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1、1智能温度测量仪设计报告学 院：信息工程学院专 业：电子信息工程班 级：2011240301姓 名：贾英杰学 号：201124030116 指导老师：王选民、张晓博日 期：2015.3.192摘要本设计以 89C51 单片机系统为核心，采用 12 位 A/D 转换器 AD574 对数据进行采样，主要完成对交流、直流电压及电阻的测量。基本满足题目对直流电压、交流电压及电阻测量的精度要且在电压测量时满足输入阻抗大于等于 。在该系统由数据信号采集模块、单片M10机系统数据处理模块、显示模块三个部分组成。数据信号采集模块主要完成对交、直流电压及电阻值的采集和转换，通过单片机的控制实现量程的自动转换以及
2、交、直流电压和电阻测量的自动识别。系统数据处理模块基于傅立叶变换对测得的工频交流信号进行谐波分析，计算出各个谐波分量的百分比。增加了超量程 LED 显示报警以及交流测试频率显示功能。一、方案选择与论证1、系统构成本系统采用单片机为核心，将设计任务分解为电阻值转换、自动量程转换、交流电压有效值转换、结果显示等功能模块，完成对交、直流电压及电阻的归一化测量，系统框图如图1 所示。电阻的测量利用恒流源将电阻转换成电压测量；自动识别测量通过两级选通开关，前级实现电阻与电压的切换，后级实现交直流信号的切换；通过将输入电压统一降压 100 倍，再利用程控放大器对不同的电压值进行放大选通实现自动量程转换；交
3、流信号通过交/直流转换成后，直接对其有效值进行测量；单片机控制 A/D 转换器采样输入电平，将转换结果送入4 位数码管显示，满足最大量程 3999 的要求。2、系统方案论证方案一：采用双积分 A/D 转换器 ICL7149 大规模集成电路，组成 DVM 数字电压测量模块,而电阻、交流电压都可以通过相应的变换器，把它们变换成直流电压，然后用 DVM 数字电压测量模块进行测量，直接驱动数码管显示。此方法使电路和软件的设计大大简化，并具有较高精度，但是 ICL7149 集成电路价格较贵，性能价格比较低，且不能实现谐波分量的分析处理。方案二：采用以单片机数据处理为核心, 结合多路模拟开关、分压电路、恒
4、流源电路、AC/DC 转换电路等硬件电路的实现方法。单片机软件编程灵活，自由度大，可以用软件编程3实现交、直流电压和电阻测量的全自动识别及量程自动转换功能。由 A/D 转换器进行幅度采集，经过单片机进行数据处理后显示。整个系统结构简单，能提高系统的智能化程度，并且测量结果的精度可以很高。比较以上两种方案，方案一和方案二都可以实现本题目的基本要求，但方案一较难实现本题中发挥部分的功能扩展，而方案二可以通过单片机对谐波分量进行计算和分析，从而测量工频交流电的谐波分量的百分比。并且可以较易实现其他功能的拓展。因此采用方案二实现。二、硬件电路设计与比较硬件电路主要包括电阻/电压转换电路、自动转换电路、
5、AC/DC 转换电路、A/D 转换电路及键盘显示电路。其中电阻/电压转换电路主要实现电阻值到电压值的转换；AC/DC 转换电路可以将交流电压转换成直流电压，实现交流信号的有效值转换，方便于单片机控制 A/D 转换器采样；自动转换电路实现全自动量程转换功能；显示电路用于显示测量结果和超量程警告信息。 1）电阻/电压转换电路a、由于电阻不易直接测量，故需将其转换成其他参量进行测量。方案一：采用恒压源电路，将被测电阻值转换为电流值进行测量，但电流值的测量不易实现，且精度难以提高。方案二：采用恒流源电路，将被测电阻值转换为电压值进行测量，即用恒流源产生一个恒定的电流通过被测电阻，通过测量电阻两端的电压
6、，再根据欧姆定律求出被测电阻值。这种方法简单易行，精度较高。本设计选择方案二。b、恒流源的选择：方案一：采用运算放大器和稳压管等分立元件组成恒流源电路。但这种电路结构复杂，调试比较困难，且精度难以满足要求。方案二：采用三端串联型集成稳压器构成的开关恒流源。集成串联型稳压电路，它是以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定。该集成稳压器中除包含有调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路，还具有过流、过热和调整管安全工作区保护电路。使用集成稳压器可以简化恒流源电路，精度高。本设计采用方案二。2) 自动转换电路方案一：直接利用电阻分压
7、,通过单片机对多路模拟开关进行选择实现多量程自动切换。该电路结构简单，容易实现，但是电压分压不稳定。方案二：通过多路模拟开关与运放的组合，设置了多个量程开关，利用单片机对模拟开关的控制实现多个量程之间的自动切换。利用两级模拟开开关，前级实现了对功能的自动识别，后级实现了全量程的自动切换。由于题目要求对高电压进行测量，需对电压值进行缩放，4因此选择方案二。3）AC/DC 转换电路对于交流电压，由于单片机只能处理单向直流电压信号，所以应先将其转化为直流电压后进入 A/D 转换器，再通过单片机控制进行采样量化。方案一：采用平均值检波的方法。但是该方法存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的
8、问题。方案二：用一般的二极管-电容型峰值检波器实现。由于二极管的正向压降是随着充电电流和温度而变化的,因此电容所保持的值也是不稳定的。方案三：采用运放的半波整流与将平均值转换成有效值电路，该电路能将交流信号直接转换成其有效值，减少了单片机的运算量，且转换精度较高。鉴于以上方案，考虑到平均值检波和峰值检波存在的缺点，为了保证交流电压测量精度的要求，故采用方案三实现这一转换过程。4）A/D 转换电路由于所测电阻最大值为 400 欧，且分辨率为 0.1 欧，因此 A/D 的分辨率应满足下式：，得 ，即应选择十二位以上的 A/D 转换器。采用逐次逼近式 A/D01.2n 2n转换器，从速度和转换精度来
9、看即可满足要求，且电路结构简单。因此选用逐次比较型A/D574 对数据进行采样。5）键盘显示电路a.键盘设定：设有开始按键、复位键和测量控制键，启动开始按键，通过单片机对被测交、直流电压和电阻进行控制，实现全自动识别交、直流电压及电阻测量。b.显示电路：电路如图 2 所示。由 4 片 74LSl64 串级扩展为 4 个 8 位并行输出口，分别连接到 4 个 LED 显示器的段选端作静态显示。图 2VCCA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74164A1B2Q
10、03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74164a bf cg deDPY1234567a bc de f g8dpdpa bfcg deDPY1234567a bc de f g8dpdpa bfcg deDPY1234567a bc de f g8dpdpa bfcg deDPY1234567a bc de f g8dpdp123456781615141312111091234567816151413121110912345678161514131211109123
11、45678161514131211109RXDTXD5三、系统实现及理论分析1、硬件电路部分1）电阻/电压转换电路由于电阻测量值界于 10400 欧，分辨率为 0.1 欧，而电压测量时设定内部量程为 4V 档，故恒流源选用 10mA，使得电阻转换成电压测量时对应的范围为 0.4V-4V 档。选用 78系列的 7805 三端固定式稳压管构成恒流源电路，实现电阻/电压的转换。电路如图 3 所示：图 3该电路由 MC7805 固定式集成稳压器、电容及负载电阻构成。固定式集成稳压器工作在悬浮状态，在输出端 2 和公共端 3 之间接入一电阻 ，其输出电流与电阻的关系满足下式：R，其中 为 7805 的静
12、态电流，小于 10mA。当 较小即输出电流较大时，qoutLIRUI/qI可以忽略 。如果选用可调电阻，电路可给负载提供某一范围的恒定电流。在本设计中要产生一恒定的电流 ，且 7805 稳压器的输出电压为 5V ，则由上述公式可知 ，mA10 loutIUR电阻 应为 500 欧。R2）自动转换电路电路如图 4 所示。本系统采用 A/D 转换器对数据进行处理，就必须满足其输入电压在05V 范围之内，因此对于大于 5V 的电压不能直接进入 A/D 转换器进行采样，所以要将大电压值进行衰减后才送入 A/D 采集。又电压的量程分为 3 档，即 4V、40V、400V。为了实现 3档电压量程自动转换并
13、提高输入阻抗，先用 10M:100K 的电阻将被测电压经过分压，即将电压衰减 100 倍且输入阻抗大于 ；然后经过一电压跟随器，隔离后级程控放大器对输入M10端电阻的影响，真正实现电压衰减 100 倍。程控放大器将衰减后的信号按其电压值分别放大 10 倍、1 倍和 1/10 倍，使得各档输出的电压值均满足小于等于 4V。其衰减倍数通过单片机控制模拟开关的 A、B 端来实现，当 AB为11时，衰减 100 倍、AB 为10时，衰减 10 倍、AB 为01时，衰减 1 倍。经过程控放大器后的信号是反向的小于等于 0.4V 的信号，为了便于测量，应将其变为正向的小于等于 4V 的信号。故加一级放大倍
14、数为 10 倍的反向放大器。1 32V VGNDIN OUTU1 78L05R4500C10.33 C20.1+12out6由于以上放大器都是反向放大器，其放大倍数均为 ，其中 为反馈电阻。ifVRAf由此可选择如图示电路图中的参数。图 43）AC/DC 转换电路自动量程转换模块输出信号仍为交流信号，由于 A/D 采样不能准确的采样到交流信号的峰值，势必将增加测量误差，因此我们将交流信号 AC/DC 转换电路转换为其有效值后再进行采样，其转换电路由半波整流电路和将平均值转换成有效值的电路组成，电路图所示：图由于是把交流信号转换为有效值，故在整流前加 10U 电容虑掉直流电压。整流电路中，二极管
15、和 10K 电阻串联反馈使得电压为负半周时，输出电压为零；电压为正半周时，由于运用了反向输入，输出为负半波整流电压。输出电压集成电路 OP07 后二极管取出，其目的是利用二极管的正向电压改善 OP07 的增益，反馈电阻以补偿二极管的正向压降。反馈电阻阻值于与输入电阻阻值相等，此级无放大作用，因此输出电压幅值与整流前相等。平均值转有效值电路是一个积分运算电路。电路中根据虚短、虚地的原理，电容中的电流等于流过电阻的电流，输出电压与电容上的电压成反向的关系，而电容上的电压等于其电Y35Y24Y12Y 3Y01INH 6VEE 7A 10B 9A4052V,R-IN 10M100K6.8K10K1K10K100K23467+12-1223467+12-121K10K1KI-INTO CPUTO CPUout23467+12-122346723467+12 +12-12-1210K+10K10K10K10K20K18K39K+22Uinout7流的积分，故满足 。由于前级使用的是半波整流，故反馈电dtuRCdtiUic10阻加以可调电阻改变其放大倍数，调节平均值使得与其有效值相等。22U 电容起滤波作用，使得输出平滑的直流电压。4）A/D 转换电路A/D574 是 12 位逐次逼近式 A/D 转换器，其转换时间为 25us，转换精度为 0.05，由于芯片内有三太
