基于MFC和單片機的智能電壓表

1、武漢理工大學(xué)虛擬儀器課程設(shè)計說明書目錄緒論1I.虛擬儀器的組成1II.虛擬儀器的特點11方案確定21.1設(shè)計要求21.2方案確定32硬件模塊32.1系統(tǒng)總流程圖32.2 CD4051多路選擇開關(guān)32.3 PGA 202程控放大器42.4 AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器53單片機程序93.1 主函數(shù)93.2 AD7705相關(guān)程序103.3 PGA放大倍數(shù)選擇程序123.4 CD4051通道選擇函數(shù)123.5 串口函數(shù)123.6 其它子函數(shù)134上位機程序135元件清單146小結(jié)15參考文獻16緒論虛擬儀器（virtual instruction,簡稱為VI）是虛擬技術(shù)的一個重要組成部分。它是由

2、計算機技術(shù)、測量技術(shù)和微電子技術(shù)高速發(fā)展而孕育出的一項革命性技術(shù)。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到儀器廠家的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器方法，開辟了測控技術(shù)的新紀元。20 世紀80 年代中期，美國國家儀器公司（NationalInstrument，簡稱為NI） 首先提出的“軟件就是儀器”（TheSoftware is the Instrument）這一概念便是對虛擬儀器最本質(zhì)的論述和表達。正是這個概念為用戶定義、構(gòu)造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。   

3、;I.虛擬儀器的組成     虛擬儀器由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件由計算機和I/O 接口設(shè)備組成，按功能可分為3 個主要部分：信號輸入：完成信號的采集、放大和A/D 轉(zhuǎn)換，將被測信號變成標準信號（一般用電壓信號）以利于計算機處理。對于多量程采集卡，只需根據(jù)傳感器輸出選擇量程即可。信號輸出：將計算機產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換成適合于被測系統(tǒng)的激勵信號。這兩部分由I/O 接口設(shè)備（如：數(shù)據(jù)采集卡、GPIB 總線儀器、VXI 總線儀器、PXI 總線儀器和串口系統(tǒng)等）完成。信號處

4、理：利用計算機對所采集的信號進行分析、顯示和存儲等，PC 機是硬件平臺的核心。軟件是虛擬儀器的核心，儀器的功能由用戶在軟件平臺上編程實現(xiàn)。目前最常用的軟件開發(fā)工具是美國NI 公司的LabWindows/CVI 2 和LabVIEW。NI 公司的虛擬儀器平臺LabVIEW 簡化了虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的周期。即使是個編程的新手，也能用全圖形化方式編程的LabVIEW 很快地”畫”出程序來。因為LabVIEW 是真正面向科學(xué)家和工程師的編程語言。II.虛擬儀器的特點  

5、0;   與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有下面一些特點：（1）虛擬儀器的軟硬件都具有開放性、模塊化、互換性、可重復(fù)使用等特點。一般運行于Windows 環(huán)境，可以同時啟用多個應(yīng)用，而且用戶可以根據(jù)需要靈活組合，大大提高了使用效率，克服了傳統(tǒng)儀器功能專一限制很死的缺點。（2）大大地降低了測試成本。傳統(tǒng)測量多采用硬件設(shè)備或儀器，這些設(shè)備本身的制造成本就很高，在實驗室或研究所內(nèi)使用還可以。但是，在野外、工作現(xiàn)場，設(shè)備的搬運、維護費用很高，使測試成本大大地提高，有時甚至無法實現(xiàn)。而虛擬儀器是借助于計算機以軟件為核心，隨著計算機的微型化，攜帶非常方便，有人形象地說“把

6、實驗室拎著走”。由于所有信號有一個公用的量化、分析和處理通道，減少了復(fù)雜的開關(guān)矩陣和信號電纜。因此，采用虛擬儀器既省去了大量設(shè)備硬件的制造成本，也減少了搬運維護等費用，對于經(jīng)濟條件較緊張的我國來說更具有現(xiàn)實意義。（3）使用效率高。傳統(tǒng)儀器都是自成系統(tǒng)、功能單一、體積龐大、儀器繁多，而虛擬儀器只需要一臺計算機，其它必須的硬件如A/D、D/A 等都是固定在計算機插槽上的，體積小，使用起來非常方便。虛擬儀器是一種軟件化的測量裝置，軟件的靈活性與復(fù)用性使用戶可以根據(jù)自己的需要定義測量裝置，也可以靈活地組合儀器。模塊化和規(guī)范化的設(shè)計為虛擬儀器組建自動測試系統(tǒng)提供了極大的方便。資源可重復(fù)使用，做

7、完實驗后，PC 機又可轉(zhuǎn)入它用，不僅虛擬儀器工作臺的PC 機可以一機多用，而且即使實驗室也可以一室多用，節(jié)約了設(shè)備資源，提高了利用率，可緩解高校實驗室空間不足的局面。（4）功能更強大，處理能力更強。信號處理理論的不斷完善和計算機運算能力的大大提高，使虛擬儀器具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。這就是通常所說的“一臺有采集卡的計算機加上用戶自己開發(fā)的VI，就具有了幾個實驗室儀器的測試能力”。（5）遠程訪問和交互式操作。通過InterNET 真正實現(xiàn)軟硬件資源的共享。這樣研究人員可不到現(xiàn)場就能高效地進行實驗，而把工作重點放在實驗結(jié)果的處理分析上，大大提高了科技人員的工作效率，降低

8、了勞動強度。將多種測試集于一體的方法縮短了測試時間，提高了測試速度。（6） 測量精度更高。傳統(tǒng)儀器的操作件都是物理實體，操作次數(shù)多了可能會出現(xiàn)滑絲、指示不準等機械故障，導(dǎo)致測量誤差大。而虛擬儀器主要是軟件完成，操作簡單，受電纜長度、阻抗和儀器修正因素的影響較小，提高了測量的準確性和可重復(fù)性，測量精度也會相應(yīng)提高。1方案確定1.1設(shè)計要求1.設(shè)計一個智能化的電壓采集、測量、監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機和虛擬儀器技術(shù)為核心并具有如下功能：(1).能對0-5V范圍變化的模擬信號進行連續(xù)采樣，并在PC機中進行實時顯示，采樣頻率不低于10Hz；(2).具有數(shù)據(jù)記錄功能，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以文件形式

9、保存在PC機中； (3).能對系統(tǒng)存在的隨機誤差和系統(tǒng)誤差進行校正；(4).系統(tǒng)具有自動量程選擇功能，量程至少4檔可調(diào)；(5).具有自動電壓監(jiān)控功能，當采樣值大于4V時，點亮報警指示燈。2.要求完成的主要任務(wù)：(1).合理設(shè)計系統(tǒng)總體方案，并畫出方框圖；(2).正確選擇A/D和PGA，要求系統(tǒng)測量最大量程時， 測量分辨率達到1mV以內(nèi)，最小量程時測量分辨率達到1uV以內(nèi)；(3).要求系統(tǒng)具有隨機誤差和系統(tǒng)誤差校正功能，具有自動量程選擇功能；(4).PC機軟件由LabVIEW或C/C+編程實現(xiàn)，要求操作方便，界面美觀；(5).設(shè)計說明書應(yīng)詳細說明設(shè)計思路、特點和電路工作原理。1.2方案確定本次設(shè)

10、計是基于單片機和MFC編程的智能數(shù)字電壓表。使用CD4051作為多路選擇開關(guān)，用于誤差校正。 PGA202可編程放大器，用于自動量程的切換時的電壓放大。單片機采用STC90C516RD+，用于對電路板上各個芯片的控制。上位機界面用MFC編程，主要實現(xiàn)了采集電壓的顯示，超量程報警和數(shù)據(jù)存儲功能。2硬件模塊2.1系統(tǒng)總流程圖AD770516位PGA202程控放大CD40518路選擇PC機單片機 輸入電壓總的電路連接圖請看附圖1。2.2 CD4051多路選擇開關(guān)CD4051引腳圖：圖2.1 CD4051引腳圖引腳功能描述： A0A2： 地址端 I0/O0I7/O7： 輸入輸出端 INH： 禁止端 O

11、/I： 公共輸出/輸入端 VDD： 正電源 VEE： 模擬信號地A0A2地址線真值表：表2.1 CD4051真值表2.3 PGA 202程控放大器PGA 202芯片，其放大增益為1,10,100,1000滿足具有四檔量程，模擬輸入電壓的最大值為5V，對應(yīng)的量程分別為5000mV檔，500mV檔，50mV檔，5mV檔。PGA引腳圖如下：圖2.2 PGA202引腳圖PGA202引腳介紹：A0、A1：增益數(shù)字選擇輸入端+VCC-VCC：+15V和-15V電源+VIN、-VIN：同相和反相輸入端Filter A、Filter B：輸出濾波端VOUT Sence：輸出檢測端與輸出端相接Digital C

12、omnon：數(shù)字公共地端VOS Adjust：偏置調(diào)整端VREF：參考電壓輸入端VOUT：輸出端將A0,A1分別接到單片機的P1.0，P1.1腳，通過單片機程序控制，輸出高/低電平來控制其增益。來實現(xiàn)自動量程轉(zhuǎn)換功能。1倍對應(yīng)5V，依次，1000倍對應(yīng)5mv檔。由于PGA 202供電電源為+/-15V的差分電源，而系統(tǒng)供電電源為5V。故采用A0515S-2W來放大電壓。2.4 AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器本次設(shè)計精度的要求為：最大量程05V時， 測量分辨率達到1mV以內(nèi)，最小量程05mV時測量分辨率達到1uV以內(nèi)，根據(jù)這一要求可知ADC至少要有13位。AD7705為16位，且具有分辨率從、寬動態(tài)范圍

13、、自校準、低功耗、優(yōu)良的抗造性能等優(yōu)點，所以選擇AD7705，其引腳圖如圖。AD7705的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、-調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等部件。片內(nèi)的增益可編程放大器PGA可選擇1、2、4、8、16、32、64、128八種增益之一，將不同擺幅范圍的各類輸入信號放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓再進行A/D轉(zhuǎn)換，有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當電源電壓為5 V，基準電壓為2.5 V時，器件可直接接受從020 mV至02.5 V擺幅范圍的單極性信號和從0±20 mV至0±2.5 V范圍的雙極性信號，負極性電壓相對AIN()引腳而言，

14、這兩個引腳應(yīng)偏置到恰當?shù)恼娢簧?。不允許在器件的任何引腳施加相對于GND為負電壓的信號。圖2.3 AD7705引腳圖AD7705的引腳介紹：SCLK：串行接口時鐘輸入端。MCLK IN ： 芯片工作時鐘輸入。可以是晶振或外部時鐘，其頻率范圍為500kHz 到5MHz。MCLK OUT：時鐘信號輸出。當用晶振作為芯片的工作時鐘時，晶振必須接在MCLK IN 和MCLKOUT之間。如果采用外部時鐘，MCLK OUT可用于輸出反相時鐘信號，以作為其他芯片的時鐘源。該時鐘輸出可以通過編程來關(guān)閉。CS：片選端，低電平有效。RESET： 芯片復(fù)位端口。當該端為低電平時，AD7705芯片內(nèi)的接口邏輯、自校準

15、、數(shù)據(jù)濾波器等均為上電狀態(tài)。AIN1( + ) 、AIN1( - )：分別為第1 個差分輸入通道的正端與負端。AIN2( + ) 、AIN2( - )：分別為第2 個差分輸入通道的正端與負端。REF IN( + )、REF IN( - ):分別為參考電壓的REF IN( + ) 、REF IN( - )：分別為參考電壓的正端與負端。DIN ：串行數(shù)據(jù)輸入端。DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。DRDY：A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標志。DRDY為低電平，表明數(shù)據(jù)寄存器中有新的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可用。DRDY為高電平，表示數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)在更新，這時不能讀數(shù)據(jù)，避免在數(shù)據(jù)寄存器更新的過程中讀出不可靠的數(shù)據(jù)。AD7705 的片內(nèi)

16、寄存器1.通信寄存器可讀/ 寫的8 位寄存器，上電復(fù)位后缺省值為零，對該寄存器執(zhí)行寫操作，決定下一次操作是寫還是讀，同時決定這一次讀操作或?qū)懖僮麽槍δ膫€寄存器，并控制對哪一個輸入通道進行采樣也就是說所有的寄存器(包括通信寄存器本身和輸出數(shù)據(jù)寄存器) 進行讀操作之前必須首先寫通信寄存器，然后才能讀選定的寄存器。通信寄存器各位定義如表2.2所示表2.2通信寄存器0/DRDYRS2RS1RS0R/WSTBYCH1CH0 0/DRDY ：寫操作時此位必須為0，以保證對通信寄存器寫操作的順利完成。若將“1”寫到此位，則后續(xù)的各位將不能被寫入該寄存器。讀操作時表示數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)是否準備好。0/DRDY與引

17、腳定義相同，即低電平時數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)可讀，高電平時數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)在更新，不能讀。RS2RS0：寄存器選擇位。用于選擇下次操作要訪問的8個片內(nèi)寄存器之一,如表2.3所示表2.3 寄存器選擇RS2 RS0 RS0 寄存器 寄存器位數(shù) 0 0 0 通信寄存器 8位 0 0 1 設(shè)置寄存器 8位 0 1 0 時鐘寄存器 8位 0 1 1 數(shù)據(jù)寄存器 16位 1 0 0 測試寄存器 8位 1 0 1 無操作 1 1 0 偏移寄存器 24位 1 1 1 增益寄存器 24位 R/W：讀/ 寫選擇，指出下次對寄存器的操作是讀還是寫。 “1”表示下一次是讀操作。 “0”表示下一次是寫操作。STBY ：等待模

18、式STBY =“1”時器件處于等待或掉電狀態(tài)，此時電流約10A。STBY =“0”時為正常工作模式。CH1、CH0：選擇輸入通道。CH1CH0=00 選擇通道1， CH1CH0=01 選擇通道22.設(shè)置寄存器設(shè)置寄存器也是一個可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準方式和輸入增益等。在通信寄存器選擇后才能進行讀或?qū)?。設(shè)置寄存器的位定義如表 2.4所示表2.4設(shè)置寄存器MD1MD0G2G1G0B/UBUFFSYNCMD1、MD0：工作模式選擇位，用于選擇工作模式，具體含義見表2.5。表2.5工作模式選擇MD1MD0工作模式功能00正常工作模式轉(zhuǎn)換器進行正常A/D轉(zhuǎn)換01為自校準模式一次完成零

19、標度和滿標度校準10零刻度校準零刻度系統(tǒng)校準，零基準電壓由外部提供G2、G1、G0：增益選擇位，設(shè)置PGA的增益如表2.6所示表2.6增益選擇G2G1G0增益設(shè)置0001001201040118100161013211064111128B/U:單/ 雙極性工作選擇位 “0”表示選擇雙極性。 “ 1”表示選擇單極性。BUF：輸入緩沖控制位 “0”表示無緩沖， “1”表示緩沖器傳入通道，可處理高阻抗信號源。FSYNC： 濾波器同步位。該位為“1”時濾波器的節(jié)點、控制邏輯、校準邏輯等復(fù)位,為“1”正常處理數(shù)據(jù)。3.時鐘寄存器時鐘寄存器是一個可讀/寫的8 位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運行頻率參數(shù)

20、和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。時鐘寄存器的位定義如表2.7。表2.7時鐘寄存器ZEROZEROZEROCLKDISCLKDIVCLKFS1FS0ZERO：必須在這些位上寫零，以確保TM7705正確操作。否則，會導(dǎo)致器件的非指定操作。CLKDIS主時鐘禁止位。邏輯 “1”表示阻止主時鐘在MCLKOUT引腳上輸出。禁止時，MCLKOUT輸出引腳處于低電平。 CLKDIV：時鐘分頻器位，CLKDIV置為邏輯1時，MCLKIN引腳處的時鐘頻率在被AD7705使用前進行2分頻；CLKDIV置為邏輯0，則MCLKIN引腳處的頻率實際上就是器件內(nèi)部的頻率。 CLK:時鐘位。CLK位

21、應(yīng)根據(jù)TM7705的工作頻率而設(shè)置。如果轉(zhuǎn)換器的主時鐘頻率為2.4576MHz（CLKDIV=0）或為4.9152MHz（CLKDIV=1），CLK應(yīng)置“0”。如果器件的主時鐘頻率為1MHz（CLKDIV=0）或2MHz（CLKDIV=1），則該位應(yīng)置 “1”FS1、FS0：濾波器選擇位，與CLK一起決定器件的輸出更新率，在MCLK IN的時鐘頻率正確和CLKDIV位的設(shè)置也恰當?shù)那闆r下，輸出更新率如表2.8所示。表2.8FS1、FS0與CLK決定的器件輸出更新率CLKFS1FS0輸出更新率（Hz）0002000125010100011200100501016011025011150

22、04.數(shù)據(jù)寄存器16位只讀寄存器，由兩個8位的存貯單元組成，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。輸出時MSB在前，如果接收微控制器需要LSB在前，例如8051系列，讀取的時候應(yīng)該分兩次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個16位倒序。AD7705需接入外部晶振，采用2.4576MHz的頻率。3單片機程序3.1 主函數(shù)#include <reg51.h>#include <stdio.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*-AD7705引腳聲明-*/sbit led = P01;/led閃爍，說明程序和AD770

23、5正常工作sbit alarm= P02;/alarm變亮，說明測試電壓超過4Vsbit DRDY = P03;sbit CS = P04;sbit SO = P05;sbit SCK = P06;sbit SI = P07;sbit PGA0 = P10;sbit PGA1 = P11;float WC_b;float WC_k;/*-子函數(shù)聲明-*/void delay(uint z);/延時void AD_writeByte(uchar x);/寫一個字節(jié)函數(shù)uint Read(void);/讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)函數(shù)void Init_AD7705(void);/AD7705初始化函數(shù)void I

24、nit_UART(void);/串口初始化函數(shù)void ChannelChose(uchar);/選擇CD405通道void GainSelect(uchar);/選擇PGA增益void DelayUs2x(uchar);void DelayMs(uchar); /*-主函數(shù)-*/void main()uint a;float b;Init_UART();Init_AD7705();ChannelChose(0x00);GainSelect(0);while(1)if(DRDY = 0)AD_writeByte(0x38);led = led;if(DRDY = 0)/等待DRDY變低a =

25、Read();if(a>52400)alarm = 0;/led燈已先接高電平elsealarm = 1;b = 5*(float)a/65536);printf("%f", b);DelayMs(5);由于PGA放大倍數(shù)過大時會導(dǎo)致程序跑飛，所以在總程序中并未加入自動量程切換的功能，自動量程切換功能程序?qū)⒃诜殖绦蛑兄v解。另外，由于這次設(shè)計編寫的誤差校正功能并未達到想要的效果，所以也未加入。3.2 AD7705相關(guān)程序初始化程序：void Init_AD7705(void)AD_writeByte(0x20);/AD7705初始化-讀第1通道AD轉(zhuǎn)換值，寫時鐘寄存器A

26、D_writeByte(0x04);/改刷新頻率為20不分頻AD_writeByte(0x10);/下寫setup寄存器AD_writeByte(0x44);/delay(3);往AD7705寫入一個字節(jié)子程序：void AD_writeByte(uchar x)/寫一個字節(jié)子程序uchar i;CS = 0;SCK = 1;for(i=0; i<8; i+)SCK= 0;/delay(1);SI = (bit)(x&0x80);/delay(1);SCK = 1;/delay(1);x<<=1;SI = 1;/SO = 1;CS = 1;從AD7705讀兩個字節(jié)數(shù)據(jù)

27、子程序：uint Read(void)/讀數(shù)據(jù)子程序uchar i;uint w;w = 0;CS = 0;SCK = 0;for(i=0; i<16; i+)SCK = 0;w<<=1;if(SO = 1)w |= 0x01;SCK = 1;CS = 1;return w;3.3 PGA放大倍數(shù)選擇程序void GainSelect(uchar x)switch(x)case 0: PGA1 = 0;PGA0 = 0;break;case 1: PGA1 = 0;PGA0 = 1;break;case 2: PGA1 = 1;PGA0 = 0;break;case 3: P

28、GA1 = 1;PGA0 = 1;break;default:break; PGA的A1和A0腳需接單片機P1.1和P1.0。3.4 CD4051通道選擇函數(shù)void ChannelChose(uchar x)P2 = x;CD4051的地址線C、B、A需對應(yīng)接單片機P2.2、P2.1、P2.0。3.5 串口函數(shù)串口初始化函數(shù)：void Init_UART(void)SCON = 0x50;/模式1，8-bit UART，使能接收TMOD |= 0x20; /定時器，模式2,8-bit自動重裝值計數(shù)TH1 = 0xFD;/初值0xFD，晶振11.0592時，波特率9600 TI=1;/用系統(tǒng)自

29、帶的printf函數(shù)，TI必須等于1，否則無法發(fā)送,不能 TR1=1;/使能定時器1 ES=1; /串口中斷使能 EA=1; /全局中斷使能串口中斷函數(shù)：void UART_SER(void) interrupt 4 if(TI)/發(fā)送成功TI置位 /TI=0;/用系統(tǒng)的printf的時候，如果又用到中斷的話，那么這句話就得屏蔽，否/則無法發(fā)送 3.6 其它子函數(shù)兩個延時函數(shù)：void DelayUs2x(uchar t)while(t-);大概延時2t微秒。void DelayMs(uchar t)while(t-)DelayUs2x(245);DelayUs2x(245);大概延時1Ms，以上兩個函數(shù)都是在11.0592M晶振下正常延時。4上位機程序上位機