积分式数字电压表单片机论文

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc176896219 摘要 PAGEREF _Toc176896219 h 1 HYPERLINK l _Toc176896220 一、系统方案演示 PAGEREF _Toc176896220 h 二 HYPERLINK l _Toc176896221 1.芯片选择模块 PAGEREF _Toc176896221 h 2 HYPERLINK l _Toc176896222 2.数码管工作模式模块 PAGEREF _Toc176896222 h 2 HYPERLINK l _Toc176896223 3.双积分DVM电路模式模块

2、 PAGEREF _Toc176896223 h 2 HYPERLINK l _Toc176896224 2.系统设计与总体分析 PAGEREF _Toc176896224 h 3 HYPERLINK l _Toc176896225 1. 整体设计 PAGEREF _Toc176896225 h 3 HYPERLINK l _Toc176896226 2.各模块的实现原理 PAGEREF _Toc176896226 h 3 HYPERLINK l _Toc176896227 2.1 LED数码管驱动电路模块 PAGEREF _Toc176896227 h 3 HYPERLINK l _Toc1

3、76896228 2.2 双积分 DVM 电路 PAGEREF _Toc176896228 h 3 HYPERLINK l _Toc176896229 3. 理论分析与计算 PAGEREF _Toc176896229 h 4 HYPERLINK l _Toc176896230 1.准备阶段(t 0 -t 1 ) PAGEREF _Toc176896230 h 4 HYPERLINK l _Toc176896231 2. 采样阶段 (t 1 -t 2 ) PAGEREF _Toc176896231 h 5 HYPERLINK l _Toc176896232 3.比较阶段(t 2 -t 3 ) P

4、AGEREF _Toc176896232 h 5 HYPERLINK l _Toc176896233 4. 软件设计 PAGEREF _Toc176896233 h 6 HYPERLINK l _Toc176896234 五、系统测试 PAGEREF _Toc176896234 h 6 HYPERLINK l _Toc176896235 1. 用于测试的仪器 PAGEREF _Toc176896235 h 6 HYPERLINK l _Toc176896236 二、指标测试及测试结果 PAGEREF _Toc176896236 h 6 HYPERLINK l _Toc176896237 三、测

5、试结果分析 PAGEREF _Toc176896237 h 6 HYPERLINK l _Toc176896238 参考文献 PAGEREF _Toc176896238 h 7 HYPERLINK l _Toc176896239 附录 PAGEREF _Toc176896239 h 8摘要本设计采用单片机（89S52芯片）作为系统的控制核心。整个设计采用模块化设计思想，包括直流稳压电源模块、LED数码管显示模块、自动校零电路模块、采样电路模块、测量电路模块。程序设计采用汇编语言编程实现，控制电子开关的闭合和断开，通过双积分DVM电路实现电路的自动调零、电路的采样和输入信号的测量，从而输出更准确

6、的电压值。系统采用高精度电阻和高精度电容器件，能更好地拓宽电压测量范围，降低测量误差；双排电阻用于双积分DVM电路的前级，可以有效抑制工频干扰，提高测量精度，达到更高的性能指标。关键词：高精度电阻、高精度电容、双积分DVM、电子开关、双排电阻1、系统方案论证本系统采用89S52芯片控制4066芯片电子开关的闭合和断开，对整个系统进行调零、采样积分、电压比较测量，实现电压测量范围、测量分辨率、测量误差、采样受试者所需的速率和输入比较。阻抗大，同时抑制工频干扰。以数码管形式显示电压值，精度高、准确度好。因此，系统分为以下模块：图 1.1 系统框图1.芯片选择模块方案一：89S52单片机是一款高性能

7、的8位单片机。它将构成计算机的中央处理单元CPU、存储器、寄存器和I/O接口集成在一块集成电路芯片中，从而形成一个比较完整的计算机。方案二：C8051F005微控制器是完全集成的混合信号系统级芯片，微控制器内核兼容80S52，完全兼容MCS-51指令集。该芯片除了采用标准80S52的数字外设元件外，还集成了模拟元件等数据采集和控制系统常用的数字外设和功能元件。方案选择：方案二中的C8051F005芯片系统结构复杂，控制难度大，芯片成本高。对于这个系统，利用率很低。方案一，89S52芯片简单易控制，成本低，性能稳定，故采用方案一。2.数码管工作模式模块方案一：采用静态驱动法原理。当使用移位寄存器

8、将串行信号转换为并行信号来驱动数码管时，在输出一次显示数据后，所有的数码管就可以一直保持显示。只有当需要改变显示内容时，才重新致显示数据。方案二：采用动态驱动法原理。使用这种方法时，每个数码管轮流显示自己的字符。由于人眼的视觉暂留特性，当每个数码管显示的时间间隔小于 1/16 s时，人眼不会感觉到闪烁，我们看到的是每个数码管一直亮着。方案选择：方案1减少CPU口驱动，数码管显示数据稳定可靠。方案2要求CPU提供更多的I/O口驱动位码和段码，对芯片要求较高，所以采用方案1的驱动原理。3.双积分DVM电路模式模块选项 1：基本积分器电路。在基本积分电路的转换过程中，需要进行两次积分操作，一是在采样

9、时刻对被测电压进行“恒时”积分；另一种是对参考电压进行反向“恒压”积分，直到积分器恢复到原来的状态。 ，反向恢复时间与被测电压成正比，其转换原理框图如图1所示。方案二：三相一体型。三相积分电路中的每个测量周期都需要经过自动校零、采样和比较三个阶段。当开关K 3和K 4闭合时，积分电路进行校零，当开关K 3 和K 4 闭合时，闭合K 2电路进行采样处理，打开K2 关闭K1 电路进行比较测量电压，同时与单片机连接输出精确的电压值。三相积分变换示意图如图2所示。方案选择：该方案对使用的元器件没有严格要求，可以实现高精度的转换，是应用最广泛的方法。但是，方案1积分器中使用的运算放大器的零偏移和漂移、积

10、分电容的介电吸附效应和漏电阻都会引起转换误差。第二个选项增加了“自动调零”功能。与基本型相比，可以补偿积分器和零位检测器零位偏移的影响，有效降低转换误差。因此，本设计采用第二种方案。2 、系统设计及整体分析1. 整体设计本系统以单片机为核心进行数据处理和控制。单片机完成人机界面、系统控制、信号采集与分析、信号处理与转换，采用数码管静态显示电路输出数字显示方案。系统整体示意图如图3所示。二、各模块的实现原理2.1 LED数码管驱动电路模块LED数码管采用静态驱动，移位寄存器用于将串行信号转换为并行信号。 89S52单片机可以自带静态口或扩展I/O口直接连接LED电路，也可以使用自带串口TXD和R

11、XD连接LED电路。 LED电路连接。由于 TXD 和 RXD 都可以工作在工作模式 0，所以连接移位电路很方便。锁存信号将移位寄存器中的电容锁存到锁存器中，通过驱动电路驱动发光二极管，数码管显示输出。数据。电路原理图如图4所示。2.2 双积分DVM电路系统采用双积分电路，配备270个双排除电阻。该方法有效地抑制了工频干扰，提高了系统测量数据的准确性。双积分DVM电路原理图如图3所示。2.2.1自动调零模块的实现原理自动校零阶段，K 1和K 2断开，K 3和K 4接通，积分器输入端接地，与零位检测器形成闭合电路。在这一阶段，积分放大器K 1和零检测器（实为电压比较器）将K 2的零漂（或偏移）分

12、别存储在零校正电容器Caz和积分电容器C中，使得输出积分器和零位检测器的电压在随后的采样和比较阶段不会发生漂移。电压的影响。该阶段的持续时间由T 0表示。2.2.2采样阶段模块实现原理在采样阶段，K2导通，K1 、 K3 、 K4关断，测量电压接入电路，对固定时间T1进行积分。2.2.3比较（测量）模块实现原理比较级，K 1导通，K 2 、K 3和K 4 关断，接上与被测电压极性相反的参考电压，使放电电压恢复到自归零时的电压值阶段，持续时间用T 2表示。3、理论分析与计算双积分DVM由积分器、比较器、逻辑控制电路、主门、计数显示电路和电子开关组成。其工作过程可分为三个阶段：准备阶段、取样阶段和

13、比较阶段。该电路的基本原理框图如图3.1所示，其工作波形如图3.2所示。图 3.1双积分 DVM 工作原理框图图 3.2 DVM 工作波形1.准备阶段（t 0 -t 1 ）在这个阶段，逻辑控制电路首先导通K 3 ，K 1和K 2 关断，积分器输出电压U 0 =0。2.采样阶段（t 1 -t 2 ）在这个阶段，测量的电压是时间积分的。在t 1时刻，逻辑控制电路发出采样指令开启电子开关K 1 ，同时关闭K 4 ，并连接到被测电压U x ，积分器进行正向积分，输出电压U 0大于零并线性增加。比较器输出低电平，逻辑控制电路打开主门，计算器开始计算。当预定积分时间T 1 过去，计数器在时间t 2计数N

14、1 个脉冲时，计数器溢出并复位，进位脉冲使逻辑控制电路输出比较命令，断开K 1 ，采样阶段结束.如果输入测得的直流电压U x不受干扰，输入电路的传输系数为1，则积分器的输出电压为U om = - (1)式(1)中，T 1 时序积分时间，T 1 = t 2 -t 1看到 U om与 U x成正比。如果测得的电压 U x受到串模电压 u sm的干扰，即加到积分器上的输入电压为 U x = (Ux+u sm )，则U om = - (2)从这个公式可以看出，U om与成正比。也就是说，它与输入电压的平均值成正比。这样，串模干扰电压由于取平均值而大大降低了对测量结果的影响，从而提高了积分DVM的抗干扰

15、能力。3.比较阶段（t 2 -t 3 ）在这个阶段，对参考电压进行定值反向积分。在t 2时刻，计数器溢出（清零），K 1关断，K 2导通，正标准电压UN 接通。积分器开始反向积分，计数器重新从0开始计数。在t3时刻，U O线性下降到0，零比较器由低电平变为高电平。主门关闭，计数停止，本次计数结果N2显示为十进制数。同时开启K4，重复上述过程，开始新的测试循环。在t3 时刻，积分器的输出电压为0 =单位- (3)将（1）代入（3）得到T 2 =或 U x = (4)若以T 0为时钟周期。则T 1 =N 1 T 0 , T 2 =N 2 T 0 将T 1和T 2代入(4)得到U x = (5)也就

16、是说，计数器上的值直接代表测量的电压。4. 软件设计本系统的软件设计主要包括：开关控制、中断处理、定时器计数器等模块。软件流程图如图5所示。5.系统测试1. 用于测试的仪器五位半真有效值数字台式万用表（UT805型）示波器（型号 GOS-620）2、指标测试及测试结果表测试结果项目基本要求游戏部分要求测量指标测量周长10mV-2V10mV-2V范围200m, 2V2V测量分辨率1mV（2V范围）1mV（2V范围）测量误差0.5%5个字符0.5%5个字符采样率2次/秒2次/秒输入电阻1M1M表现抑制工频干扰自动调零功能，自动量程转换功能功能已实现3、测试结果分析测量方法：取一个输入信号，送至系统

17、双积分DVM输入极。 LED数码管显示输入信号的电压值。同时用五位半真有效值数字万用表监测输入信号的电压值，用示波器观察。双积分DVM的工作波形，通过两组数据的比较，测试了本系统积分直流数字电压表的性能参数。测量数据如下表所示。表 1 实测电压数据记录用户体验U140mV40.02mV40.030.05%80mV79.98mV79.980.025%120mV120.1mV120.140.083%160mV159.9mV159.870.063%400mV400.2mV400.10.05%800mV0.8001V0.80040.013%1.2V1.197V1.19660.025%1.6V1.601V1.60080.063%Ux：真有效值数字台式万用表显示电压值U：LED数码管显示电压值U1：测量电压值：测量相对误差从上表数据可以看出，双积分