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1、山东理工大学 毕业设计（论文）题 目： 数字交流毫伏表的设计 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 毕业设计（论文）时间：二九 年 二 月 日 六月 日 共 十六 周I中 文 摘 要摘 要在电量的测量中，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，更需要测量弱电的电压，所以毫伏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，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐。本系统以交流毫伏表为核心，以低功耗单片机MCS-51为主控制器，通过数据采集系统采集数据，经设有运算放大电路和微型继电
2、器的衰减模块输出，经衰减放大处理的模拟信号，其中一路信号通过真有效值直流(RMS-DC)变换,经12位快速逐次比较式A/D转换器AD574芯片转换，实时把模拟量转化为数字量；另一路信号经信号波形转换电路输出给单片机，经CPU进行计算、处理后，由七段数码LED显示出来，最终实现对被测输入信号的电压值和频率值显示测量。实际测试结果表明，本系统测量电压的频率范围100Hz500KHz；测量电压的幅度范围100mV100V；电压测量误差5%2个字；输入阻抗1M，输入电容50pF；具有超量程自动报警断电功能，能有效应用于需要高精度、宽频率范围的交流电压测量等领域。关键词：单片机，数字交流毫伏表，真有效值
3、，智能量程转换AbstractIn the measurement of electricity, voltage, current and frequency is the most basic measurement of the three. Among them, the voltage measurement of the volume of the most often. In addition, with the development of electronic technology, but also the need for weak measurements of vol
4、tage, so mV voltage meter has become an indispensable instrument. In addition, as a result of digital equipment to facilitate accurate readings with high precision, small error, high sensitivity and resolution to measure the characteristics of speed, and greatly favored customers. MV of the system t
5、able to share as the core, low-power single-chip microcomputer-based MCS-51 controller, data acquisition system through data collection, the operator has a micro-amplifier and the attenuation of the relay output module, with attenuation enlarge analog signal processing, in which the signal all the w
6、ay through the DC True RMS (RMS-DC) conversion, after 12 successive comparison fast A / D converter conversion AD574 chip, real-time analog to digital conversion for;another signal by the signal path waveform conversion circuit output to the microcontroller, calculated by the CPU and processed, by t
7、he Seven-Segment LED digital display, the ultimate realization of the measured value of the input signal voltage and frequency measurement value display. The actual test results show that the voltage of the system frequency range of measurement 100Hz 500KHz; measurement voltage range of 100mV 100V;
8、voltage measurement error of 5% 2 words; input impedance 1M, input capacitance 50pF; with super-scale automatic police power functions, the need for effective application of high-precision, wide range of areas such as AC voltage measurementKey words: Single-chip microcomputer; Digital AC Millivoltme
9、ter; True RMS; smart range conversion目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 本文主要研究的内容1第二章 单元电路设计32.1 衰减倍数可调电路32.1.1 集成运放32.1.2 微型继电器42.1.3 信号衰减倍数可调电路42.2 真有效值直流(RMS-DC)变换电路52.3 A/D模数转换单元82.3.1 A/D转换器概述82.3.2逐次逼近式A/D原理及AD574芯片92.4 波形整形电路132.4.1稳压二极管142.4.2 电压比较器142.4.3波形整形电路172.5 直流稳压电源182.5.
10、1 单相桥式整流电路182.5.2 桥式整流电路的技术指标192.5.3 三端固定式集成稳压器212.5.4 稳压电源电路22第三章 MSC-51单片机233.1 MCS-51单片机概述233.1.1 MCS-51单片机的内部结构233.1.2 MCS-51单片机引脚功能243.2 MCS-51单片机时钟电路与时序273.2.1 MCS-51单片机时钟电路273.2.2单片机工作的基本时序283.2.3 单片机的复位工作方式293.4 MCS-51单片机定时器/计数器303.4.1 单片机定时器/计数器概述303.4.2 定时器计数器的控制寄存器313.4.3 定时器/计数器的工作方式33第四
11、章 数码管LED及可编程接口芯片344.1 LED数码管结构与原理344.2 8155可编程接口芯片36第五章 硬件设计415.1 数字交流毫伏表概述415.2 硬件电路425.3系统使用43第六章 软件设计44结论57参考文献58致 谢59第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题背景自90年代以来，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展极大的促进了嵌入式系统的发展。随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提升，新的应用环境和产业化需求对嵌入式系统软件提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可
12、信性、自适应性、构件组件化方向发展；支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化。同时随着电子技术的迅速发展、数字电路应用领域的不断扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子测量设备的精密度和稳定度最为关注。而在电量的测量中，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，更需要测量弱电的电压，所以毫伏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，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐，人们对数显仪表类器件的精度需求越来越严格。当
13、今社会，仪表制作技术已经很成熟，仪表制作和嵌入式系统结合的越来越紧密，但是交流毫伏表方面特别是数字显示的交流毫伏表技术才刚刚起步且有待发展，高性能的数显交流毫伏表器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数字显示交流毫伏表。本数字显示交流毫伏表系统测量交流电压精确，电压测量误差5%，测量频率范围广，且具有超量程自动提示功能，能有效应用于需要高精度、宽频率范围的交流电压测量等领域。1.2 本文主要研究的内容本文设计一个数字显示的交流毫伏表，以低功耗单片机MCS-51为主控制器，经设有运算放大器和微型继电器的衰减模块输出，经衰减放大处理的模拟信号，
14、其中一路信号通过真有效值直流(RMS-DC)变换,经12位快速逐次比较式A/D转换器AD574芯片转换，实时把模拟量转化为数字量；另一路信号经信号波形转换电路输出给单片机，经CPU进行计算、处理后，由七段数码LED显示出来，最终实现对被测输入信号的电压值和频率值显示测量。本设计数字交流毫伏表主要有电源，由衰减电路、放大电路和微型继电器组成的信号可调衰减模块，真有效值直流(RMS-DC)变换模块，A/D转换模块，波形转换电路，单片机模块，数字显示模块等部分组成。数字交流毫伏表原理结构示意图，如图1-1所示衰减器及放大器真有效值直流变换模块A/D转换模块单片机模块数字显示模块波形转换电路被测输入电
15、压图1-1 数字交流毫伏表原理结构示意图第二章 单元电路设计第二章 单元电路设计2.1 衰减倍数可调电路2.1.1 集成运放集成运放应用首先是构成各种运算电路，在运算电路中，以输入电压自变量，以输出电压作为函数，当输入电压发生变化时，输出电压反映输入电压某种运算的结果，因此，集成运放必须工作在线性区，在深度负反馈条件下，反馈网络可以实现各种数学运算。同相比例运算电路，图2-1所示图2-1 同相比例运算电路同相比例运算电路见图2-1 a），利用“虚断”的概念有 利用“虚短”的概念有最后得到输出电压的表达式 （2-1-1）由于是串联反馈电路，所以输入电阻很大，理想情况下Ri=。由于信号加在同相输入端，而反相端和同相端电位一样，所以输入信号对于运放是共模信号，这就要求运放有好的共模抑制能力。在同相比例运算电路中，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成图2-1 b）所示
