基于51单片机的高精度数字电压表的设计.docx

1、基于51单片机的高精度数字电压表的设计基于51单片机的高精度数字电压表的设计摘要：随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍1。本文介绍一种基于STC89C51单片机的一种电压测量电路。该电路采用高精度、双积分A/D转换电路ICL7135，测量范围为直流0-+5伏，使用LED数码管显示。论文简单介绍了双积分电路的原理、STC89C51的特点、ICL7135的功能和应用，重点描述了高精度数字电压表的设计思想，分析了软、硬件各部分电路的工作原理、设计过程和调试过程，最后给出详细的测试数据并且进行

2、了分析。关键词：电压测量；STC89C51；ICL7135；高精度 Abstract: Along with the electronic science technologys development, the method which the electronic surveying into general electron worker must grasp, is also getting higher and higher to the survey precision and the function request, but the voltage survey is prom

3、inent really, because voltage survey most universal 1. This article introduced that one kind based on the STC89C51 monolithic integrated circuits one kind of voltage measurement electric circuit, this electric circuit uses the ICL7135 high accuracy, the double integral A/D switching circuit, the mea

4、suring range directs current 0-+5 volts, uses the LED nixietube to demonstrate. The main text has given software and hardware systems various part of electric circuits emphatically, introduced the dyadic power distribution roads principle, the STC89C51 characteristic, the ICL7135 function and the ap

5、plication.Keywords: Voltage measurement; STC89C51; ICL7135; double integral A / D converter 序言在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器1。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表1。传统的实验用模拟电压表功能单一、精度低、体积大，且存在读数时的视

6、差，长时间连续使用易引起视觉疲劳，使用中存在诸多不便。而目前数字万用表的内部核心多是模数转换器，其精度很大程度上限制了整个表的准确度，可靠性较差。而数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。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，示出强大的生命力2。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平2。本文介绍一种基于STC89C51单片机的一种电压测量电路,该电路采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路，使用LE

7、D数码管显示。第一章 设计任务5 1.1功能5 1.2技术指标5第二章 设计思路62.1方案确定62.2设计框图7第三章 硬件设计93.1A/D转换电路9 3.1.1双积A/D 转换器的工作原理9 3.1.2 A/D转换电路主要构造10 3.2控制部分的设计 183.2.1 STC89C51单片机的结构 183.2.2 STC89C51单片机最小系统19 3.3 显示部分的设计203.3.1显示电路原理图 203.3.2 LED显示器接口原理214.2软件流程图 24 4.2.1.定时器1中断服务程序 254.2.2数据处理程序264.2.3显示程序26第五章安装与调试 275.1 安装和调试

8、工具 275.2硬件的调试 275.3软件的调试 285.4 设计中遇到的问题 285.5数据分析 28总结 30参考文献31致谢32附录 33 附录一 电路元件清单 33附录二 高精度数字电压表电路原理图 34附录三 程序清单36第一章设计任务1.1功能1.总的工作功能本设计的任务： 设计一个高精度数字电压表，其测量范围为0-5V直流电压，最小分辨率0.001V，精度不低于1%，测量结果数字显示。2.原理框图及各部分的功能（1）电源：给各模块提供所需的电压。（2）A/D转换：将输入模拟电压转换成数字信号，并将其送给控制、处理电路。（3）控制、处理系统：采集A/D转换器传过来的信号进行相应的处

9、理，送往显示部分；（4）显示电路：将数字信号显示出来。图1-1总体框图1.2 技术指标1. 测量电压范围：0-5V的直流电压；2. 最小分辨率0.001V；3. 显示要清晰稳定。第二章 设计思路（设计方案论证）2.1方案确定1.电源方案（1）利用78、79系列三端固定正、负稳压器来实现稳压并提供给所需芯片所需电压，这一系列有固定的电压输出，应用广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。（2）使用实验室里的双稳压电源，虽然精度得到保证，但不是很方便。通过比较，选用 实现？V电源2.A/D转换方案（1）积分型（如ICL7135）5 积分型AD工作原理是将

10、输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，成本低廉，非常适合现在所需。（2）逐次比较型（如TLC0831）4 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。（3）压频变换型（如AD650）3 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，

11、然 后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是 分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。选用3. 控制和处理系统方案（1）利用STC89C51来实现控制和处理，它功能强，速度快，寿命长，价格低。（2）利用ARM技术来实现控制和处理，ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色，但是价格昂贵。4.显示电路（1）八段LE

12、D数码管来显示电压结果，价格廉价。（2）LCD液晶显示，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，但价格昂贵。选用综上所述电源部分我选取的是78、79系列三端固定正、负稳压器，A/D转换选取的是ICL7135双积分AD，控制、处理系统选用的是STC89C51，显示部分选用的是八段LED数码管，此方案既能完成预定目标，材料费又比较低廉。2.2设计框图1.设计过程框图如图2-1图2-1 设计过程框图2.电路原理框图如图2-2如图2.2所示，模拟电压送到ICL7135进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送

13、到数码管中显示。LM317和7905（和前面不符）分别提供正负电压给ICL7135工作所需电压，TL431提供基准电压。（更详细叙述） 图2-2 原理框图第三章 硬件设计3.1 A/D转换电路A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用双积A/D 转换器ICL7135，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。3.1.1双积A/D 转换器的工作原理10图3-1双积A/D 转换器如图3-1所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接