数字式智能电压表的Word格式文档下载.docx

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Abstract：

Withthedevelopmentofelectronicscienceandtechnology,electronicmeasurementbecomethee-workermusthavethemeans,themeasurementaccuracyandfunctionalrequirementsofincreasinglyhigh,whilethevoltagemeasurementisverystrong,becausethevoltagemeasurementofthemostcommon.Thisprogramisinordertochangethesingleandnotaccurateofthetraditionalvoltmeter,Thisprogramdesignanew-modelvoltmeter,itcanrealizetomeasureinalargenumberofdigitalACorDCvoltagemeter,changetherangeautomaticandshowsdigitalandsoon,Itreflectssuperiority,accuracy,practicalsufficientlyoftheintelligent

Keywords：

A/D;

AT89S52;

Digital;

IntelligenceVoltmeter

1绪论

1.1数字式智能电压表概述

传统的指针式刻度电压表功能单一，精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需求。

采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转化成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰

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。

显示出强大的生命力。

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的水平。

因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

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，由精度高、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。

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，显示出强大的生命力。

1.2本次设计数字电压表的组成原理：

本设计是由AT89S52作为整个系统控制的核心，整个系统由输入电路、A/D转换电路、电源电路、单片机AT89S52、键盘控制电路及LED显示电路六大部分组成。

如图1-1所示：

其中输入电路如图1-2所示：

图1-2输入电路框图

整个系统由单片机AT89C51控制电压的输入与输出，模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减后，自动选择量程后，若测量直流电压直接送到A/D转换，若测量交流电压先把交流转换为直流后送到A/D转换电路进行A/D转换，然后送到单片机进行处理，处理后的数据送到LED中显示。

量程的自动

（1）盘控制电路及LED显示电路提供+5V的电源。

（2）过压保护电路：

压敏电阻是一种新型过压保护元件，其电阻值可随端电压的不同而变化，它可直接并在分压器前面，不需要加限流电阻。

压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路需要来确定。

（3）过零检测电路：

用过零比较器来检测所测电压的信号。

（4）分压电路与自动量程选择电路：

通过模拟开关自动调整量程并将被测电压自动规范到A/D转换电路所要求的电压值。

1.3硬件系统流程概述

被测模拟电压经过初始最高档位切换到最大分压电路衰减后，如果为交流电压先整流为直流，接着由运算放大器OP07进行放大后，再送给比较电路来判断量程是否合适并且选择合适的量程，然后将电压信号通过逐次逼近式A/D转换器的ADC0809型转化为相应的脉冲信号，脉冲信号经过隔离后由单片机在固定时间（100μs）内对脉冲信号进行计量，从而完成A/D转换的功能，最后由单片机对A/D转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值（BCD码），通过单片机驱动四个LED数码管显示结果。

1.4本次设计的研究方向

在设计该电压表的过程之中，在如何判断交直流电压并且如何让交直流自动选择各自运行的路线等方面，做出了深入研究。

2硬件设计

2.1电源电路

由于单片机及所用的芯片均为±

5V直流供电，经过变压器将其变为低压交流电压，低压电压经过桥式全波整流变成直流电压，再经过双T电容滤波加集成稳压芯片（7805和7905）最终变成稳定的±

5V直流电压。

本电路还设计电路保护和电源指示灯。

在使用数字电压表测量开关电源电路中的电压时，经常会由

图1-4电源电路原理图

2.2过压保护电路

本课程设计的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定交直流最高电压量程为500V（有效值）。

通常可以采用火花放电器或压敏电阻器作为过压保护。

压敏电阻器是电压灵敏电阻器VSR（Voltage-SensitiveResistor）的简称，属于一种新型过压保护元件。

压敏电阻器是由氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值可随端电压的不同而变化。

压敏电阻器的工作

过脉冲电流的最大值，其中，脉冲电流从90%VP到VP得时间为8μs，峰值持续时间为20μs）指标可达100A~20KA，漏电流小（低于几至几十微安），工作稳定可靠。

其电阻温度系数小于0.05%/℃。

压敏电阻器伏安特性具有对称性，在正、反向伏安特性中能起到稳压作用，元件本身没有极性，因为它还可作为小电流（小于1mA）的双向限幅器或稳

图2-2压敏电阻及其保护电路图

2.3过零检测电路

2.3.1过零比较器

图2-3电压从运放的反相端输入的过零比较器及输入——输出曲线

输入信号

由负值变为正值，在过零处，输出电压

的极性发生变化，

特性称为下行特性。

而若如图2-4（a）所示信号电压

从运放的同相端输入，反相端接地，这时电路的输入——输出特性曲线如图2-4（b）所示。

信号电压

由负值变为正值，

2.3.2过零检测电路原理图

管截止，三极管集电极通过上拉电阻R4，形成高电平。

这样通过三极管的反复导通、截止，在过零检测端口D点形成100Hz脉冲波形（如图2-8），其中，

2.4电压信号采样

2.4.1分压衰减电路

电压输入电路如图2-9所示。

该电路是以5V作为基本量程，共设为5个挡：

5V、50V、100V、250V、500V。

图中，5个电阻R1~R5为分压电阻。

均采

再计算500V挡的电阻值时，由于当输入满量程500V时，输出为5V，故减少100倍，也就是分压衰减系数为0.01，

=10K

同理可以算出量程为250V档的电阻值

，由于当输入满量程250V时，输出为5V，故减少50倍，也就是衰减系数为0.02，那么，

，

。

2.4.2直流电压测量部分

若检测到得电压信号是直流，则经过衰减后的电压就可以直接送到放大电路中，再送给A/D转换后送入单片机处理和显示。

2.4.3交流电压测量部分

在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流，而是交流。

此时，绝对不能把交流信号直接输入到数字电压表中去，必须先要把被测的交流信号变成直流信号以后，才可以输入到数字电压表去进行测量。

交流电压的测量电路采用平均值的AC/DC转换电路，5个交流电压的量程

电压

，测量交流电压时仍借用直流电压档的分压器。

利用低漂移双运放IC1（1/2TL062）组成平均值响应的线性半波整流电路。

这种电路可避免二极管在小信号整流时引起的非线性误差，使输入电压VIN（RMS）与输出电压

数必须大于2.22倍，才有调整的余量。

电路中的R53、R54是负反馈电阻，可将IC1偏置在线性放大区，同时控制运放的增益。

现R53=R54=100K，IC1同相

目的在于提高其输入阻抗，减小对输入信号的衰减。

尽管IC1属于低漂移运放，但考虑到AC/DC转换器的输入电压很弱，即使漂移电压很小，也可能造

时VD5导通，VD4截止，IC1的输出电流途经C16→VD5→R55→R57→RP4→地（COM端），并经过R56对C17进行充电。

负半周时VD4导通，VD5截止，电流途经地→RP4→R57→VD4→C16→IC1。

C17缓慢地放电，放电时间常数

流电压，经过由R56和C17组成的平滑滤波器可滤掉交流纹波，得到的平均值电压V0，送至ADC0809对V0进行A/D转换。

RP4是交流电压档的校准电位器，调整RP4可使整个AC/DC转换器的电压放大倍数为2.22倍，令仪表直接显示出被测电压的有效值，负半周时，VD4为反向电流提供通路，C14是运放的

作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC－DC的信号转换。

因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV左右，其在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。

如图2-7所示。

图2-10交流电压测量图

2.4.4自动量程接口切换电路

基本原理：

自动量程切换接口由10倍放大器电路、欠量程识别电路、换程控制电路组成。

结构框图如图2-8所示。

电路工作原理如下：

当电路上电后，换程控制电路自动将量程设置为最高挡，即衰减为0.0001，然后欠量程识别电路对放大后的输出Uo进行判断。

判断标准是以和它相配的A/D转换器的输入上限作为其上限阀值Umax，以9%Umax作为其下限阀值Umin，Uo<

Umin为欠量程。

若欠量程，则由换程控制电路控制量程由高到低变化至放大电路输出Uo大于Umin。

若输入Ui变化后可先使仪表复位到最高挡，再由电路自动根据Ui减至合适量程为止。

以上过

和单片机换程信号。

（1）10倍放大器电路

通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。

运算放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。

运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据负反馈电路的接法，可以实现反相运算、同相运算和差动运算等。

由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微弱的微伏级信号，而一般的通用放大器都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。

因此在设计中要采用高精度运算放大器或测量放大器。

图2-1210倍放大电路图

（2）负电压识别及反相电路

在直流电压的测量过程中，不仅仅只是对正电压的测量，必然还会涉及到测量负电压。

在这个问题上，常用的方法是采用同相加法器给被测电压加上一个基准

0≤U≤4V，由于是采用软件进行自动量程转换，电压经过抬高后无法有效地进行欠量程判断，因此采用了与零比较的方案。

当输入电压大于零时，LM339向单

如图2-14负电压反相电路

（2）欠量程识别电路

因为初始电压量程设置为最高挡，因此只需要欠量程信号比较即可调节量程。

欠量程识别电路的原理示意图如图2-10所示。

该电路才用LM339中的一只运放构成下限阀值比较器，当Uo小于Umin时，LM339输出低电平，表示欠量程信号UR；

当Uo大于Umin时，LM339输出高电平RR，表示量程合适。

由于还存在负电压测量问题，而正电压和经过反相器的负电压是通过不同的线路由多路模拟开关CD4051

（2）选择进入V/F转换器的，所以我们需要两个上述的欠

（3）换程控制电路

（1）CD4051多路开关简介

CD4051是一个双向8通道多路开关，相当于一个单刀八掷开关，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

它有3个二进制控制输入端A、B、C和一个禁止输入端INH，并由3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。

这些开关电路在整个

通，允许模拟量输入。

CD4051导通电阻小，在常温下的导通电阻为几百欧姆。

供电电压范围较宽，速度相对较快，控制简单，适合作为量程转换模块中选择

（2）换程电路

换程控制电路的原理示意图如图2-11所示。

图2-18换程控制电路图

该电路由分压电路、多路模拟开关和单片机I/O口组成。

其作用是按输入条件信号（正负电压判断信号，欠量程信号、原量程信号）送给单片机P1.5和P1.6进行判断，然后由单片机P1.0、P1.1、P1.2输出量程控制信号送入模拟开

最低量程时仍欠量程，则维持最低量程不变化；

③量程合适时，维持原量程不变；

④每挡量程都能达到并保持；

⑤当量程为最低挡时仍欠量程，则维持原量程不变化；

⑥电路上电时，量程信号从最高挡起步。

上电时电路的量程起步则由单片机P1.0、P1.1、P1.2口解决，即初始设置为P1.2=1、P1.1=0、P1.0=0。

选通CD4051

（1）开关的X4通路

（4）自动切换应用电路

时测量电压信号Ui通过分压电路后输出为原来0.0001倍。

如果是测量直流电压则直接对其由OP07组成的电路放大10倍后，即通过由LM339构成的

压，那么就必须经过由LM124构成的电压反相器将负电压转换为等值的正电压后再与电压比较器比较判断送入量程识别电路进行判断。

如果测量的是交流电压，应先对衰减信号进行放大、隔直、整流、滤波，然后对输出的直流

行比较直至量程合适；

同时输出电平给CD4051

（2）的INH脚，控制它的有效性，当电平为0时，模拟开关有效进而使电压进入A/D转换电路进行压频转

2.5A/D转换电路

A/D转换器大致分有三类：

一是双积分A/D转换器，二是逐次逼近式A/D转换器，三是并行A/D转换器。

双积分A/D转换器通过两次积分将输入的模拟电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。

它的优点是分辨率高，抗干扰性好，价格便宜，但转换速率低。

D/A转换器输出进行比较，一个时钟周期完成1位转换，进过n次比较而得到数字值。

它的优点是精度、速度、价格适中、不存在延迟问题。

适合于中速率而分辨率较高的场合。

并行A/D转换器是内部有多个比较器，只需要作一次比较就可完成转换。

优点是它是所有A/D转换器中速度最快的，但价格也昂贵，分辨率却不是很高。

在转换精度、转换速率、以及经济上的考虑，该系统决定选用逐次逼近式A/D转换器的ADC0809型。

ADC0809是典型的8位MOS型8通道逐次逼近式A/D转换器，每采集一次一般需100μs。

图2-30逐次逼近式A/D转换原理图

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。

ADC0809的工作过程：

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

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，转换结果的数字量输出到数据总线上。

其中ADC0809引脚图如图2-14所示：

图2-31ADC0809引脚图

2.6单片机部分

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，如图2-15所示。

该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机，与AT89C51完全兼容。

AT89S52还有以下主要特点：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；

②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；

狗定时器复位寄存器（WDTRST），只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

2.7外围接口电路

单片机的外围接口电路包括包括液晶显示部分与键盘输入部分。

2.7.1LED液晶显示部分

LED显示器是由N个LED显示块拼接成N位LED显示器。

N个LED显示块有N跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

称为静态显示。

各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。

也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。

这种显示方式接口编程容易。

付出的代价是占用口线较多，若用I/O接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片74LS373芯片。

如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。

（2）LED动态显示方式：

或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。

其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。

由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。

若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选

管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。

但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。

所以，由于本系统涉及到4位显示输出，采用LED动态扫描显示方式。

主要由一个4位一体的7段LED数码管（SM410564）构成，用于显示测量到的电压值。

它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图2-16所示。

每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89C52的P1口产

根据设计精度要求LED采用3位半共阴级数码，利用单片机的I/O口驱动LED数码管的亮灭，设计中由P0口驱动LED的段码显示，即显示字符，由P3口的P2.0,P2.1通过74LS138译码来输出控制信号使对应的小数点位有效并显示。

AT89S52单片机最小系统及显示电路如图2-17示：

图2-34AT89S52单片机最小系统及LED显示电路图

另外，一般I/O接口芯片的驱动能力是很有限的，在LED显示器接口电路中，输出口所能提供的驱动电流一般是不够的尤其是设计中需要用到多位LED，此时就需要增加LED驱动电路。

驱动电路有多种，常用的是TTL或MOS集成电路驱动器，在本设计中采用74LS244芯片驱动电路，如上图所示。

2.7.2键盘与单片机的连接

3系统的软件设计

单片机主要的程序有数据采集模块（包括脉冲计数、数据处理、中断处理等几个子模块）、量程切换模块、显示模块等主要的功能模块。

3.1单片机主程序流程框图

图3-1主程序流程框图

3.2定时器T0、TI中断服务程序

本课题以在200ms内对信号进行计数，设定时器T0工作在方式1计数模式，初值为TH0=0，TL0=0，定时器T1工作在方式1定时模式定时50ms则需进行4次即可。

初值TH1=（65536-50000）/256=0X3C，TL0=（65536-50000）%256=0XB0。

其中断服务程序如3-2所显示。

图3-2定时T0，T1中断程序框图

3.3电压值计算子程序

当定时器T1定时次数达到设定值，即200ms时，关定时器T0，读取计数值T0count,计算频率。

频率f=T0count*65536+TH0*256+TL0，然后根据公式

图3-3电压计算程序框图

3.4显示程序

对电压值数据进行BCD码转换并送显示缓冲区，查表字型码并点亮对应的量程信号下的小数点。

程序流程图如图3-4所示。

4结论

本次的设计题目是《数字式智能电压表》，是一个基于单片机的电压测量系统，本次设计突破了传统指针式电压表的设计模式，设计了一种新型的数字显示的电压表，该数字电压表具有很高的智能性，具有测量精度高，能自动切

过零检测电路、A/D转换电路、键盘控制电路、LED显示电路等。

整个系统电路结构简单，性价比好，运行起来安全有效。

本次设计的创新点在于对电压信号的采集判断上，运用了一个过零检测电路，来判断所测的电压时交流还是直流，与传统的电路相比，具有更加智能化的特点，其处理速度快、稳定性好、性价比高。

由于本人的实际设计经验不足以及水平有限，系统中可能会存在着一些缺陷，而且没有实物验证，但是其硬件电路的设计思想还是符合实际电路设计的要求。

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