智能仪器课程设计

1、智能仪器课程设计课程设计名称3位半数字电压表学生姓名、学号谭彩铭(0501170118)指导教师 牛国柱2009-1-16课程设计要求设计一 3 位半直流数字电压表，满足下列要求1、量程为 20mV ， 200mV ， 2V，20V，200V ，测量精度要求 0.1%2、3 位半数码显示3、工作状态显示4、开机自检5、配简单键盘，如量程切换6、配微型打印机接口由实际操作中遇到的问题找解决方案实际搭建的数字电压表的量程为 20mV , 200mV , 2V和8V，能完成量程的自动切换， 并有各种量程状态以及超、 欠量程的指示灯显示。 原理图附录一所示。 对应的完整汇编程序 见附录三。1 原理图总

2、体思路由于采用3位半AD转换器TC14433，提供的基准电压为 2V，可测电压量程为2V，故 大于2V的待测电压衰减后输入，小于2V的待测电压放大后输入。衰减和放大由51单片机 控制控制模拟开关 4051， 4052 来完成。调试当中，发现若输入电压为负时，比例放大就不 准确了，且相差较大，故又用运放和模拟开关搭建了一反相控制电路。原理图当中，U15为用OP07搭建的电压跟随器，用于增大输入阻抗，减小输出阻抗， 以减少对待测电压的影响。U16为用OP07搭建的一反相器。U1用于若发现待测电压为负，让待测电压反相后进入后续电路。 U6 作用同 U15。 U1 用于控制是否将待测电压衰减 1/4

3、后 进入后续电路。 U4 和 U7 用于控制是否对电压进行衰减以及衰减多少。 U17 作用同 U15。 U2 为用 MC1403 搭建的 2V 电压源，用于输出较准确的电压源给 TC14433 作为基准电压。2 AD 转换部分TC14433 中， EOC 与 DU 端相连，选择连续工作方式。 EOC 与 51 单片机的中端口 0 相连，由中断方式采集数据。中断 0采集数据服务子程序如图 2所示。3 升降量程及量程状态指示灯显示程序控制升降量程即控制模拟开关 4051 和 4052，是否对待测电压进行放大或衰减。如何有效的 控制量程的自动转换是一较难点， 尤其是保证程序的健壮性。 程序中要求如果

4、欠量程， 就要 升一级量程。若原量程是 2V量程，那么升一级量程后是 8V量程。若原量程是 20mV，那 么升一级量程后是 200mV，等等，共有4中可能，当然较容易想到的是用4组判断语句来完成这个工作， 加上欠量程的语句， 共有 8组判断语句， 那程序的效率是不高的， 尤其是当 量程的选择更多时。故借用一内存单元2DH，如要升量程，即将 2DH加1,要降量程，即将 2DH 减 1，较重要的一点是， 2DH 内存单元在位寻址区，可以位寻址。如表 1 所示。图2中断0采集数据服务子程序表1P1.0P1.1P1.3P1.4P1.5P1.669H68H2DH欠量程4放大100倍（20mV量程）000

5、010113放大10倍（200mV量程）100001102不放大不衰减（2V量程）010000011衰减1/4（ 8V量程）011100000超量程-169H和68H为2DH内存单元中的低两位，分别记为M, N。这样P1 口的控制就很容易用汇编语言实现了。P1.0 二 M NP1.1 二 MP1.3 二 M NP1.4 =P1.3P1.5 二 M NP1.6 二 P1.04电压测量精度问题虽然加了几个电压跟随器解决了模拟开关的输入阻抗问题，但是模拟开关4052存在导通电阻，该导通电阻在比例放大电路部分的干扰就比较大了。如图3所示。图3比例放大控制电路在4052中，Xn和X，Yn和Y之间相当于接

6、一电阻 Rx和Ry （导通电阻），它的存在 影响了比例放大系数。在放大10倍时，可以将R13阻值设为89.5k，在串接入1k的滑动变阻器，调节变阻器，可以使比例放大系数达到10。放大100倍时也是如此。但是放大1倍时，就不可能再接入滑动变阻器了，虽然将U4的6脚和U7的15脚相连，消除了 Rx的影响，但是无法消除 Ry的影响。解决方案之一是将U4改成反相比例放大电路，这样都可以接入滑动变阻器校准了。但是这样做的缺点可能存在两方面，一是滑动变阻器的阻值是否稳定，二是Rx和Ry的阻值是否稳定。故采用方案二可以很好的解决这个问题，如图4所示。图4比例放大电路2当选通X0和Y0时，对应的等效电路如图

7、5所示。5VRil10k图5等效电路Rx和Ry为模拟开关4052的等效电阻。从图 5中可知，U17搭建的电压跟随器具有高 输入阻抗特性，几乎不受Ry的影响。另外，Rx的位置不影响比例系数。这样，只要R13，R11的阻值准确，可以使电压的比例放大系数趋于准确。对于AD转换器TC14433，其转换精度为读数的土 0.05% ± 1字，满足测量精度要求。5 20V和100V量程的功能实现实际操作所搭建的电路（如图1）最大可以测量 8V电压（还需将图一中运放供电电压改接为土 15V），为了可以测量更高的电压，需要做一些改进。改进后的电路原理图如附录 二所示。6输入过压保护电路输入过压保护电路

8、如图 7所示图6过压保护电路R7300Vss = 5V5V2.5VR7+R25300+300当输入电压（未衰减）大于 2.5V时，二极管D1导通；当输入电压小于-2.5V时，二极 管D2导通；当输入电压在-2.5V到2.5V之间时，二极管 D1和D2均不导通，此时 U15为 电压跟随器。当二极管D1导通时，利用叠加原理可得放大器输入端电压V为V=R7/R25ViR28 + R7 R25R28V +R7 R28vR28R7 / R25R25R7 / R28式中，Vd为二极管导通压降。因R28R7和R25，所以-晋“ Vd £Vcc > 為 V“=2.5V式 2当输入电压为1000

9、V时，可限制在土 4V左右的范围内。此时，流经电阻R28和二极管的电流约为10mA。当电阻R28功率不小于10W时，可保证在最大输入电压为1000V的情况下，电路可长期承受过载电压。这里，只要输入电压大于 2.5V，过压保护电路的输出电压也会大于2.5V（如式2所示），这样，51单片机就会输出过量程信号，这时需要手动波动三掷开关U1，经衰减后输入。7自检与打印机接口自检的内容包括 RAM的自诊断、ROM EPROM的自诊断、CPU的自诊断、I/O端口的 自诊断、总线的自诊断和人机界面的自诊断。 打印机可以选择串行输入型的， 如选择并行输 入型的需要接锁存器进行端口分时复用，或者接入串并转换电路

10、。附录一 实际搭建的电路原理图Tn0 e0e hyn aD je m N90n6eD110 g桌n u0MeS B-5+Vn o eRo eSB n w w b d11 oV g面e m N9n6桌 n m 0MDeS BDF附录二 改进后的电路原理图表压电字数R09Y4 algc 口3af_gc 1/1管码2ac*阴1aIZb c dc pVPPPPPPPPAf|PP2A A A A A A A A lE £ A 1.cl OIT.JN .CL Dxhr B DXQRD .CL l-WR Kept/ .Ar CO-S-jd .Ar SOMtuHAr123 45 678321 054

11、11119 117附录三 实际搭建的电路图对应的程序 org 0000H ljmp main org 0003H ljmp ad org 0013H ljmp key org 0030Hmain: mov TCON,#00000101B;inpuse,to cause interruptionmov IE,#10000101B ;enable interruption clr P1.0 setb P1.1 clr P1.2 clr P1.3 clr P1.4 clr P1.5 clr P1.6 clr P1.7 mov R2,#01Hshow: jb 77H,S3 clr P1.7 ajmp

12、S4S3: setb P1.7 S4: jb 74H,S1 mov A,#11100000B ajmp S2S1: mov A,#11100001BS2: mov P2,A acall delay mov R1,#2EH mov A,R1 anl A,#00001111B orl A,#11010000B mov P2,A acall delay mov R1,#2FH mov A,R1 swap A anl A,#00001111B orl A,#10110000B mov P2,A acall delay mov A,R1 anl A,#00001111Borl A,#01110000B

13、mov P2,A acall delay ajmp show ajmp show ajmp show;delay delay: mov R3,#0FFHDL1: NOPNOPDJNZ R3,DL1ret ;interruption 0,get the voltagead: mov A,P0 jnb Acc.4,ad jb Acc.2,PL1 ;if minus, cpl P1.2PL1: jb Acc.0,PEr ;if range not suitable,go to PErPL2: jb P1.2,PM1 clr 77H ajmp PM2PM1:setb 77HPM2:jb Acc.3,P

14、L3 ;kilobit,0 or 1setb 74H ajmp PL4PL3: clr 74HPL4: mov A,P0 jnb Acc.5,PL4 ;wait for hundred mov R0,#2EH xchd A,R0 ;to the low hagh part of 2EHPL5: mov A,P0 jnb Acc.6,PL5 ;wait for ten swap A inc R0 mov R0,A ;to the high hagh part of 2FHPL6: mov A,P0 jnb Acc.7,PL6 xchd A,R0 ;to the low hagh part of 2FH cpl P3.6 retiPEr: jnb ACC.3,higher inc R2 ajmp deal higher: dec R2 cpl P3.7 deal: mov 2DH,R2 acall change reti ;function to change the rangechange: cjne R2,#-1H,cha1 ajmp alarmcha1: cjne R2,#