高精度数字电压表设计

1、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。同时随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。数字电压表的核心器件是A/D转换器，A/D转换器一般有积分式、比较式和复合式三种类型。目前应用比较广泛的是积分式数字电压表，它具有抗干扰能力强、价格低廉、测量精度较高等优点。V/F型A/D转换器是积分型的一种，被测电压Ux通过积分以后输出一线性变化的电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成正比的频率值；再用数字频率计测量出电路的频率

2、值，从而表示被测电压的大小。这种转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性，抗干扰能力强，而且信号便于远传等特点。此外，它的应用电路简单，外围元件性能要求不高，对环境的适应能力强，与单片机的接口简单。本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机技术结合V/F 转换芯片LM331 以及采用模拟开关CD4051 构建了一个测量范围达0-750V且具有自动量程切换功能和过压保护的直流数字电压表。本文首先简要介绍了积分式数字电压表的主要组成部分及原理，然后详细介绍了硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的各部分电路的设计及原理以及软件算法。 关键词 电压测量；自动切换；LM331；模拟

3、开关；单片机。 目 录第一章 绪论.3第二章 数字电压表两种设计方案简介.52.1 采用ADC0809的A/D转换电路.52.2 采用LM331V/F转换电路.5第三章 切换开关的论证与比较.63.1 采用继电器.63.2 多路模拟开关CD4051.7第四章 系统总体设计.7 4.1 系统组成原理.7 4.2 硬件系统流程概述.8第五章 各种显示器件简介.8 5.1 常用显示器件简介.8 5.2 1602液晶的参数资料.9第六章 硬件电路系统模块的设计.11 6.1 过保护电路.11 6.2 电压信号采样.12 6.3 自动量程切换借口电路.13 6.4 A/D转换电路.18 6.5 单片机系

4、统.25 6.6 输入电路.26 6.7 A/D转换芯片与单片机的链接.27 6.8 1602液晶与单片机的链接.28 6.9 键盘与单片机的链接.29第七章 系统软件设计.29 7.1 汇编语言与C语言的特点及选择.29 7.2 积分式数字电压表系统软件流程.29 7.3 定时器T0、T1中断服务程序.30 7.4 电压值计算子程序.30 7.5 显示程序.31第八章 单片机抗干扰.32 8.1 硬件抗干扰.32 8.2 主程序设计.33第九章 系统的调试与误差分析.34 9.1硬件调试.34 9.2软件调试.34 9.3误差的主要来源及影响.35 9.4 减少及消除误差的措施.35第十章

5、总结与展望.36附录一 主程序.37附录二 参考文献.44第一章 绪论 说字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，作为智能仪表的一种，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转化成不连续、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，不能满足数字化时代的需求采用单片机的数字电压表，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由各种单片A/D转换器构成的说字电压表，已经被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测量系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。本文就数字电压表加以叙述。1.1数字电压表简介 数字电压表出现在50年代初，6

6、0年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如

7、今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，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。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的

8、提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种： 1 按用途来分

9、：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。2 按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3 按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。4 按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。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，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。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

10、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，不能满足数字化时代的需求，而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，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，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。积分式数字电压表是一种间接转换形式的数字电压表，它是对输入模拟电压进行积分并转换成中间量时间或频率，再通过计数器将中间量转换成数字量。第

11、二章 数字电压表两种设计方案简介设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。2.1采用ADC0809的A/D转换电路ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。用ADC0809和AT89S52用程序查询方式来采集被测的输入模拟信号。采集

12、数据时首先单片机执行一传送指令，在该指令执行过程中单片机在控制总线中产生写些信号，其低电平品信号启动A/D转换工作，ADC0809经100us后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，EOC新好景反相器产生中断请求信号,通知单片机取数。当单片机响应中断请求转入数据采集子程序后，立即执行输入指令，指令产生读信号给ADC0809，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由单片机有序地执行若干指令完成。2.2采用LM331V/F转换电路V/F 转换方式是把电压模拟量转换成脉冲频率信号，由单片机对脉冲频率信号进行计数来实现A/D 转换功能的。LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集

13、成芯片。只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的内部电路组成及其与外部器件构成的V/F转换电路如图1-1所示。图1-1 LM331内部结构及V/F转换电路图以上两种方案对转换10V内的电压信号都是可以实现的，但方案一电路中ADC 0809管脚较多，另外还需接锁存器电路，所需的元器件较多，成本较大，而LM331是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计

14、的方法，提高了准确度和输入阻抗，因而常被采用，所以考虑到实现电路的简单性和性价比本设计采用方案二。第三章 切换开关的论证与比较3.1 采用继电器固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。其具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（TTL、DTL、HTL）切换速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点；但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用

15、，触点组数少，成本高等缺点。3.2 多路模拟开关CD4051CD4051 是一个双向8 通道多路开关，它有3 个二进制控制输入端A、B、C和一个禁止输入端，并由3 位二进制信号来选择8 个通道中的一个通道。当INH为“1”时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH 为“0，通道接通，允许模拟量输入。它能实现逻辑电平转换单元完成CMOS 到TTL 的电平转换，因此这种多路开关输入电平范围广，数字量输入为315V，模拟量可达15V。 二进制译码器用来对选择输入端A、B、C 的状态进行译码，并控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入/输出通道相连，达到自动切换的目的。对比以上两种方案，方案一由于价

16、格高、切换触点少、实际应用电隔离不理想，而方案二由于模拟开关CD4051 具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小、使用寿命长、价格、交直流通用、使用方便等优势，故自切换采用方案一即多路模拟开关CD4051 实现。第四章 系统总体设计4.1 系统组成原理积分式数字电压表采用AT89S52 单片机作为主要控器，系统由过压程保护电路、分压及量程切换电路、AC/DC 变换电路、V/F 转换电路、单片机最小系统及外围显示接口电路等几个功能模块组成。本系统基本组成框图如图2-1 所示。AT89S52单片机分压器(量程转换)过 压 保 护压保护被 测 点 压路V/F转换电路小数点驱动（配合被测量与量程）LE

17、D显示图2-1 数字电压表基本组成框图4.2 硬件系统流程概述被测模拟电压经过初始最高挡位切换到最大分压电路衰减后，接着由运算放大器OP07 进行放大后，再送给比较电路判断量程是否合适并选择合适的量程，然后将电压信号送到由压频转换芯片LM331构成的V/F 转换电路转换成相应的脉冲信号。脉冲信号经过隔离后由单片机在固定时间（50ms）内对脉冲信号进行计量，从而完成A/D 转换的功能。最后由单片机对A/D 转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值 (BCD 码)，通过单片机驱动四个LED 数码管显示结果。第五章 各种显示器件的介绍和选择51 常用显示器件简介本次设计中有显示模块，而常用的显示器件

18、比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示09的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个

19、字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。在本设计中，我们只需要显示最后电压的数字值和电压的单位，综合上面各种显示器件的特点：数码

20、管只能显示数字，不能显示单位字符，不符合本设计的要求。而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相对也较多。也不是理解的显示器件。所以在本设计中，我们考虑用液晶显示器件，虽然12864液晶比1602液晶的功能强，不过在价格方面却贵了好多。而1602液晶也足够满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602液晶显示器件。52 1602液晶的参数资料示模块的显示器件。以下是1602液晶的各方面我们选择了1602液晶做为本设计的显参数：1接口信号说明：编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端6E使能信号8-14D0-D

21、7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极2基本操作时序：1. 读状态：输入：RS=0，RW=1，E=1。输出：D0-D7为状态字2. 写状态：输入：RS=0，RW=0，D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无3. 读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1。输出：D0-D7为数据。4. 写数据：输入：RS=1，RW=0，D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无3状态字说明STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止 0：允许 4指令的说明。 显示模式设置 指令码 功能00111000设置16*2显示

22、，5*7点阵，8位数据口 显示开/关及光标设置 指令码 功能00001DCBD=1开显示；D=0关显示C=1显示光标；C=0不显示关标B=1光标闪烁；B=0光标不显闪烁000001NSN=1当读写一个字条款后地址指针加一，且光标加一。N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一。S=1当写一个安条款，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果。S=0当写一个字符，整屏显示不移动。数据控制： 指令码 功能80H+地址码（0-27H，40H-67H）设置数据地址指针01H显示清屏：1，数据指针清0 2，所有显示清002H显示回车：数据指针清0第六章 硬件电路系统模

23、块的设计6.1过保护电路通常的数字电压表出于耐压和安全考虑， 规定直流最高电压量程为1000V，交流电压最高挡的量程通常限定为750V（有效值）。通常可以采用火花放电器或压敏电阻器作为过压保护。压敏电阻器是电压灵敏电阻器VS（Voltage-Sensitive Resistor）的简称，属于一种新型过压保护元件。压敏电路器是由氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值可随端电压的不同而变化。压敏电阻器的工作范围很宽（63000V，有多种规格），对电压脉冲响应快（响应时间仅为几至几十钠秒），耐冲击电流能力强，通流量（通流量表示在规定时间8/20s 之内，允许通过脉冲电流的

24、最大值，其中，脉冲电流从90%VP 到VP 的时间为8s，峰值持续时间为20s）指标可达100A20KA，漏电流小（低于几至几十微安），工作稳定可靠。其电阻温度系数小于0.05%/。压敏电阻器伏安特性如图3-1（a）所示。其伏安特性具有对称性，在正、反向伏安特性中能起到稳压作用，元件本身没有极性，因为它还可作为小电流（小于1mA）的双向限幅器或稳压管。图中的V1mA、V1mA分别表示通过1mA、-1mA 直流电流时的耐压值。图3-1 压敏电阻及其构成的保护电路用压敏电阻器构成的电压挡过压保护电路如图3-1（b）所示。它直接接在分压器件前面，不需要加限流电阻。压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路

25、需求来确定，本文采用850 规格的压敏电阻器作为其保护电路。6.2 电压信号采样电压测量部分电路如图3-2 所示。该电路是以200mV 作为基本量程，共设5 挡：200mV、2V、20V、200V、1000V。图中，R1R5 为分压电阻，均采用误差较小的精密金属膜电阻（相对误差为0.5%），五个电阻的总和为10 。在实际应用中，由于高阻值的精密电阻难以购到，R1（9 ）可由两只标称值为4.5 的配对电阻串联而成，而分压电阻R5（1 ）可由900和100电阻串联而成。图3-2 直流电压测量电路实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定 (3-1)再计算1000V 挡的电阻

26、(3-2)再逐挡计算、。尽管上述最高量程挡的理论量程是2000V，但通常的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量程为1000V。显然，此挡满量程时，输出电压为1000V乘以0.0001 等于0.1V。即100mV，同理可以算出量程为200V 挡的分压系数等于0.001，满量程时输出电压为0.2V，即200mV。20V、2V、200mV 挡的分压系数为0.01、0.1 和1。总之，通过分压电路，使被测电压一律减至200mV 以下，之后再放大10 倍送给V/F 转换电路进行电压频率变换后送入单片机处理和显示。6.3 自动量程切换接口电路6.3.1 基本原理自动量程切换接口由10 倍放大器电路

27、、欠量程识别电路、换程控制电路组成，结构框图如图3-6 所示。图3-6 自动量程切换接口方框图电路工作原理如下：当电路上电后，换程控制电路自动将量程设置为最高挡，即衰减为0.0001，然后欠量程识别电路对放大后的输出Uo 进行判断。判断标准是以和它相配的A/D 转换器的输入上限作为其上限阀值Umax，以9%Umax 作为其下限阀值Umin，UoIi，而Ii=Vi/R，且两者极性相反，所以Vo波形开始回扫，经过T2时间，单脉冲发生器恢复原态，K又断开，积分器又在Ii作用下输出负斜波。上述过程周而复始进行，在比较器的的输出端得到一系列的负脉冲。设Ii在时间T1 内注入积分器的电荷Q1 ，Ii和Io

28、共同作用的时间为T2，他们注入相加点A的电荷为Q2，则可列出如下方程： (3-8) (3-9)因为，所以 (3-10) (3-11)当、和、均为恒定值时，则有 (3-12) (3-13) (3-14) (3-15)上式是根据电荷平衡原理得到的脉冲频率和输入信号Vi 之间的线性关系。V/F 转换器只是整个V/F 式ADC 的核心部分，为了实现A/D 转换，还需要增加时基电路，以便把脉冲串变化为十进制或BCD 码的数字量。图3-13 给出了完整的V/F 式ADC 的原理框图。 图3-13 V/F 式ADC 原理框图下面的小节以课题中采用的LM331 为例，具体介绍V/F 式ADC 电路的工作原理。

29、6.4.2 LM331芯片介绍LM331 是美国NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采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4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.001%，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高。数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F 或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331 的内部电路组成如图3-14(粗线内)所示。由输入

30、比较器、定时比较器，R-S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流，开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.040V 之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc 短路。图3-14 LM331 内部结构框图如果按照图3-14 接上外围的电阻、电容元件，就可以构成精度相当高的压控振荡器。下面具体分析一下它的工作过程。当输入端Vi+输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器置位，Q输出高

31、电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时，电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止，电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3 时，定时比较器输出一高电平，使R-S触发器复位，Q输出低电平，输出驱动管截止，输出端fo为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。图3-15画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲fO的波形。设电容CL的充电时间为，放电时

32、间为，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有： (3-16)从上式可得： (3-17)实际上，该电路的在很少的范围内(大约10mV)波动，因此，可认为，故上式可以表示为： (3-18)图3-15 电容充放电输出波形图可见，输出脉冲频率 与输入电压成正比，从而实现了电压-频率变换。式中由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定， =1.90/Rs，改变Rs的值，可调节电路的转换增益，由定时元件Rt和Ct决定，其关系是t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，Ct=0.01F，=7.5s。 (3-19)由可知，电阻Rs、Rt和电容Ct直接影响转换结果，因此对元件的精度要有一定的要

33、求，可根据转换精度适当选择。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1 和电容C1 组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。6.4.3 LM331V/F 转换电路及与AT89S52 单片机接口电路（1）LM331V/F 转换电路 图3-16 为LM331V/F 转换电路图。图中使7 脚偏流抵消6 脚偏流的影响，R1 和C1 组成低通滤波电路；6 端加入调零电路来补偿单电源供电在小电压输入时引起的误差。图3-16 LM331V/F 转换电路根据公式（3-19），当Rs=36 k , =360 k ,Rt=10 k ,Ct=470pF时，输入0

34、10V电压所对应的输出频率为0100KHz，即1mV对应10Hz。（2）LM331V/F 转换器与AT89S52 单片机接口电路一般情况下，LM331 组成的V/F 电路中，管脚3 接负载电阻RL=10 ，电源+5V，这样管脚3 频率输出端可直接与AT89S52 单片机的计数器T0 或T1相连接，通过输入频率，测知电压值，如图3-17 所示。图3-17 LM331V/F 转换器与AT89S52 接口电路如考滤到干扰等环境因素的影响，LM331输出可采取光电隔离的方法，或传输线采用双绞线、光导纤维等。为了提高精度和稳定性，其中阻容元件要用低温度系数的器件，最好是金属电阻和聚苯已烯或聚丙烯电容器。

35、我们在LM331与AT89S52之间加入光电耦合电路4N35，又由于输出频率脉冲占空比不为1：1，如果直接输给单片机计数则误差较大，因此，需要先对频率信号进行整形使其输出为等宽的信号，可以采用D触发器产品74HC74实现，其功能表如表3-3所示。表3-3 D触发器74HC74功能表输入输出SDRDCPDQ- QLHHLHLLHHHHHLHHLLHHHLQO-QO由表可知道，输入LM331转换的频率信号后Q输出信号频率为原来的一半，可以通过程序乘以2倍即可还原。图3-18为最终的LM331与单片机的接口电路。图3-18 整形与光电隔离的接口电路6.5 单片机系统单片机最小系统包括晶振电路，复位电

36、路，电源。其原理图如下： 此模块中，单片机的晶振是12MHZ，C1和C2的电容是10UF，C3可选1-10UF。R1电阻为1K。6.6 输入电路由于输入电路的电压比基准电压（2V）高很多，因此在输入电路必须加电压衰减器。衰减电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。则完整输入电路如下： 通过计算，可知设计衰减器用的电阻R2，R3和R4分别为：9M，900K，100K控制档位的开关是双开关的，目地是能够使单片机CPU自动识别档位，即可用相应的档位的数据转换的算法计算出正确的电压值。被测电压输入端、整理过的模拟电压输入端，开关与单片机的连接如图所示。6.7 A/D转换芯片与单片机的连接此设计中

37、选择的是A/D转换芯片的通道0，A/D芯片的数据输入口连接单片机的P1.3口，数据输出口连接单片机的P1.4口，芯片使能端连接单片机的P1.5口，脉冲端连接单片机的P1.6口。模块连接如下图所示。6.8 1602液晶与单片机连接此模块液晶的RS，RW和E端分别连接单片机的P1.2，P1.1和P1.0口；液晶的数据各端口连接单片机的P0口。具体如下图所示。6.9 键盘与单片机的连接此键盘的一端与单片机的P2.0口连接，另一端接地。原理图如下所示。该键盘的功能：当键盘被按下时，即可计算后5秒的平均电压值。第七章 系统软件的设计7.1 汇编语言和C语言的特点及选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设

38、计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少，执行效率高。执行速度快。但它依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。由于现在单片机的发展已经达到了很高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CPU的处理速度非常的快。用C语言来控制单片机无疑是一个理想的选择。所以在本设计中采用C语言编写软件程序。7.2 积分式数字电压表系统软件流程

39、单片机主要的程序有数据采集模块（包括脉冲计数、数据处理、中断处理等几个子模块）、量程切换模块、显示模块等主要的功能模块。如图4-1 为单片机主程序流程图。主程序开始后，先进行对系统初始化，设置定时器T0 工作模式为方式1 计数状态，T1 工作在方式1 定时，置位总中断允许。初始化后，程序进入主循环。首先是进行电压比较电路比较信号的查询以此选择合适的量程挡位，接着，启动定时器T0、T1 工作进行脉冲信号的采集和计算，得到电压值后经BCD 码转换后先送显示缓冲区再显示。7.3 定时器T0、TI 中断服务程序本课题以在200ms 内对信号进行计数，设定时器T0 工作在方式1 计数模式，初值为TH0=0，TL0=0，定时器T1 工作在方式1 定时模式定时50ms 则需进行4次即可。初值TH1=(65536-50000)/256=0X3C，TL0=(65536-50000) %256=0XB0。其中断服务程序如4-2 所显示。图4-1 主程序流程图7.4 电压值计算子程序当定时器T1 定时次数达到设定值，即200ms 时，关定时器T0，读取计数值T0count,计算频率。频率f=T0count*65536+TH0*256+TL0，然后根