ADS7825 的 SDATA 脚接至后一级 ADS7825 的TA G脚。第一级 ADS7825的 TA G脚接地 ,最后一级 ADS7825的 SDATA 脚输出数据,这样 ,最后一级 ADS7825 的 SDATA 脚将由后级至前级依次输出各个 ADS7825的转换数据。 图3.3ADS7825芯片模数转换电路3.4零点误差和增益误差校正电路 如右图所示，它是八通道的模拟输入开关，我们利用CPU对它的控制可以进行通道输入的设置，分别在输入端接入零位电压和标准电源E,测出滤波器后的电压分别为y0和y1,得到两个方程，表示为： 0=b1y0+b0 E=b1y1+b0把这两个方程联立后解得b1=E/(y1-y0) b0=E/(1-y1/y0)于是经过校正后的实际模拟电压输入量X=E(y-y0)/(y1-y0)图3.4多路模拟开关 自动增益校正原理如下所示：A微处理器A/D转换器 图3.4.2增益自动校正原理图3.5数码显示部分设计 数码管就采用共阴极的，由单片机P0口输给它段码，高电平有效，每个数码管显示所要的数字，另外由单片机P2.0P2.3口来作为数码管的位选通，低电平有效，位不断的循环选通，且延时时间很短就形成了动态显示 图3.5数码显示器3.6 上位