暑期实习报告——数字电压表

1、 电子实习报告 数字电压表姓名：严宏海学号：20101003032班级：075102-22指导老师：王巍、郝国成、张晓峰、闻兆海、王国洪、吴让仲、李杏梅、王瑾中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院通信工程专业2012年6月22日目 录一、前言2二、系统方案的选择和论证22.1 数模转换模块 22.2 模拟数据采集处理模块 2 2.3 液晶显示模块 32.4 AC-DC转换模块 3三、 软件硬件设计 33.1所采用实验方案的原理33.2硬件设计部分 43.3软件设计部分 8四、 测试数据与结果分析 94.1测试仪器94.2测试数据94.3测试数据分析10五、实验心得14六、参考文献14七、附录1

2、4一、前言本数字电压表可以对直流电源和交流电压进行比较准确的测量。其中直流部分的测量范围是0-20V，分为三个档位：0-0.2V，0.2V-2V，2V-20V。该直流电压表的测量电路主要由三个模块组成：模拟数据采集处理模块、A/D转换模块及液晶显示控制模块。模拟数据的采集处理模块由模拟电路部分完成。A/D转换模块主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到STC89S51单片机进行数据处理。显示模块是单片机将处理好的数据送到液晶1602进行显示。交流部分的测量范围是0-5V，测量的是交流电压的有效值。该交流电压表的测量电路由三个模块构成：AC-DC转换模块、

3、电压补偿模块、直流电压表测试模块。其中AC-DC转换模块由AD637完成。电压补偿模块对AD637的非线性部分进行补偿，由LM324完成。直流电压表测试模块由直流部分完成。二、 系统方案的选择和论证2.1数模转换模块方案一：用分离元件完成数据采集AD转换的功能。该方案由于需要大量的元器件，实现起来比较复杂，而且精度不易控制。方案二：选则集成芯片ADC0809。ADC0809的采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于本实验要求的测量误差是<=1%,显示精度是0.0

4、1V，本设计采用ADC0809就可以满足要求。ADC0809的分辨率是1/28，量化间隔为=满量程输入电压/28-1，完成一次转换的时间是100us。适合此设计使用。方案三：采用其他采样频率位数更高的AD转换芯片，如积分型（如TLC7135）、压频变换型（如AD650）、调制型（如AD7705）、并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）。这些AD转换芯片各有各的特点。单本实验只需要采用常用的、性价比高的芯片就可以完成。2.2模拟数据采集处理模块方案一：不加另外的模拟电路，直接让ADC0809采集输入电压，对于此设计不可行。因为ADC0809只能对0-5V的模拟电压进行采样，而要求对0-20

5、V的电压进行处理，故淘汰此设计。方案二：分三通道对0-0.2V，0.2-2V,2-20V分别放大25倍，2.5倍，分压四分之一，将其范围控制在ADC0809的采集范围0-5V内，这样可以避免ADC0809对比较小的电压和比较大的电压采样误差较大的弊端。所以分压与放大两部分电路结合成功完成数据采集处理模块。所以选择方案二。2.3显示模块方案一：用CD4511进行译码，四位七段数码管进行显示。因为CD4511可将BCD，码转换为可以再数码管上显示的数字，则在单片机的程序中不需要写译码的程序。由于CD4511译码出的数据不能显示小数点，小数点的控制仍需在单片机程序中另外编写。方案二：用液晶LCD16

6、02，显示清晰准确明显，显示编程容易控制，可以显示字母。所以选择方案二。 2.4 AC-DC转换模块采用AD637完成AC-DC转换，再配合LM324完成交流转其对应的直流有效值的功能，精度较高。三、详细软件硬件设计3.1所采用实验方案的原理3.1.1 自动调档模块：利用芯片LM324和ADC0809输入通道并结合程序实现自动调挡。1、保证此模块输出到ADC0809的电压值维持在0-5V。分三通道对0-0.2V，0.2-2V,2-20V分别放大25倍，2.5倍，分压四分之一。利用运算放大器LM324来实现放大功能，通过电阻分压实现缩小功能。2、档位使用的是模数转换器的输入引脚，程序通过,C B

7、 A(C B A代表ADC0809地址编码中的C B A，C接地)。来控制选通哪一条电路。CBA =000选择2-20V档位，CBA=001则选择0.2-2V档位，CBA=010选择0-0.2V档位。3.1.2、ADC0809模数转换模块：ADC0809是将输入的模拟值转化为8位二进制值输出，也就是对一个模拟量进行量化采用逐次逼近的方法近似为数字量。l 由于三路采集从不同的输入口输入（IN0、IN1、IN2），所以ADC0809的三个地址输入（A、B、C）分别接单片机P2的5、6、7脚。l 从各口输入的电压值范围0-5V，所以ADC0809采取5V的标准电压，以待量化进行数模转换。l ADC0

8、809的工作是通过单片机S52中的程序控制的，当ADC0809的ALE=1 ，START下降沿时启动模数转换，此时EOC=0;转化结束后EOC=1,若OE=1,则允许单片机从ADC0809中读取数据，读取结束后，OE=0。l Clock信号是由单片机的一个定时器产生的。3.1.3、单片机模块：（程序见后面）该模块主要是通过程序来实现两个功能：1、 控制ADC0809进行模数转换，单片机的P0口和ADC0809的8位输出口相连，来读取数据。2、单片机通过P1口，外接液晶1602，还有复位电路和晶振电路。3、定时器产生ADC0809的时钟信号。3.1.4、显示模块由液晶LCD1602显示，液晶相对

9、数码管，显示清晰，能显示字母，可视性好。3.2硬件设计部分整体设计流程图3.2.1单片机最小系统单片机的最小系统由AT89S51、12M晶振、两个30p电容、10K电阻、复位开关组成。如图1： 图13.2.2模数转换模块该模块采用的主要芯片使ADC0809。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开

10、，转换结果的数字量输出到数据总线上。ALE信号常与START信号连在一起，这样连接可以在信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动A/D转换，(图2为ADC0809信号的时序配合图）。图2 ADC0809信号的时序配合在本设计中，选通了IN-0通道（A、B、C都为0），IN-0作为模拟信号的输入，通过D0-D7数据输出口与单片机进行数据传输。由于ADC0809没有内部时钟，所以需要单片机提供时钟，本方案中通过单片机的定时器产生一方波信号可作为ADC0809的时钟信号。3.2.3模拟数据采集处理模块分三通道对0-0.2V，0.2-2V,2-20V分别放大25倍，2.5倍，分压四分之一，将其范围控制在A

11、DC0809的采集范围0-5V内，这样可以避免ADC0809对比较小的电压和比较大的电压采样误差较大的弊端，加强其采样处理的准确性。所以分压与放大两部分电路结合成功完成数据采集处理模块。放大有LM324及电阻完成，分压有电阻分压即可，在输入到ADC0809之前，三通道都加一电压跟随器，使输入到ADC0809的采集电压稳定。3.2.4显示模块采用LCD液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.5P3.7。3.2.5 AC-DC转换模块、电压补偿模块采用的AC-DC转换芯片

12、是AD637，完成了将交流电转换成其直流有效值。其最终转换公式是：V0=VIN2/VDEN之所以要有电压补偿，是因为AD637的电压转换不是线性的，在大于4V之后则输出的电压小于输入的交流电压的有效值。在0-4V的范围就直接将V0加到直流电压的输入。所以要加一个放大器LM324进行补偿。R2设计为可调电阻就是为了调节放大器的放大倍数。具体的电路连接图如下： 图63.3软件设计部分译码显示模块译码显示模块3.3.1数据处理模块 P0=getdata,而ADC0809的输出电压为Vout=(getdata/255)*5,对于2-20V的输入电压，由于采集时采用了分压四分之一，所以Vout=(get

13、data/255)*20，为了得到显示的各位整数值，此处乘以100，Vout=(getdata/255)*2000，得到要在1602上显示的四位数值a,b,c,d后，在a,b后，c,d前加小数点，最终在1602上显示ab.cd（V）即为量程在2-20V时，所测电压值。在0-0.2V时，由于放大了25倍，所以Vout=(getdata/255)*5/25，为了得到要在1602上显示的四位数值a,b,c,d。此处乘以10000。最终在1602上显示abcd（mV）即为量程在2-20V时，所测电压值在0.2-2V内时，由于放大了2.5倍，所以Vout=(getdata/255)*5/2.5，为了得到

14、要在1602上显示的四位数值a,b,c,d。此处乘以1000。最终在1602上显示a.bcd（V）即为量程在2-20V时，所测电压值所以三种情况可归结为：temp=(getdata*1.0/255)*2000;a=temp/1000;b=temp/100%10;c=temp/10%10;d=temp%10;在得到得到要在1602上显示的四位数值a,b,c,d后，再在合适的位置加上小数点即可。3.3.2数模转换及换挡模块首先启动AD，由一START的端口的下降沿触发。当AD转换完成标志EOC为1时，先将数据锁存，当AD采样数据给getdata后，再将OE置为1,输出转换得到的数据。其中因为在采样

15、处理模块有四分压，所以送给U0的电压值并不是原始的电压值。对于2V-20V的电压，采样处理模块只对其进行四分压(0.5-5)，然后送到U0。要注意的是AD转换的数据是八位二进制的数。而此二进制的数是由：（参考电压/256）*输入电压所得到的。所以，若getdata<26（26，也就是0.5V，是2V经过二分压所得到的。）就转到0.2V-2V的档。若getdata>26则正常处理：选档程序如下：if ( (B0=0)&&(A0=0) && (getdata<26) / 选择量程大，转向 0.2-2V v2;m=2; if ( (B0=0)&

16、;&(A0=1) && (getdata<26) /选择量程大，转到0-0.2量程 v0_2;m=3; if ( (B0=0)&&(A0=1) && (getdata>254) / 选择量程小，转到2-20量程 v20;m=1; if ( (B0=1)&&(A0=0) && (getdata>254) /选择量程小，转到0.2-2量程v2;m=2;3.3.3液晶显示模块ADC0809的输出端与单片机的P0口相连，单片机的P1口与1602的8为数据口相连，1602的RS RW E三个控制端分

17、别连接P3.5，P3.6，P3.7。temp=(getdata*1.0/255)*2000;a=temp/1000;b=temp/100%10;c=temp/10%10;d=temp%10;在得到得到要在1602上显示的四位数值a,b,c,d后，再在合适的位置加上小数点即可。P0口的getdata经过数据处理后，送至P1口，由程序控制显示。四、测试数据与结果分析4.1测试仪器 （1）数字万用表（2）双通道数字示波器（3）频率发生器4.2测试数据 0-0.2V档测量的数据(直流)万用表测量（V）1602显示值（mV）0.0110.10.0769.00.12122.00.18188.0 表10.2

18、V-2V档测量的数据(直流)万用表测试（V）1602显示值（mV）0.262580.444470.454540.616110.848471.0410501.1611681.3013011.6316391.7617881.942.03 表22V-20V档测量的数据(直流)万用表测量（V）1602显示值（V）2.012.012.672.723.373.424.44.355.15.096.16.037.06.907.97.888.58.479.59.529.89.8810.310.1911.811.7612.612.714.014.0515.015.518.818.6 表34.3数据分析用MATLA

19、B分别做不同量程的曲线拟合图，横坐标是1602显示值，纵坐标万用表测量值，做三次曲线拟合。然后做万用表测量值和1602显示值之差，再做三次曲线拟合 0-0.2V档测量的数据(直流) 图8 图9分析：从图8可以看出，线性良好。图9纵坐标单位为MV，在60MV和160MV左右时，误差较小接近于0.但在量程的两端误差较大。4.3.2 0.2V-2V档测量的数据(直流) 图10 图11分析：从图10可以看出，线性良好。图11纵坐标单位为MV，0.4-1.4范围内，误差较小，在2MV左右.但在量程的两端误差较大。4.3.3 2V-20V档测量的数据(直流) 图12 图13分析：从图12可以看出，线性良好

20、。图13纵坐标单位为V，4V-12V范围内，误差较小，在0.05V左右.但在量程的两端误差较大，误差达到0.1V-0.15V。在0-2V的范围内测试时，精度完全满足，在2-20V测试时，经过调整分压那一路的电位器，精度也能满足要求。另外本实习中对电阻及电位器数值的确定要尽可能精准。五、实验心得因为对单片机这一块比较熟悉，电路的仿真及程序编写半天就做完了，在实习的过程中遇到的最大问题是LM324的参考电压没选择正确，开始看书上给的是12-15V，后来经过仔细研究及对LM324输出端的测量发现，LM324参考电压给6-7V时，LM324输出端能够输出0-5V的电压，而这一电压正好是ADC0809的

21、采集范围。在0-2V的范围内测试时，精度完全满足，在2-20V测试时，经过调整分压那一路的电位器，精度也能满足要求。另外本实习中对电阻及电位器数值的确定要尽可能精准。这个实验没有来得及做出扩展部分感觉很遗憾，因为手头上没有交流转直流的AD芯片，调试电路是一个枯燥乏味的工作，是需要耐心、细心、耐力的事情，如果这些都做不到，要想完成一个好的项目可以说是一个很难完成的任务，我个人觉得我在这方面还是需要加强，必须耐下心来，认认真真的对待。六、参考文献【1】汪文，单片机原理及应用 【M】. 武汉：华中科技大学出版社，2007.3【2】谢子美，电子线路.设计.试验.测试【M】.北京：清华大学出版社，200

22、7【3】高峰，单片微型计算机与接口技术【M】.北京：科学出版社，2003 七、附录7.1单片机程序/* LM324的参考电压可以是单电源，取6V左右，关键是要能从LM324的输出端能输出0-5V， 不能超过5V，也不能小于5V，ADC0809的参考电压5V尽量稳定*/#include<reg51.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar a,b,c,d;unsigned char getdata;unsigned int temp;unsigned int i,j;unsigned char m;uc

23、har code table0="V="uchar code table1="0123456789mV ."uchar code table2="Range:2-20V"uchar code table3="Range:0.2-2V"uchar code table4="Range:0-0.2V"sbit rs=P25;sbit rw=P26;sbit e =P27;sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit CLK=P33;sbit ALE=P37;sb

24、it led1=P22;sbit led2=P23;sbit led3=P24;sbit A0=P34;/代表地址编码中的Asbit B0=P35; /代表地址编码中的B#define v20 B0=0;A0=0; /0 通道#define v2 B0=0;A0=1; /1 通道#define v0_2 B0=1;A0=0; /2 通道void TimeInitial() /用于产生ADC0809所需的时钟信号 TMOD=0x10; TH1=(65536-200)/256; TL1=(65536-200)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1; CLK=1; void delay(u

25、nsigned char x)/延时函数unsigned char a,b;for(a=x;a>0;a-)for(b=20;b>0;b-); bit lcd_busy()/ 测试LCD忙碌状态，实际上延时一会同样可以达到效果 bit result; rs = 0; rw = 1; e = 1; delay(5); result = (bit)(P0 & 0x80); e= 0; return result;void writecomm(uchar comm) /while(lcd_busy();rs=0;rw=0;e=0;delay(5);P0=comm;e=1;delay

26、(5);e=0;void writedat(uchar dat) /while(lcd_busy();rs=1;rw=0;e=0;delay(5);P0=dat;e=1;delay(5);e=0;void writesmh(uchar add,uchar date)uchar count;count=date;writecomm(0xc0+add);delay(5);writedat(table1count);delay(5);void init() delay(50);writecomm(0x38);delay(50);writecomm(0x0c);delay(50);writecomm(

27、0x06);delay(50);writecomm(0x80);delay(5); writecomm(0x01);delay(50);void main()init(); v0_2; m=3; TimeInitial();while(1) ST=0;/启动ADC0809 ALE=1; ST=1; delay(50); ST=0; ALE=0; while(EOC=0); /等待转换结束 OE=1; getdata=P1; OE=0; /锁定输出temp=getdata; /数据处理 delay(50); a=temp/1000; b=temp/100%10; c=temp/10%10; d=

28、temp%10; writecomm(0x80+0x40+12); writedat(a+48);writedat(b+48);writedat(c+48);writedat(d+48); delay(50); if ( (B0=0)&&(A0=0) && (getdata<26) / 选择量程大，转向 0.2-2V v2;m=2; if ( (B0=0)&&(A0=1) && (getdata<26) /选择量程大，转到0-0.2量程 v0_2;m=3; if ( (B0=0)&&(A0=1) &am

29、p;& (getdata>254) / 选择量程小，转到2-20量程 v20;m=1; if ( (B0=1)&&(A0=0) && (getdata>254) /选择量程小，转到0.2-2量程v2;m=2; temp=(getdata*1.0/255)*2000; a=temp/1000; b=temp/100%10; c=temp/10%10; d=temp%10; delay(50); if(m=1) for(i=0;i<2;i+ )/显示量程 writecomm(0xc0+i); writedat(table0i); delay(5); for(i=0;i<12;i+ ) writecomm(0x80+i); writedat(table2i); delay(5); writesmh(4,a); delay(5); writesmh(5,b); delay(5);writesmh(6,13); delay(5); writesmh(7