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1、. . .基于单片机下的数字电压表设计毕业论文目录前 言11 设计任务与分析31.1 设计任务简介及背景3 1.1.1 单片机简介3 1.1.2 背景及发展情况31.2 设计任务及要求51.3 设计总体方案及方案论证51.4 数据输入模块的方案与分析61.4.1 芯片选择61.4.2 实现方法介绍61.4.3 输入模块流程图101.5 A/D模块的方案与分析101.5.1 芯片的选择101.5.2 实现方法介绍111.5.3 A/D模块流程图131.6 数据处理及控制模块131.6.1 芯片选择131.6.2 实现方法介绍141.6.3 数据处理及控制模块流程图151.7 显示模块151.7.
2、1 芯片选择151.7.2 实现方法介绍152 硬件设计172.1 数据输入模块原理图172.2 A/D模块原理图192.3 控制模块原理图202.4 显示模块原理图213 软件设计233.1 主程序流程图243.2 子程序介绍243.2.1 初始化程序243.2.2 中断子程序243.2.3 档位选择子程序254 主要芯片294.1 AT89C52的功能简介294.1.1 AT89C52芯片简介294.1.2 引脚功能说明294.2 ICL7135功能简介314.2.1 ICL7135 芯片简介314.2.2 引脚功能说明324.3 LCD1602功能简介354.3.1 LCD1602芯片简
3、介354.3.2 引脚功能说明354.4 CD4052的功能介绍384.4.1 CD4052芯片简介384.4.2 引脚功能说明394.5 CD4024的功能介绍394.5.1 CD4024芯片简介394.5.2 引脚功能说明404.6 OP07的功能介绍404.6.1 OP07的功能简介404.6.2 引脚功能说明41结 论42致 谢44参考文献45.参考资料.前 言数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。众所周知，在当今的社会中电已成为人们日常生产，生活中一个必不可缺的因素。电的发现和应
4、用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动，使人类的力量长上了翅膀，使人类的信息触角不断延伸。而在这其中，电压，电流等已成为描述电的一些重要参数。在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的容之一。目前，市场上的主要使用的电压表有：指针式电压表和数字电压表两种。由于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，因此，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进行实时通信等优点已使数字电压表成为现在电子测量的主要应用产品。数字电压表是通用仪器中使用较广泛的一种测试仪器，很多电量或非电量经变化后都用可数
5、字电压表完成测试。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。本设计主要研究的是以51系列单片机为核心的电压测量系统，能够在单片机的控制下完成对电压信号采集，能够根据采样值进行毫伏值与伏值量程自动转换。采用4位半双积分A/D转换器，在20000字（2V满量程）围，保证转换精度1字，相当于14bitA/D转换器，相比于其他数字电压表使用的A/D转换器，具有精度高的特点。并且测量结果可通过液晶屏显示出来，使用液晶屏显示具有功耗低，使用简单，焊接电路方便等特点。显示准确可靠，误差小。基本能够满足生产的要
6、求。另外由于本学院一些的实验室，如电工电子实验室，电路实验室的一些数字电压表已经损坏，如果本设计能够实现，可改进或者维修实验室的数字电压表。因此，本次设计具有非常实际的意义。1 设计任务与分析 1.1 设计任务简介及背景 1.1.1 单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器. 1.1.2 背景及发展情况数字电压表（Digital Voltmeter）出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪
7、表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速
8、度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，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。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在
9、，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种：1.按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。2.按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3.按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。4.按测量速度来
10、分：有低速，中速，高速，超高速等。5.但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。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。另外，由于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用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的.1.2 设计任务及要求设计一个以单片机为核心的电压测量系统，可实现的功能为：(1) 实现输入电压值的测量；(2) 液晶屏显
11、示电压数据,准确可靠，误差小；(3) 通过单片机控制来实现毫伏值与伏值自动切换；1.3 设计总体方案及方案论证由于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，因此，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进行实时通信等优点已使数字电压表成为现在电子测量的主要应用产品。同时，由数字电压表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。在由单片机构成的数字电压表中，一般包含三种模块：数据采集保持模块，数据处理模块（单片机系统）和输出显示模块。在本次设计中，可将这几个模块进行更细的划分，可分为数据输入模块，A/D
12、转换模块，数据处理及控制模块，显示模块。在数据输入模块中，采用放大器电路。先将输入的电压值送入由两个集成运放构成的电压跟随器中，后由于分为四个档位，所以将送出的信号分为四路，送到不同放大倍数的四个集成运算放大器中，后将放大后的四个信号送到一个四选一的模拟开关中，这个开关由单片机根据输入电压大小选择一个合适信号送入A/D转换器中。在A/D转换模块中， 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
13、场合如电压测量有广泛的应用。另外，ICL7135有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。在数据处理及控制模块中，主要通过89C52将A/D 转换后的信号处理，送到单片机某一端口中，用于显示。同时单片机判断输入的信号，用于控制模拟开关自动换档。在输出显示模块中，采用LCD1602液晶屏，本次设计开始时选用数码管和发光二极管用于显示输入电压值，但是实际焊接电路时，发现连接线较多，焊接过于复杂，故改用LCD1602液晶屏。采用LCD1602液晶屏显示，连接线较少，控制较方便。整体框图如图1-1所示：数 据 输 入 模 块A/D 转 换 模 块数据处理及控制模块输
14、出 显 示 模 块 图1-1 设计整体框图1.4 数据输入模块的方案与分析 1.4.1 芯片选择在数据输入模块中，也就是对输入电压信号的预处理阶段，需要用到由集成运放够成的仪器放大器中。在本次设计中，我们采用集成运算放大器OP07。OP07 是高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于要求可靠性高的精密仪器仪表中。另外模拟开关选用仙童公司生产的CD4052，CD4052双四通道模拟开关，有两位控制输入A和B，这两位信号选择四路输入信号的其中一路送到输出。其详
15、细芯片信息见第四章相关介绍。 1.4.2 实现方法介绍在这个设计模块中，现将输入的电压值送入由集成运放构成的电压跟随器中，后送的集成运算放大器中，对信号进行处理。在下面我将介绍集成运放构成的电压跟随器的电路组成和作用，以及集成运算放大器的相关知识。（1）电压跟随器电压跟随器是用一个三极管构成的共集电路，它的电压增益是一，所以叫做电压跟随器。电压跟随器是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同，即输入电压与输出电压同相。电路的特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1，因此它可以电压跟随的作用。电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，你可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就 相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之 间互不影响，能够使得后一级的放大电路更好的工作。由集成运放构成的电压跟随器电路如图1-2所示：
