智能電壓表剖析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上智能儀器設(shè)計(jì)報(bào)告 姓 名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：時(shí) 間： 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院電光系目錄摘 要 13硬件模塊 3.3 LED顯示 7 4.3顯示函數(shù)流程圖11 55.1仿真測(cè)試13參考文獻(xiàn) 20 摘 要隨著電子學(xué)的發(fā)展，程控電子測(cè)量備受廣大電子工程師的重視，測(cè)量精度和功能的要求也越來越高。本次課程設(shè)計(jì)是電壓表硬件由單片機(jī)系統(tǒng)、ADC0809芯片、OP07芯片、74HC4052芯片構(gòu)成。代碼由C語(yǔ)言編程編寫，上位機(jī)界面Labview構(gòu)成。本設(shè)計(jì)闡述了基于單片機(jī)和Labview的智能數(shù)字電壓表。電壓表設(shè)計(jì)要求分成三檔0100mV；100mV1V；15V，為了實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)換擋，

2、提高測(cè)量精度，利用程控增益放大器改變放大器的放大倍數(shù)，將各檔內(nèi)的輸入電壓依次放大50倍，5倍，1倍，程控放大器的輸出端經(jīng)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸給STC89C51(實(shí)際硬件電路采用STC89C58RD+)，STC89C51根據(jù)結(jié)果將信息反饋給多路選擇器從而改變放大器放大倍數(shù)的，并利用串行通信發(fā)送給上位機(jī)，在Labview上實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。關(guān)鍵詞 數(shù)字電壓表 單片機(jī) 程控放大電路 Labview 專心-專注-專業(yè)1系統(tǒng)方案 在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成

3、為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。1.1設(shè)計(jì)原理采用STC89C51(實(shí)際為STC89C58RD+)單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，通過A/D轉(zhuǎn)換將被測(cè)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)中 再由單片機(jī)來送顯。采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，其中A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單電源供電。它是具有8路模擬量輸入（實(shí)際只選一路），8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為100us，模擬輸入電壓范圍為0V5V。1.2系統(tǒng)流程該設(shè)計(jì)主要由滑動(dòng)變阻器采集信號(hào)，送入信號(hào)放大模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換變檔功能，變檔功能由單片機(jī)控制多路選擇開關(guān)CD4052實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量檔位；模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行判斷處

4、理后，再由單片機(jī)控制共陰數(shù)碼管顯示電壓值，并通過串口上傳至abview顯示。主要由信號(hào)采集模塊、信號(hào)放大模塊、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、智能儀器顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊組成。1.3模塊基本原理 （1）信號(hào)采集模塊（產(chǎn)生輸入信號(hào)）：設(shè)計(jì)中主要采用分壓電路實(shí)現(xiàn)，由兩個(gè)電阻組成，一個(gè)為標(biāo)稱電阻，一個(gè)為滑動(dòng)變阻器，滑動(dòng)變阻器接在電路以產(chǎn)生不同電壓。 （2）信號(hào)放大模塊：信號(hào)放大部分主要由集成運(yùn)放OP07組成，構(gòu)成電路的三種測(cè)量倍率，分別為：1倍、5倍、50倍，配合多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同倍率的輸出。 （3）多路模擬開關(guān)：通過單片機(jī)控制多路開關(guān)CD4052的地址位，順序循環(huán)選擇不同阻值的

5、反饋電阻來確定電路模塊的放大倍率，輸出給A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 （4）A/D轉(zhuǎn)換模塊：接收信號(hào)模塊產(chǎn)生的模擬信號(hào)由單片機(jī)控制進(jìn)行適當(dāng)延時(shí)，保證輸出數(shù)據(jù)顯示不會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)，得到的數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)處理。 （5）單片機(jī)模塊：此模塊為系統(tǒng)的控制中心，通過循環(huán)選擇多路模擬開關(guān)輸出不同倍率的模擬信號(hào)，通過控制A/D轉(zhuǎn)換得到不同倍率的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行邏輯判斷，若得到的數(shù)據(jù)超過A/D的最大輸出量程0XFF，則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)無(wú)效，繼續(xù)進(jìn)行下一倍率轉(zhuǎn)換，直到數(shù)據(jù)在A/D測(cè)量量程內(nèi)，則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)為實(shí)際測(cè)量所需值。 （6）Labview顯示模塊：待單片機(jī)得到實(shí)際所需的測(cè)量值，通過串口發(fā)送到虛擬儀器，上位機(jī)界面由Labvie

6、w軟件設(shè)計(jì)，所得數(shù)據(jù)經(jīng)過Labview編程處理，在界面上得到對(duì)應(yīng)的電壓值。 （7）數(shù)碼管顯示模塊：待單片機(jī)得到實(shí)際所需的測(cè)量值，通過數(shù)據(jù)口將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，發(fā)送給數(shù)碼管，從而使數(shù)碼管顯示電壓值。1.4元器件的選擇（1）集成運(yùn)放在集成運(yùn)放中選用OP07具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。 （2）多路模擬開關(guān)在多路模擬開關(guān)中選用OP07是因?yàn)镃D4052是一個(gè)雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)，有A、B兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)

7、通阻抗和很低的截止漏電流。符合本次設(shè)計(jì)需求。所以選擇該芯片。 （3）A/D轉(zhuǎn)換ADC0809芯片為A/D轉(zhuǎn)換芯片，在本次設(shè)計(jì)中選擇此芯片是因?yàn)锳D0809轉(zhuǎn)換速率高單（通道轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為116us）、電路簡(jiǎn)單，易于控制；并且還帶有三態(tài)輸出鎖存器,轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),可由MCU 打開三態(tài)門,讀出8 位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定。所以設(shè)計(jì)中選擇了該芯片。 （4）STC89C58RD+此次設(shè)計(jì)中的核心芯片選擇了51單片機(jī)系列中的STC89C58RD+，STC89C58RD+與傳統(tǒng)51單片機(jī)相比具有超低功耗，正常工作模式下典型功耗為47mA，空閑模式下功耗小于2mA。并且該芯片還具有超強(qiáng)抗干擾能力，每個(gè)I/O口都

8、對(duì)VCC和GND進(jìn)行了保護(hù)措施。因此輸入電壓范圍寬，不怕電源抖動(dòng)。STC89C58RD+相比于傳統(tǒng)的AT89C51存儲(chǔ)容量更大，不需另加外擴(kuò)存儲(chǔ)器，且下載方便，用官方軟件STC-ISP即可燒錄程序，所以此次設(shè)計(jì)選擇STC89C58RD+為核心芯片。2.1 電路的仿真與分析該仿真圖由在Proteus背景下完成的，由信號(hào)采集模塊、信號(hào)放大模塊、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、上位機(jī)顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊等共同構(gòu)成。智能電壓表仿真如圖2.1.1所示，實(shí)際電路圖如圖2.1.2所示。圖2.1.1程控電壓表仿真圖2.1.2實(shí)際電路圖3硬件設(shè)計(jì)3.1 OP07放大電路模塊程控放大器實(shí)現(xiàn)多個(gè)放

9、大倍數(shù)，確保輸出電壓在05V之間，能有效輸入到ADC0809。其中R1=5K，R2=5K，R4=20K，R5=250，根據(jù)多路選擇器的A,B端的輸入，RF選擇0、R4、 R5之中的一個(gè)，為放大器的反饋電阻，從而起到改變放大器放大倍數(shù)的作用。放大倍數(shù) A B 圖示 50 0 0 3.1.1 5 1 0 3.1.2 1 0 1 3.1.3 圖3.1.1放大50倍電路 圖3.1.2放大5倍電路圖3.1.3放大1倍電路3.2 COMPIM串口電路模塊該電路的功能是把單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過該電路送至虛擬儀器（Labview）上顯示,使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為Max232。串口電路如圖3.2.1 圖3.2.1

10、串口電路3.3 LED顯示電路模塊該電路是由單片機(jī)處理過的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制共陰數(shù)碼管顯示電壓值，顯示的電壓值跟電路中所要測(cè)的電壓值相同,數(shù)據(jù)口A-G接單片機(jī)P1.0-P1.7端口。電路如圖3.3.1所示。圖3.3.1數(shù)碼管顯示電路3.4 A/D采集電路模塊A/D采集電路中包括啟動(dòng)、等待、采集數(shù)據(jù)。ADC0809系列內(nèi)部含有三八譯碼電路，以控制分別選通八個(gè)模擬輸入通道，首先確定ADDA、ADDB、ADDC值，選通IN0-IN7中的一路（IN0），在clock信號(hào)下降該地址鎖存在AD0809內(nèi)部的地址鎖存器中，經(jīng)譯碼后選通指定的模擬通道。然后在START引腳上輸出一個(gè)脈沖以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC端上

11、電平在A/D轉(zhuǎn)換期間為低，轉(zhuǎn)換后變成高電平，可作為查詢中斷信號(hào)使用。A/D采集電路如圖3.4.1所示。圖3.4.1 A/D采集電路3.5 STC89C58RD+控制模塊此模塊為系統(tǒng)的控制中心，通過循環(huán)選擇多路模擬開關(guān)輸出不同倍率的模擬信號(hào)，通過控制A/D轉(zhuǎn)換得到不同倍率的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行邏輯判斷，若得到的數(shù)據(jù)超過A/D的最大輸出量程，則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)無(wú)效，繼續(xù)進(jìn)行下一倍率轉(zhuǎn)換，直到數(shù)據(jù)在A/D測(cè)量量程內(nèi)，則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)為實(shí)際測(cè)量所需值。單片機(jī)控制模塊如圖3.5.1所示。圖3.5.1單片機(jī)控制模塊4軟件設(shè)計(jì)4.1主函數(shù)流程圖功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能為：先用放大50倍方式獲取電壓值，判斷是否滿量程，如果沒有

12、滿量程，則經(jīng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到虛擬儀器，電壓值顯示在labview上。如果滿量程，到下一次條件判斷電壓值是否大于0.1V-1V，若滿足，則經(jīng)5倍方式串口發(fā)送數(shù)據(jù)到虛擬儀器，電壓值顯示在labview上。如果不滿足條件，則經(jīng)1倍方式串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，電壓值顯示在屏幕上。主函數(shù)流程圖如圖4.1.1所示。主函數(shù)代碼：void main() uchar i; vart_uint(); while(1) tx_voltage(); for(i=0;i<50;i+) delay(500); c=result*;p=c/;q=c/10000%10;m=c/1000%10;n=c/100%10;x=c/

13、10%10;y=c%10; xianshi(p,q,m,n,x,y); 4.2 A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)流程圖功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能為：判斷放大倍數(shù)是否滿足條件，不滿足條件，轉(zhuǎn)到判斷是否滿足其他放大倍數(shù)。判斷好倍數(shù)，開始AD轉(zhuǎn)換，判斷是否AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，若滿足AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，計(jì)算出電壓值。A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)流程圖如圖4.2.1所示功能函數(shù)代碼：void tx_voltage() float adc_data; CD4052_A=0; CD4052_B=0; delay(200); adc_data=read_adc0808(); if (adc_data<0XFF) result = result/50; v

14、art_tx(adc_data,50); else CD4052_A=1; CD4052_B=0; delay(200); adc_data=read_adc0808(); if(adc_data<0XFF) result = result/5.0;vart_tx(adc_data,5);else CD4052_A=0; CD4052_B=1; delay(200); adc_data=read_adc0808(); if(adc_data<0XFF) result= esult/1.07;vart_tx(adc_data,1); 4.3顯示函數(shù)顯示模塊進(jìn)行位選，段選通過單片機(jī)P2

15、口顯示void xianshi(uint p,q,m,n,x,y) P20=1;P21=0;P22=0;P23=0;P24=0;P25=0; P1=LEDp;delay(25); P20=0;P21=1;P22=0;P23=0;P24=0;P25=0; P1=LEDq;delay(25); P20=0;P21=0;P22=1;P23=0;P24=0;P25=0; P1=LEDm;delay(25); P20=0;P21=0;P22=0;P23=1;P24=0;P25=0; P1=LED10;delay(25); P1=LEDn;delay(25); P20=0;P21=0;P22=0;P23=

16、0;P24=1;P25=0; P1=LEDx;delay(25); P20=0;P21=0;P22=0;P23=0;P24=0;P25=1; P1=LEDy;delay(25); P20=0;P21=0;P22=0;P23=0;P24=0;P25=0; 4.4虛擬儀器設(shè)計(jì) 虛擬儀器前面板以及程序框圖都由NI公司開發(fā)的Labview軟件設(shè)計(jì)完成，其中前面板包括了串口設(shè)置模塊、電壓當(dāng)前值顯示模塊、數(shù)字電壓表圖形顯示模塊、按鍵啟動(dòng)、停止控制模塊以及電壓值實(shí)時(shí)狀態(tài)圖形顯示模塊組成。虛擬儀器如圖4.3.1所示。圖4.3.1虛擬儀器 Labview由串口接收四組數(shù)據(jù)，前兩組為規(guī)定的通信數(shù)據(jù)幀頭和效驗(yàn)，后兩

17、組為單片機(jī)發(fā)送的電壓值的對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)，然后用電壓值除以放大倍數(shù)后除以255乘以5得到正確的測(cè)量值送至數(shù)字電壓表顯示模塊顯示。55.1仿真測(cè)試5.1.1放大50倍當(dāng)輸入電壓為0.05V時(shí)，電壓表應(yīng)該選擇第一檔，即放大50倍，串口發(fā)送數(shù)據(jù),82/32這兩組數(shù)據(jù)分別是放大后的電壓的AD轉(zhuǎn)換值以及放大倍數(shù)，82的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為130，130/255*5=2.55，得到放大后的電壓為2.55V，而32的10進(jìn)制轉(zhuǎn)換為50，2.55/0.05=50，所以放大倍數(shù)為50倍，得到串口發(fā)送數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相符。5.1.2放大5倍當(dāng)輸入電壓為0.30V時(shí)，電壓表應(yīng)該選擇第二檔，即放大5倍，串口發(fā)送數(shù)據(jù)如圖,4D/05這兩組數(shù)據(jù)分別是放大后的電壓的AD轉(zhuǎn)換值以及放大倍數(shù)，4D的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為77，77/255*5=1.50，得到放大后的電壓為1.50V，而05的10進(jìn)制轉(zhuǎn)換為5，1.50/0.30=5，所以放大倍數(shù)為5倍，得到串口發(fā)送數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相符。5.1.3放大1倍當(dāng)輸入電壓為2.00V時(shí)，電壓表應(yīng)該選擇第三檔，即放大1倍，串口發(fā)送數(shù)據(jù)如圖,68/01這兩組數(shù)據(jù)分別是放大后的電壓的AD轉(zhuǎn)換值以及放大倍數(shù)，68的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為104，104/255*5=2.00，得到放大后的電壓為2.00V，而01的10進(jìn)制轉(zhuǎn)換為1，2.03/2.00=1，所以放大倍數(shù)為1倍，得到串口發(fā)送數(shù)據(jù)與