1、本科毕业论文（20 届）交流电压数字化测量装置的优化设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪 论 .11.1 研究背景 .11.2 课题的总体设计及思路 .21.3 设计方案的优化及选择 .21.3.1 方案一 .21.3.2 方
2、案二 .2第二章 电路设计 .42.1 硬件电路工作原理及实现方法 .42.2 硬件电路的最小系统设计 .52.2.1 电压信号采样放大电路设计 .52.2.2 A/D 数模转换电路设计 .72.2.3 时钟控制电路设计 .122.3 通信接口硬件电路设计 .162.3.1 数据通信方式 .162.3.2 RS-232C 标准接口总线 .182.3.3 单片机与 PC 机通信接口电路 .192.4 LED 显示系统设计 .202.4.1 LED 简介及设计方法 .20第三章 软件部分设计 .223.1 主程序设计 .223.2 下位机的软件设计 .233.2.1 数据采集程序设计 .233.2
3、.3 时钟芯片读写程序设计 .253.3 上位机的软件设计 .283.3.1 VB 通信控件介绍 .283.3.2 上位机程序设计 .283.4 通信程序设计 .30第四章 抗干扰设计及调试 .334.1 硬件抗干扰设计 .334.2 软件抗干扰设计 .344.3 设计硬件调试 .354.4 设计软件调试 .35第五章 结论 .37参考文献 .38致 谢 .39附录: 部分源程序 .40附录 A 交流电压数字化装置原理图 .45毕业论文（设计）第 I 页交流电压数子化测量装置的优化设计摘 要从上世界 80 到现在，单片机已从单一的功能逐步形成了集多功能于一身的趋势， 在电压的数字化测量仪器仪表
4、中，随处都可以看到单片机的身影，在对如电压测量等简单，单一的数据检测时，以单片机设计的数字测量仪器很轻松的就能完成。随着电子技术的不断发展，单片机集成的功能也越来越多，现在以单片机设计的数字测量仪表可以完成与其 PC 机（计算机）等外部设备的通信。在传统的电压测量仪表中，大多数都是指针式的模拟量的测量仪表，在需要测量精度高的电压时就无法满足要求，对数据的记录不方便，数据要用手抄，在不方便观察表面的地方，就会影响到测量的准确性。浪费时间，数据又不好管理。而要是使用数字化的的电气测量仪表就可以轻松的解决上述的问题。单片机的问世，引发了测量控制领域的电子产品设计新的技术革新。本设计采用 PIC16C
5、63A 单片机主的交流电压数字化测量装置，测量的交流电压以数字的方式在 LED 数字显示屏上加以显示，还具有与上位机（PC 机）进行通信，通过上位 PC 机对电压进行监测和存储历史电压值，方便以后的查询。该仪表可作为交流电压监测的底层网络结构主体。关键词：单片机；AD 转换；LED 显示；外部通信；毕业论文（设计）第 II 页Optimal design of digital measuring device for AC voltageAbstractFrom the 1980s to the present,SCM(single chip microcomputer) from a sin
6、gle function gradually formed a set-in-one trend,Digital voltage measuring instruments and meters, Everywhere you can see the shadow microcontrollerThe ,voltage at the time of measurement, simple, single data detection,The voltage at the time of measurement, simple, single data detection,Microcontro
7、ller design digital measuring instrument can be done easily,With the continuous development of electronic technology, single-chip integrated functionality more and more, now single-chip design of digital measuring instruments can be done to communicate with its PC unit (computer) and other external
8、devices.In the conventional voltage measurement instrument, mostly analog pointer measuring instruments, when needed high accuracy voltage can not meet the requirements for data recording is not convenient, use a hand-written data, inconvenient local viewing surface, it will affect the accuracy of m
9、easurement.A waste of time, data and bad management.And if the use of digital electrical measuring instruments can easily solve these problems. The advent of the microcontroller, triggering a new measurement and control in the field of electronic product design innovations.The design uses a PIC16C63
10、A microcontroller main AC voltage digital measurement unit, an AC voltage measurement digitally to be displayed on the LED digital display, but also has a host computer (PC) to communicate through the host PC, voltage monitoring history and memory voltage value, to facilitate future inquiries.The in
11、strument can be used as an AC voltage monitoring body network infrastructure.Key Words：single chip microcomputer; A D converter; LED display; external communication毕业论文（设计）第 1 页第 1 章绪 论1.1 研究背景伴随社会的发展，控制测量设备逐渐朝着数字化、小型化、微能耗的方向发展。 在发展的过程中，基于单片机设计的数字测量产品越来越有优势，提升了单片机的使用价值和地位，以单片机为基础的应用系统优化设计成为新的技术热点，到8
12、0年代初期，交流电压测量精度可达0.1V。其24小时准确度，交流电压可达土 0.01%，其数据处理的能力已经很强了。仪器可以在一定时间内进行自动跟踪测量及数据的自动存储等。交流电压数字化测量装置，拥有一些与仪器设计的指针式交流电压测量仪表不具备的功能，交流电压数子化测量装置测量出来的电压在显示屏上显示的是数字，这是测量仪表进一步发展而得到的结果。在科技高度发达的现在，经典设计的交流电压数字化测量仪表已不太满足物联网时代的测量需要。而具有与网络连接的电压数字化测量仪表就会有很好的发展前途。 对比传统的测量仪表，数字测量仪表具有这些优势：1. 测量显示清晰、直观和精准。2. 显示位数非常的宽，一般
13、可显示 3 位至 8 位的数值。3. 准确度高，测量的结果可以非常接近真是的电压值。4. 分辨力高，可以根据设计检测微电子产品的微电压。5. 测量范围宽，数字仪表可满足常规测量的需要。6. 测量速率快，在几微秒的的时间内就可以完成一次测量。7. 集成度高，微功耗。新型的电气数字数字化测量仪表大多数是用高集成电路的设计方式，整体的能耗不高。随着电子产品的集成化越来越高和多功能小体积的发展，使其内部硬件结构及软件越来越杂多，这就使其故障诊断和线路的检修就变得十分的困难。由于检测测量设备的精细化、智能化和工作速度的提高，使其测量检测的能力得到大大的提升，这类测量仪器的进一步发展具有很大的潜力其经济效
14、益将是十分巨大的。毕业论文（设计）第 2 页1.2 课题的总体设计及思路在交流电压数字化仪表的设计中主要包括硬件、软件方面的问题：1. 采用模拟量输入，把模拟量经 AD 转换成数字量，将通过 LED 显示屏实时显示测量到的交流电压。2. 电压显示用 4 位的 LED 数码管显示，能够显示一位小数。3. 在软件设计方面，采用数字滤波程序来排除部分干扰。利用 Delphi7 编写通信控程序。实现单片机与 PC 机的通信。1.3 设计方案的优化及选择1.3.1 方案一此方案的工作原理是把要测量的交流电压经过电压测量装置转换后，单片机控制LED 显示屏，显示交流电压的数字，数字值即是测到的交流电压值。
15、只需要少量的元器件就可以完交流电压的测量，设计采用的是经典的数字电气测量装置的方法，既简单有具有很高的性价比。下面时此设计的结构图，结构框图如图 1.1。 图 1.1 结构框图此设计只有一般交流电压测量仪表的能力，设计方便，能够满足一般的电压测量。而一旦完成设计就不好对其功能的扩展，设计不灵活，抗干扰力不强，在干扰严重的情况下测量不准确。1.3.2 方案二此方案是把外部的交流电压经过数字转换，在单片机的处理下把电压值送给数字毕业论文（设计）第 3 页显示屏显示的同时又送给 PC 机。单片机处理是该系统的核心，将采集转换成的频率进行软件转换，转换成电压，并调用 LED 显示电压，显示的电压值有效
16、位为小数点后一位，共使用 4 个数码管。与 PC 机通信，PC 机显示电压值记录并对数据进行存储，以便查询。系统结构框图如图 1.2 所示。图 1.2 整体结构图根据图 1.2 的结构，可把系统分为上位机和下位机两个部分。下位机部分主要功能是电压采集、显示电路和数据发，上位机的功能为数据接收、数据存储和数据显示。如框图 1.3、1.4 所示。图 1.3 上位机组成框图图 1.4 下位机组成框图方案二：的交流电压的数字化测量仪表不仅具有上一方案的功能，还具有与PC机通信的能力，便于把直接测量的数据进行保存和传输，既方便又省时省力。不仅能够完成上一个预设电压测量仪表的全部的测量任务，还是上一种测量
17、仪表的进一步优化，可原基础上进行功能扩展通信。所以设计选用方案二。毕业论文（设计）第 4 页第 2 章 电路设计2.1 硬件电路工作原理及实现方法交流电压数字化测量仪表主要由信号采集放大模块、A/D转换模块、时钟计时模块、显示模块、上位机(PC机)通信等模块组成。体结构框图如图2.1所示。图 2.1 硬件总体结构框图被测交流电压由电阻分压成比例的交流电压值，由运算放大器OP07放大，经整流滤波得到与输入电压成比例的直流电压值。由压频（电压/频率）转换芯片LM331转换成脉冲信号。由PIC16C63A单片对脉冲信号进行计量，从而完成 A/D转换的功能，得到被测电压数值的数字码(BCD 码)，通过
18、PIC16C63A驱动四个LED数码管显示结果。由时钟芯片通过中断方式要求单片机记录当时电压数值并发送给PC机，由上位PC 机对所记录最近24 小时电压值进行保存，并形成相应图形予以显示。采用了MAX202 RS-232收发器完成单片机TTL(5V)电平和 PC机RS-232的电平( 士15V负逻辑)转换。只用四个0.1 F电容和单五伏电源就满足了RS-232总线的电气特性。简化了硬件电路，为实现单片机与PC 机的通讯提供了硬件保证。毕业论文（设计）第 5 页PIC16C63A芯片有八位控制器，采用的是精简指令集，有不同层次系列的多个型号的产品，以满足各种设计的要求，I/O口有22 位，用RB
19、1-RB7 的7I/O口个驱动LED 数码管，用具有输入弱上拉电阻的AR0-RA3I/O 口与LED数码构成上拉回路。TMR1 定时器用于对LM331产生的脉冲的控制，RB0为时钟芯片的中断请求接口，用RC3与RC4I/O口连接时钟芯片控制单片机，RC6、RC7与电平转换芯片连接与PC机进行通信。PIC16C63A 完全满足本系统设计需要，其芯片管脚如图2.2所示。 图2.2 PIC16C63管脚分布图2.2 硬件电路的最小系统设计2.2.1 电压信号采样放大电路设计电压信号采样大原理就是把交流电压转化为采样设备（电流互感器）能识别的的小电流信号，要在测量电压进入交流互感器之前接入一个精确的限流电阻。限流电阻的阻值R大于750V/2mA=375K即可对额定输入输出电流都为2mA 的电流互感器起到保护作用。考虑到电压的波动性，所以采用470K限流电阻。用放大器 OP-07构成的I/V 转换负反馈放大电路将电流互感器输出为U/R的电流转换为采样芯片能识别的电压信号。在设计中，我采用了ADOP 07高精度运算放大器。它具有极低的失调电压(10 V)和偏置电流(0.7nA)，他的温漂系数为0.2 v/，ADOP07具有较高的共模输入范围(士14V)以及极宽的供电电源范围(从士3V士18V) 。AD0P07 电气参数特性表如表2.3 所示。
