1、智能数字电压表的设计摘 要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，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上以 AT89C51 单片机为核心的电压测量系统，该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量程自动转换，并且测量结果可通过四个数码管显示出来。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。关键词： AT89C5
2、1 单片机，数字电压表，模块化， 电压测量Design of the digital voltmeter based on the MCUAbstractWith 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
3、is more and more powerful, and voltages measurement is best important. This paper introduces an achievement of a voltage measure system based on the AT89C51 MCU. This system can accomplish the signal sampling of voltage, and change range automatically according to the signal sampled. The result can
4、be displayed through numeral rube of four places.In this design, the hardware circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions.Over the d
5、esigning of the whole system, the method of modularity is used.KEY WORDS：AT89C51 MCU ，Digital Voltmeter，Modularity ，Voltages Measurement第 1 页 共 44 页1 绪 论1.1 引言20世纪初至50年代，出现了电子管等新的电子器件。同时，随着电子技术与控制技术的发展，又出现了电子仪器仪表，产生了以记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表的电子式模拟仪器。这些磁电式和电子式模拟仪器仪表统称为第一代仪器仪表模拟式仪器仪表。随着集成电路的出现，数字技术在测量中获得了成
6、功的应用，20世纪60年代出现了以集成电路芯片为基础的第二代仪器仪表 数字式仪器仪表。如数字电压表、数字电流表、数字频率计、记忆示波器等。这类仪器的特点是将模拟信号的测量转变为数字信号的测量，并以数字的方式显示和输出测量结果，适用于快速响应和高精度的要求，还可以将数据通过接口输入计算机处理。随着单片机的问世，20世纪70年代出现了内涵微处理器的第三代仪器仪表智能仪器仪表。智能仪器仪表不仅能够完成某些测量任务还能进行各种复杂的数据运算处理，且能适应被测参数的变化，进行自动补偿、自动选择量程、自动校准、自寻故障、自动进行指标判断与分旋翼机进行逻辑操作、定量控制与程序控制等工作。随着新型单片机和大规
7、模可编程集成器件的出现，新研制生产的智能仪器仪表不断产生，并且正在逐渐取代传统的仪器仪表。1.1.1 近年来单片机及其应用测量单元技术发展动向测量控制技术与仪表行业是应用计算机最早成就最卓著的领域之一在计算机诞生的最初年代，人们就开始利用计算机对测量结果进行统计分析加工处理。随后出现的以小型机为基础的自动测试系统，就可将被测参数，生产状况，通过模数转换送入计算机，使测量数据得到及时的处理，存储和打印，并用来指导生产。在某些场合，数据处理的结果还用来直接干预生产过程，组成计算机闭环控制系统。这些早期的计算机自动控制系统自动测量系统早20世纪60年代曾得到迅猛发展，但由于当时没有出现微型计算机，这
8、类计算机系统都程度不同的存在体积大，价格高结构复杂，可靠性差的弊病，难以大范围推广使用。进入20世纪80年代以第 2 页 共 44 页后，这种局面迅速改变，一方面，由于各种通用标准总线接口的出现，解决了仪表与仪表之间、仪表与计算机之间的统一来连接问题。改善了计算机系统的功能与可靠性，促使以计算机为中心，由多台可程控仪表组成的成套装置大量涌现；另一方面，微电子技术的发展与微机的问世，使仪表由原来从属于计算机系统的被动地位逐步发展与微机结合，相互渗透，并形成了仪表微机化的趋势。以工业自动化仪表为例，经历过由机械式仪表到电动单元仪表，再到组装式电子单元仪表的长时间发展过程，直至微机大量应用后，才产生
9、了微机化工业自动化仪表，并正在发展适合现场总线控制，各种分布式控制和网络控制的智能仪表。1.1.2 我国智能仪器的发展历程在我国，与仪表这两个词的应用并无严格的区别，因此用仪表这个词足以表达这类装置意思。所谓微机化仪表，是指微机与传统仪表有机结合的产物，这种“内藏”微机的仪表具有总线结构和通信能力；能进行许多自动处理和故障自诊断自处理工作；应用“以软代硬”技术；促使仪表向结构简化，体积缩小功耗减低功能增加性能提高的方向发展。由于这些特点他能组装成中大规模高度自动化高可靠性的系统，也为智能仪表奠定了基础。前些年，国内外书刊常以智能称谓上述新一代仪表。随着微电子技术和微机技术的进一步发展，嵌入式系
10、统，含微机的仪表专用集成电路，高级的测量与控制软件和智能技术水平的不断提高，仪表进一步提高性能和功能，真正的智能仪表已经形成。今天，智能仪表不仅成为生产自动化与军事装备的基础，也是科学技术的尖兵，还是计量管理和贸易结算的“法官”，而且正在深入的应用到人民生活的各个方面。随着计算机技术的快速发展，以嵌入式系统为核心的智能仪表综合运用各种现代技术，不断提高其性能和增强其功能，将完全取代传统的仪表装置，成为一种广泛应用的电子产品。今后，智能仪表在其设计，制造应用等方面将会有更大的进步和更快的发展。今后，智能仪表在其设计，制造应用等方面将会有更大的进步和更快的发展。智能数字电压表是在数字电压表的基础上
11、嵌入单片机系统形成具有很强的数据处理能力的智能化的数字电压表，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（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，不第 3 页 共 44 页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，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水平。在
12、数字电压表的设计中，数据的采集是最重要的，数据采集”是指温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，具体的说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所须的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机
13、控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决与它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。1.1.3 本设计要研究或解决的问题在电气测量中，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内容之一。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字电压表完成测试。因此，数字电压表被广泛地应用于科研和生产测试中。本文将介绍一种以单片机为核心的电压测量仪表，它能够测量电压量，能够自动进行量程选择，并且测量结果能够通过数码管显示，从而具有一定的智能性。本文将就这
14、一系统的硬件电路部分和软件程序部分分别作以介绍。在硬件部分，本文就系统的各个组成模块的原理作了详细的介绍。另外，在每一模块电路第 4 页 共 44 页中都对元器件的选择作了简单的介绍，其中包括有关数值的计算和分析。在软件部分，详细阐述了各个模块电路的软件设计方法和设计中的细节。2 数字电压表硬件部分的设计2.1 总体方案概述分析本设计，可以看出其主要任务就是对电压信号能够自动选择合适的量程进行测量并显示。本设计要求采用单片机进行控制，由于单片机的有效输入输出信号均为数字信号，而对于整个系统的前向通道有效信号均应为模拟信号，所以在设计过程中必然包括模拟量转换为数字量单元的设计。根据要求本设计中采
15、用的是 V/F 转换电路。对于 V/F 转换电路，要使其转换具有良好的线性度和精度必须使其输入电压变化范围较小。而本系统中要求测量的电压范围是 0500V,无法满足 V/F 转换的要求。所以，前向模拟通道的设计要包括量程转换部分，即对大信号进行分压变小，对小信号进行放大，显然，这样不仅能满足 V/F 转换电路的要求，而且也能有效的防止超量程测量。另外，前向通道的设计还应包括对模拟信号的采集部分。本设计总框图如图 2.1 所示。单片机数据存储器显示器输入电路A/D 转换器程序存储 器I/O 接口被测电压输入信号图 2.1 设计总框图2.2 输入电路部分的设计根据本系统的要求所采集的信号应为电压信
16、号，同时电压信号还应有交流和第 5 页 共 44 页直流之分。所以在设计中应该具有相应的处理电路，使最终的信号得以统一。对于交流信号可以采用交/直流变换的方法变为直流，这样最终进入模 /数转换单元（即 V/F 转换单元）的模拟信号就应该为直流电压信号。对于信号变换部分应该注意的是所采样的信号种类应能够通知控制部分（单片机） ，以使控制部分做出相应的计算处理，只有这样才能保证最终的显示结果的正确性。2.2.1交流信号和直流信号的采样本设计中所采用的交直流转换电路如图 2.2 所示。分析此电路，可以看出此电路集精密全波整流、量程切换、信号过零比较于一体。CD4053 是三组单刀双掷集成模拟开关，开
17、关 X 承担了全波整流的任务，其控制端 A 受控于比较器的输出电平。图中 U1B 工作于同相放大状态，运放 U1A工作于反相放大状态，比较器的输入引自 U1B 的放大输出信号，这有利于提高比较器对信号的灵敏度。电路输入交流信号的正半波时，同相连接的比较器 U6 输出高电平，模拟开关 X 接通运放 U1B 输出信号送后续的模拟信号与数字信号的转换单元；电路输入交流信号的负半波时，比较器 U6 输出低电平，模拟开关 X 接通反相器 U1A 的输出信号送后续的模拟信号与数字信号的转换单元。由此完成了由 U6 过零跃变的准数字量控制的全波整流过程。这个准数字信号就可以用来通知控制部分所进行测量的是交流
18、信号还是直流信号，以使控制部分进行相应的计算和显示。CD4053 的另两组模拟开关 Y 和 Z 承担了三个量程的切换任务，它们的控制端 B 和 C 通过来自单片机的量程切换命令。第 6 页 共 44 页图 2.2 交直流转换电路另外，图 2.2 电路能同样有效地用于直流信号的前置处理。电路的输入端无论接入的是直流正信号还是直流负信号，输出的幅值都是 0 伏以上的直流正信号，这对于后续电路的设计尤其适用，而此时可以从比较器输出的电平高低获知是正输入还是负输入。特别重要的示，直流信号和交流信号具有同样的传输增益，给交直流参数的测量软件同一处理提供了极大的方便。显然，此电路满足本设计的要求，而且它集
19、量程转换于一体，为量程转换部分的设计提供了方便，节省了硬件资源。2.3 量程自动转换电路的设计在仪表的设计过程中，量程转换的设计是相当重要的。所设计的系统应该具有自动转换量程的功能，并且能够自动判断是否超量程测量。这样才能够为后续的模数转换单元提供适当的输入电压，使其转换具有良好的精度和线性度。在本设计中模数转换单元选择的是电压/频率转换电路，对于 V/F 转换电路，其输入电压选择 05V。这样，经过量程转换后的电压范围就应该为 05V 。因为本系统的输入电压范围是 0500V，故我们可以选择 1/100 作为其最大电压的量程档，500V 经过 1/100 分压后降为 5V，恰好可以满足 V/
20、F 转换的要求。在本设计中，对于电压信号设置了五个量程，即 1/100 档，1/10 档，1 档，第 7 页 共 44 页10 档， 100 档。1/100 档和 1/10 档由分压电路来完成，它们是用来测量较大电压的。而1 档， 10 档， 100 档则是应用放大电路来完成的，它们则是用来测量较小的电压的。在本设计中，1 档，10 档，100 档可由交直流转换部分的电路来实现，见图 1-4。此电路中的多路选择开关 CD4053 可以用来选择放大倍数，在该电路中分别设置了1，10 和100 的放大倍数。具体选择多大的放大倍数可以通过单片机的引脚 P1.3 和 P1.4 电平来控制。本设计中 C
21、D4053 各个开关的导通与单片机引脚的关系见表 2.1 所示。表 2.1：CD4053 与单片机引脚的关系C（P1.4 ） B(P1.3) Y 选通情况 Z 选通情况0 0 Y Y0 0 1 Y Y1 Z Z01 0 Y Y0 1 1 Y Y1 Z Z1本设计中 1/100 和 1/10 分压比的选择也由单片机引脚控制多路选择开关来实现。由于本系统要求的电压测量范围是 0500V, 所以多路开关的选择应特别注意其耐压值。在本设计中采用的是 MAX4602,因为它的耐压值可达到两千伏左右，故可以应用在本系统中。分压比的选择由单片机的 P1.0 和 P1.1 来控制。电路图见图 2.3。图 2.
22、3 量程转换部分的分压电路由上述分析可知量程的转换由两部分（即分压和放大）共同完成，所以在量第 8 页 共 44 页程的选择时需注意两部分的关系，即选用分压时放大电路的放大倍数要选为 1，选用放大时信号要直接进来而不经过分压。2.4 模数转换单元的设计2.4.1 A/D 转换芯片的选取单片机对模拟信号的读取通常是采用 A/D 转换方式，这一方法对输出阻抗低，惰性强，变化缓慢，传输距离长的信号，采用 A/D 转换的抗干扰性能就比较差。对于不需要较快检测速度的信号，如果采用 V/F 变换器代替原有的 A/D 转换器，把电压信号转换成与之对应的频率信号（f=kv）,由单片机 CPU 计数器在采样周期
23、内对频率脉冲进行计数，采样时，CPU 发出计数指令，定时时间一到，计数停止，从读到的计数值乘以一定的系数，就可以得到相应电压值。本设计中采用的是 LM331 转换芯片将模拟信号转变为相应的频率信号. LM331 是单片集成芯片，在 V/F 转换器中，它是 LMX31 系列中的一种，它作为一种简单廉价的电路很适用于模/数转换。它使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有较高的精度，最大线性度达 0.01%，6 个数量级的动态范围，即满量程的频率范围为 1Hz 100kHz 。其数字脉冲重复率正比于模拟输入电压的幅值。这类器件的高精度，高线性度，低温移及单
24、调性的组合所提供的性能是其它技术难以实现的。逐次近似 A/D 转换器定期进行“抽样” ，因此易受噪声尖峰的影响，而电压频率转换器的输出端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平滑，特别适合于噪声工作环境。与一般的 A/D 转换器比较有以下几个特点：1 V/F 转换过程是输入信号不断积分，因而能对噪声或信号的波动进行平滑滤波。2 因为输出的是串行信号，便于隔离和远传。3 利用微机的特点，可使接口简化、编程方便。2.4.2 VFC 转换原理转换原理 VFC 是根据电荷平衡原理工作的，其原理电路如图 2.4，核心部分是由 A1、R f 和 Cf 组成的积分器。开始时，二极管 D1 截止，D 2 导通，积分器对输入电压进行负向积分，积分电容 Cf 的充电电流为 Vi/Rf。A 2 是带滞环的电压比较
