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1、摘要21. 设计任务与要求31.1总任务41.2主要性能指标41.3方案论证与比较41.3. 1 A/D转换电路论证与比较41.3.2切换开关的论证与比较52. 系统总体设计62系统组成原理62.2硬件系统流程概述73. 直流数字电压表硬件设计73过压保护电路73.2电压信号采样83.3自动量程切换接口电路93.3. 1基本原理93.3.2 10倍放大器电路103. 3. 3 欠量程识另I电路103.3.4换程控制电路113,3.5应用电路133.4 A/D转换电路143.4. 1 V/F转换原理介绍143.4.2 LM331 芯片介绍163.4.3 LM331V/F转换电路及与AT89S52
2、单片机接口电路183.5单片机系统及显示电路203.5. 1单片机AT89S52简介203.5.2单片机最小系统及LED显示电路214. 软件设计224.1积分式数字电压表系统软件流程224.2定时器TO、TI中断服务程序224.3电压值计算子程序244.4显示程序245. 单片机抗干扰245.1硬件抗干扰255. 1. 1抑制干扰源255.1.2切断干扰传播路径265.2软件抗干扰266. 误差分析及减小措施276误差的主要来源及影响276.2减少误差的措施27附录29附录一电路原理图29附录二51单片机源程序30参考文献35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，
3、 对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电床的测量甚为突出，因为电圧的测 量最为普遍。同时随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别 是单片机的岀现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。数字电压表的核心器件是A/D转换器，A/D转换器一般有积分式、比较式和复 合式三利啖型。H前应用比较广泛的是积分式数字电床表，它具有抗干扰能力强、 价格低廉、测量精度较高等优点。V/F型A/D转换器是积分型的一种，被测电压 Ux通过积分以后输出一线性变化的电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成 正比的频率值；再用数字频率计测量出电路的频率值，从血表示被测电压的大小。 这种转换器具有良好的精度、线
4、性和积分输入特性，抗干扰能力强，而且信号便 于远距离传输等特点。此外，它的应用电路简单，外围元件性能耍求不高，对环 境的适应能力强，与单片机的接口简单。本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础丄，利用单片机技术结合 V/F转换芯片LM331以及采用8路模拟开关CD4051构建了一个测量范fflO-75OV 且具有自动量程切换功能和过压保护的直流数字电压表。本文首先简要介绍了积 分式数字电压表的主要组成部分及原理，然后详细介绍了硬件系统和软件系统的 设计，并给岀了硬件电路的各部分电路的设计及原理以及软件算法。关键词电丿玉测量；H动切换；LM331 ；模拟开关；单片机。INTEGRAL DIG
5、ITAL VOLTMETERABSTRACTWith the development of electronical scientific technology, electronical measurement became a technic that everyone of engaging electronical had to master it.Whats more, the precision is higher and higher and, the function is more and more powerful, and voltages measurement is
6、best important. At the same time as the rapid development of microelectronics technology and the emergence of ultra-largc-scalc integrated circuits Jn particular the emergence of MCU, is causing the field of measurement and control instruments of the new technological revolutionV/F-A/D converter is
7、an integral, Ux measured voltage line through the points after the change in the output voltage, Control a oscillator, Produce With a measured voltage proportional to the frequency value; Use of digital frequency To measure the frequency of circuit, which said the size of the measured voltage This c
8、onverter has good accuracy, linearity and integration of input, Strong anti-intcrfcrcncc capability, but also signal for Far EasTonc and so on. In addition, Its a simple application circuit, the external components of low performance requirements, the ability to adapt to the environment of strong, s
9、imple interface with the MCU.Primarily, I designed a Digital-Voltmeter use MCU technic with V/F conversion chip (LM331) and the introduction of analog switch CD4051 Construction of a measuring range of 0-750 V and has a range automatic switching function and Over-voltage protection of AC-DC-voltagc
10、digital form base on lots of predecessor design. This paper briefly introduced the integral digital voltage meter and the main component of the principle and then described in detail hardware and software systems design, and gives the various parts of the hardware circuit design principles and softw
11、are algorithms.Key words： voltage measurement; automatically switch; LM331; analog switches;MCU1 设计任务与要求11总任务设计一个基于单片机的直流数字电压表，并能根据输入电压信号的大小进行 量程的动切换。1.2主要性能指标测量范围：直流750V、200V. 20V. 2V、200mV；(2) 精度：1% (3位半精度)；(3) 具有量程H动转换；(4) 具有过压保护功能；1.3方案论证与比较1.3.1 A/D转换电路论证与比较A/D.转换是要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数 字
12、量，一般要经过取样、保持、量化和编码几个过程。方案一：采用ADC0809的A/D的转换电路。ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。用ADC0809和AT89S52用程序查询方式来采集被测的输入模拟信号。采集数据时首先 单片机执行一传送指令，在该指令执行过程中单片机在控制总线中产生写些信 号，其低电平品信号启动A/D转换工作，ADC0809经lOOus后将输入模拟信号转换 为数字信号存于输岀锁存器，EOC信号经反相器产生中断请求信号丽，通知单 片机取数。为单片机响应中断请求转入数据采集子程序后，立即执行输入指令， 指令产生读信号给ADC0809,将数据取出
13、并存入存储器中。整个数据采集过程中, 由单片机有序地执行若干指令完成。方案二：采用LM331 V/F转换电路V/F转换方式是把电床模拟量转换成脉冲频率信号，由单片机对脉冲频率信 号进行计数来实现A/D转换功能的。LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。只需接入几个 外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的内部电 路组成及其与外部器件构成的V/F转换电路如图11所示。vrr 83(o/?)VJg能猱廉准电路RS從发器定时比较SB榊密电沆源 ai iuidr9v1增益调整 h图1-1LM331内部结构及V/F转换电路图综合比较以丄两种方案，对转换10
14、V内的电压信号都是可以实现的，但方案 一电路PADC 0809管脚较多，另外还需接锁存器电路，所需的元器件较多，成本 较大，T0LM331是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数 转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合 用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈 形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计的方法，提高了准确度和输 入阻抗，因而常被采用，所以考虑到实现电路的简单性和性价比本设计采用方案 二。1.3.2切换开关的论证与比较方案一：采用继电器固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它
15、利用电子 元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功 率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火 花地接通和断开被控电路。其具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（TTL、DTL、HTL）切换速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小, 能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点；但也存在通态床降，需要散热 措施，有输岀漏电流，交直流不能通用，触点组数少，成本高等缺点。方案二：多路模拟开关CD4051CD4051是一个双向8通道多路开关，它有3个二进制控制输入端A、B、C 和一个禁止输入端，并由3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。当INH 为“1呻寸，通道断开，禁止模拟量输入；当INH为“0,通道接通，允许模拟量输 入。它能实现逻辑电平转换单元完成CMOS至QTTL的电平转换，因此这种多路 开关输入电平范围广，数字量输入为315V,模拟量可达15Vo二进制译码器 用来对选择输入端A、B、C的状态进行译码，并控制开关电路TG,使某一路开 关接通，从血使输入/输出通道相连，达到自动切换的H的。对比以丄两种方案，方案一由于价格高、切换触点少、实际应用电隔离不理 想，而方案二由于模拟开关CD4051具有功耗低、速度
