量程自动切换电压表

1、 西安航空职业技术学院毕业 设 计（论 文）论文题目：量程自动切换电压表所属系部：指导老师： 职称： 学生姓名： 班级、学号: 专 业：西安航空职业技术学院制2016年 1 月 10日 西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书题目：量程自动切换电压表 任务与要求：数字电压表采用采用数字化测量技术把连续的模拟量转换成离散的数字形式并加以显示的仪表与传统的模拟式仪表比较,具有显示清晰直观,读数准 确,测量范围宽，通过发光二极管来显示被测电压所选择的档位。输入的模拟电压通过A/D转换模块将其转换成数字电压,再通过软件编程的方式使其在LED数码显示器上显示出来,实现了数字电压表的显示功能。时间：

2、2015 年 11月 16日 至 2016年 1月 10日 共 8 周所属系部： 学生姓名： 学 号 专业： 指导单位或教研室： 指导教师： 职 称： 西安航空职业技术学院制2015年 1月 10 日 毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2015.11.06-2015.11.23查找资料，确定论文题目2015.11.24-2015.12.1了解所做课题的意义，熟悉所设计的内容。2015.12.02-2015.12.08先设计出大概原理框图，确定方向然后逐步完善框图2015.12.09-2015.12.16根据所设计的原理框图，详细的做出量程自动切换电压表的

3、各个硬件部分2015.12.17-2015.12.24软件的设计，查看资料做出量程自动切换电压表所显示的流程图2015.12.25-2015.1.1利用软件设计量程自动切换电压表的代码。2015.1.2-2015.1.28完成设计，做出自我评价。2015.1.29-2016.1.10打印并上交。教师对进度计划实施情况总评 本表作评定学生平时成绩的依据之一量程自动切换的电压表【摘要】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

4、需求，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。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，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。本论文重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。关键字：量程 电压表 读数Automatic range switching voltage meterAbstract:Voltmeter DVM (digital Digital) is a digit

5、al measurement technology, which uses digital measurement technology to convert the continuous analog quantity (DC input voltage) into discontinuous, discrete digital form and display instrument. The traditional pointer meter is single, low accuracy and can not meet the needs of the digital era. It

6、has been widely used in electronic and electrical measurement, industrial automation instrument, automatic test system and so on. In this paper, we focus on the work principle of single chip digital voltage meter based on single chip computer, which can improve the power of DVM, and also improve the

7、 power and non power measurement technology to a new level.Key words: range voltage meter readings目录1概述11.1数字电压表发展前景11.2电路组成及工作原理11.3档位自动切换电路11.4A/D转换电路21.5显示电路32 系统各部分的组成电路32 .1 高精度程控放大电路32 .3 量程控制电路42 .4 小数点切换电路53硬件电路的设计74软件设计84.1主程序104.2 LED送显子程序104.3档位自动切换子程序105常见故障及其调查方法115.1电压表的全部量程呈线性超差115.2量

8、程呈非线性超差135.3频响测量超差及其调整方法135.4使用注意事项14结束语15参考文献171概述1.1数字电压表的发展前景数字电压表作为数字技术的成功应用发展相当快。数字电压表（DigitalVoItMe-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。特别是以AD转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。现代数字电压表按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。数字电压表一般由模拟部分和数字部分组成，模拟部分主要功能是获取电压并将其转换为相应的数字

9、量，数字部分完成逻辑控制、译码和显示等功能。数字电压表的核心是A/D转换器，由A/D转换器工作原理的不同，数字电压表又可分为逐次比较型和双积分型。传统模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。本设计为克服以上缺点选用ICL7135芯片实现双积分A/D转换，提高精度，它是一种四位半的双计分A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。本设计介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单

10、片机电压表和小型智能仪表的设计方案。在当今的数字时代，从大到空间雷达，地球卫星定位系统，移动通信，计算机，医用断层扫描设备，小到家用计算机，数码影像设备，数字录音笔，数码微波炉等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外，数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进，日臻完善。1.2电路组成及工作原理本设计以单片机作为电路的核心部件,采用软件编程和硬件相结合的方式设计了一种量程可以自动切换且具有高清晰度显示

11、的数字式直流电压表。其硬件电路简单,主要用软件编程的方式检测输入信号的大小来实现数字电压表的量程自动切换功能,在硬件电路上通过发光二极管来显示被测电压所选择的档位。输入的模拟电压通过A/D转换模块将其转换成数字电压,再通过软件编程的方式使其在LED数码显示器上显示出来,实现了数字电压表的数字显示功能。电路的组成框图如图1-1所示,电路主要有档位自动切换电路、A/D转换电路,显示电路与单片机及其外围电路组成。 图1-1电路组成框图 1.3档位自动切换电路利用电压衰减器、继电器与单片机软件编程相结合来实现电路的档位自动切换功能。该电路主要有四个档位,它们分别是2.5V、5.0V、10.0V和20.

12、0V档。为了计算方便,本设计中A/D转换模块的VREF设定为2.55V,因此为了检测大于2.55V的直流电压,必须在输入端引入电压衰减器,将输入电压信号变换到02.55V之间,通过软件判断档位,在自动切换档位后将A/D转换模块得到的数值放大相同的倍数在LED数码显示器上通过动态扫描的方式显示电压衰减器的设计方案有两种,一种是用精密电阻构成的分压器,电路如图1-2(a)所示;另一种是利用多个电位器并联,调节各个电位器而得到衰减电压,再通过电位器的中间抽头输出衰减后的电压值,电路如图1-2(b)所示,该衰减器避免了前一种衰减器由于电阻精密性不高而引入的测量误差,因此,本电路设计选择图1-2(b)所

13、示的电压衰减器。当被测电压Vx在020V范围内变化时,经过电压衰减器均可以把它转换为02.55V之间作为A/D转换电路的输入电压,再通过单片机编程来实现档位。 (a) 精密电阻构成分压器 (b) 并联电位器 图1-2电压衰减器1.4A/D转换电路A/D转换电路主要利用ADC0809和单片机相连,根据ADC0809的时序图通过软件编程的方式启动A/D转换电路,实现A/D转换功能。ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。带8个模拟量输入通道,有通道地址译码锁存器,输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动方式,最大可调误差为1LSB。ADC0809内部设有时钟电路,故CLK时钟需由外部输入,cl

14、k允许范围500kHz1MHz。START信号端的脉冲由单片机的P3.4产生启动ADC0809,由P3.6设置ADC0809有效,即P3.6为高电平时ADC0809有效,P3.7作为转换结束标志,转换结束P3.6变为低电平。通过软件实现了ADC0809的模数转换功能。图1-3 A/D转换电路图1.5显示电路显示电路主要由共阴极LED七段数码显示器和单片机的并行I/O口组成,单片机的P2口作为段码输出端口,P1口的低四位作为数码显示器的位码选通端子。实现测量结果的显示,具体电路如图3中所示1.6时钟电路和复位电路时钟电路由片外石英晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选用12MHz晶体,微调电容

15、C1、C2采用30pF的瓷片电容,单片机的复位电路有开关复位和上电复位两种,本设计采用开关复位电路,电解电容C3=10F,电阻R8=200,R9=1k,在单片机工作时复位电路中按键按下后单片机内各寄存器的值变为初始状态值。2 系统各部分的组成电路2.1 高精度程控放大电路程控放大电路如图2-1所示。该电路由输入失调电压小、温漂和时漂小、低噪声的集成运算放大器OP07及通用运算放大器LM358和模拟电子开关CD4052 组成, 其增益CD4052 A 、B 两端的数字量来控制。由于模拟电子开关的导通电阻R on 以及它的不稳定性一直是影响程控放大器放大精度的症结所在, 所以我们在设计中将切换量程

16、电阻和模拟电子开关置于OP07 运放的闭环回路中,这样就利用了运放的高增益特性和反馈性,使模拟电子开关的导通电阻及其温度系数对放大器增益的影响基本上得以消除, 而放大器的增益A1 仅取决于反馈电阻RF 和R0 R。A1 =-RF/ R0 , A 2 = -1 , 放大器的总增益A =A1A2 =RF/ R 。当我们将RF 选用多圈可调电阻时, 图2 所示的电路就形成了四量程控制的放大器。当CD4052 的B 、A 端给定为00 、01 、10 、11 时, 调节RF1 、RF2 、RF3 、RF4使得放大器的总增益A 分别为1 、0 .1 、0 .01 、0 .005 使之与量程2V 、20V

17、 、200V 、500V 一一对应。另外, 为了提高系统的输入电阻, 可在输入端加个电压跟随器。图2-1 程控放大电路 2.2 超/欠量程的识别分析IC L7135内部结构电路图,发现该芯片内具有超/欠量程识别电路,其中第28脚为欠量程信号输出脚,该脚若输出高电平则表示读数小于或等于满量程的9 %,发出欠量程信号;正常应是低电平。第27脚为超量程信号输出脚, 该脚若输出高电平则表示输入电压超过2.0000V,发出超量程信号;正常应为低电平。图2-2超/欠量程内部结构电路图2.3量程程控制电路该电路由两块三3输入与非门(型号为74LS10)和一块双时钟加/减计数器CD40193构成。其作用是按输

18、入条件信号(过量程信号OR, 欠量程信号UR , 原量程控制信号An 、Bn和换程脉冲信号CP)进行组合, 产生满足下面要求的量程控制信号An +1 、Bn+1 :有几档量程,就有几种对应的不同的量程控制信号, 在任何时刻都不允许有一个以上量程同时有效;过量程时, 量程控制信号应由低向高变化,已在最高量程仍过量程时, 则维持最高量程不变;欠量程时, 量程控制信号应由高向低改变, 已在最低量程仍欠量程时, 则维持最低量程不变;量程合适时, 维持原量程不变;每档量程都能达到并且保持。根据以上所要求, 得到表1 所列的逻辑真值表。从真值表可见图2-1所示电路完全实现了上述设计的要求.表2-1换程控制

19、信号逻辑真值2.4 小数点切换电路小数点切换电路如图2-3所示。其中模拟电子开关CD4052 的一半用来进行小数点切换, 另一半用于程控放大电路中量程切换。因此小数点切换与量程切换是同步的, 从而达到数字直读之目的。另外由于TD1913 型数字电压表的显示器是 共阳极式的, 所以图2-3 所示的电路是能满足要求的, 该电路的真值表如表2-2所列。 图2-3小数点切换电 表2-2小数点切换电路的真值表 3 硬件电路设计8路数字电压表应用系统硬件电路由单片机、A/D转换器、数码管显示电路和按键处理电路等组成，电路原理图如图31所示。图3-1 硬件电路原理图ADC0809具有8路模拟量输入通道IN0

20、-IN7,通过3位地址输入端C、B、A（引脚23-25）进行选择。引脚22为地址锁存控制端ALE,当输入为高电平时，C、B、A引脚输入的地址锁存于ADC0809内部是锁存器中，经内部译码电路译码选中相应的模拟通道。引脚6为启动转换控制端START，当输入一个2s宽的高电平脉冲时，就启动ADC0809开始对输入通道的模拟量进行转换。引脚7为A/D转换器，当开始转换时，EOC信号为低电平，经过一段时间，转换结束，转换结束信号EOC输出高电平，转换结果存放于ADC0809内部的输出数据寄存器中。引脚9脚为A/D转换数据输出允许控制端OE，当OE为高电平时，存放于输出数据锁存器中的数据通过ADC080

21、9的数据线D0D7输出。引脚10为ADC0809的时钟信号输入端CLOCK。在连接时，ADC0809的数据线D0D7与AT89S52的P0口相连接，ADC0809的地址引脚、地址锁存端ALE、启动信号START、数据输出允许控制端OE分别与AT89S52的P2相连接，转换结束信号EOC与AT89S52的P3.7相连接。时钟信号输入端CLOCK信号，由单片机的地址锁存信号ALE得到。LED数码管采用动态扫描方式连接，通过AT89S52的P1口和P3.0P3.3口控制。P1口为LED数码管的字段码输出端，P3.0P3.3口为LED数码管的位选码输出端，通过三极管驱动并反相。S1和S2是两个按键开关

22、，分别与单片机的P3.5和P3.6相连接。S1用于单路显示或多路循环显示转换控制，S2用于单路显示时的通道选择。4 软件设计量程自动切换数字电压表的软件设计采用单片机常用的汇编语言,主要包括三个部分,即主程序部分、档位切换部分和LED数码显示器的显示部分。其软件设计流程图如图4-1、4-2、4-3所示。 图4-1 主程序 图4-2 显示子程序图 图4-3 量程自动化切换程4.1主程序主程序设计的软件流程图如图4-1(a)所示,在A/D模块启动子程序中,主要根据A/D转换模块的时序图设置单片机的各引脚电平来启动ADC0809。判断部分主要是通过A/D转换模块采集到的电压值与档位值进行比较来选择数

23、字电压表的档位,再通过档位处理子程序对A/D转换模块转换后的电压值进行处理,然后在数码显示器上显示出来。4.2 LED送显子程序LED数码管采用软件译码动态扫描方式。在显示子程序中包含多路循环显示和单路显示程序。多路循环显示把8个存储单元的数值依次取出送到4位数码管上显示，每一路显示1秒。单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。每路数据显示需经过转换变成十进制BCD码，放于4个数码管的显示缓冲区中。单路显示或多路循环显示通过标志位00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键和通道选择按键的判断。图4-4 LED送显子程序 C语言源程序清单#include #include #in

24、clude /调用_nop_()延时函数#define ad_con P2 /0809控制口#define addata P0 /0809数据入口#define disdata P1 /数码管显示#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar number=0x00; /存放单通道显示时的当前通道数sbit ALE=P23; /0809地址锁存信号sbit START=P24; /启动信号sbit OE=P25; /输出允许通道sbit KEY1=P35; /循环或单路选择按键sbit KEY2=P36; /通道选择按键sbi

25、t EOC=P37; /转换结束信号sbit DISX=disdata7;/小数点位sbit FLAG=PSW0; /循环或单路显示标志位Uchar code dis_711=0x3F,0x06,0x5B,0X4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7E,0x6F,0x00;/数码管的字段码uchar code scan_con4=0xF1,0xF2,0xF4,0xF8;/4个LED数码管的位选Uchar data ad_data8=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/0809的8个通道转换数据缓冲区uchar data dis5=0x0

26、0,0x00,0x00,0x00,0x00;/显示缓冲区/*主函数*/ main() P0=0xff; /初始化端口 P2=0x00; P1=0xff; P3=0xff; while(1) test();/测量转换数据 scan();/显示数据 /*1秒延时*/delay1ms(uint t)uint i,j;for (i=0;it;i+)for (j=0;j120;j+);/*检测按键子程序*/keytest()if (KEY1=0) /检测循环或单路选择按键是否按下FLAG=!FLAG; /标志位取反，循环，单路显示却换 while(KEY1=0);if(FLAG=1) /单路循环时，检测

27、通道选择按键是否按下if(KEY2=0) number+; if(number=8) number=0; while(KEY2=0); /*显示扫描子程序*/ scan() uchar k,n; int h; if(FLAG=0) /循环显示子程序 dis3=0x00; /通道值清零 for(n=0;n8;n+) /循环8次 dis2=ad_datan/51; /转换为BCD码 dis4=ad_datan%51; dis4=dis4*10; dis1=dis4/51; dis4=dis4%51; dis4=dis4*10; dis0=dis4/51; for(h=0;h500;h+) /每个通

28、道显示时间控制为1s for(k=0;k4;k+) /4位LED循环显示 disdata=dis_7disk; if(k=2) DISX=0; P3=scan_conk; delay1ms(1); P3=0xff; dis3+; /通道值加1 keytest(); /检测按键 if(FLAG=1) /单路显示子程序 dis3=number; for(k=0;k4;k+)/4位LED扫描显示 disdata=dis_7disk; if(k=2) DISX=0; P3=scan_conk; delay1ms(1);P3=0xff; keytest(); /检测按键 /*转换子函数*/test()

29、uchar m; uchar s=0x00; /初始通道位0 ad_con=s;/第一通道地址送0809控制口 for(m=0;m8;m+) ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0;/锁存通道地址 START=1;_nop_();_nop_();START=0;/启动转换 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(EOC=0);/等待转换结束 OE=1;ad_datam=addata;OE=0;/读取当前通道转换数据 s+;ad_con=s;/改变通道地址 ad_con=0x00;/通道地址恢复初值 4.3档位自动切换子程序档位自动切换子程序

30、的软件流程图如图4-3所示,该程序的设计主要对A/D转换模块转换得到数据和该档位的数据进行比较进行档位的选择,再通过计算将十六进制数转换为十进制数,存储在50H53H四个单元中,然后再通过调用送显子程序将其在数码显示器上显示出来。利用单片机编程控制数字电压表的量程自动切换和显示功能,不仅使整个硬件电路的设计使用的元器件数量减少,而且调节起来也较为方便,整个系统性能也更加稳定。实验结果表明,该数字电压表实现了量程自动切换功能和高清晰度数字显示功能,且性价比较高,有较强的适用性。它是0+20V的单量程数字电压表,在此基础上还可以进一步的扩展,让电路具有更好更强大的功能。如器还可以实现更多档位的量程

31、自动切换功能,配上高压探头还可测上万伏的高压,在电压输入端加反向器即可实现负电压的测量。为了提高测量的精度还可在A/D转换电路部分采用12位或24位A/D转换器件。:利用电压衰减器还可以实现更多档位的量程自动切换功能,配上高压探头还可测上万伏的高压,在电压输入端加反向器即可实现负电压的测量。为了提高测量的精度还可在A/D转换电路部分采用12位或24位A/D转换器件。5常见故障及其调查方法在计量前，先要对表进行机械调零:旋转电表零点调整螺丝，使表针指示零。在计量中，我们最常遇到的故障现象有如下几种:5.1电压表的全部量程呈线性超差对于输人频率为1kHz、不同大小幅值的信号，电压表的所有幅值测量量

32、程均呈偏大或偏小的现象。这时应主调可变电位器vR102，它位于表头放大器电路部分;兼顾调节电位器vR101，它位于电路中第一衰减器部分。打开机壳，这两个电位器明显可见且都有数字标明。具体的调整方法如图5-1、表5-1所示。图5-1 仪表连接图表5-1 调整方法表5.2量程呈非线性超差根据图5-1所示若表的量程呈非线性超差时，就会出现如下情况:即在某一量程以上，表对幅值测量的结果偏大，在此量程以下则测量结果偏小;或反之。在采用上述方法进行调整之后仍无济于事时，那么就应断定，最有可能的情况是控制各量程的电子开关电路发生了故障，需要维修电压表。若部分小量程超差(几十毫伏以下)时，则应该检查并保证输人

33、电源是否接地;若无接地线时机壳与地无法相接，则产生的小干扰信号就无法通过机壳消除，而被串到电路中，虽然是微信号但由于VT系列的电压表灵敏度较高，所以，这种干扰信号就对小量程测量的准确性产生了严重的影响，一般使幅值测量结果偏大，甚至有打表现象。若只是最小量程超差(一般也为偏大)，例如只是0.31llV或1mV超差，并且电源接地良好，这时应检测一下电压表的残余电压是否过大:将输人端子的信号短接，例如用夹子线将两夹短接，使输入信号幅值为零，此时，电压表的读数值按指标应低于30林V;若超出此值，那么残余电压就会对最小量程的准确测量产生影响，这种情况就无法进行调整，而需要对表的电路设计进行改进。另外，还

34、应注意的是，在计量时要用屏蔽性能好的测试线，以消除外界干扰信号对小幅值测量的影响作用。5.3频响测量超差及其调整方法电压表的频响特性也是判断其性能好坏的关键。如前所述，VT系列的电压表频率范围从roHz一IMHz。在计量其频响时，我们以输入IkHz、0.9V的正弦信号变为基准，幅值保持不变，而依次改变输入信号的频率，若表因输人信号的频率变化而幅值的偏移超出了指标范围，即为频响超差。此时，我们应调整可变电容TC101，它位于第一衰减器电路中。具体的调整方法如图5-1所示54使用注意事项除了能够准确地调整电压表外，为确保电压表测量的准确性，我们在平时也应该注意正确地使用电压表。a)开机后应先预热几

35、分钟；b)测量中，GNDMODE应设定为GND的状态，保证通道的接地端子与外壳地相连，以免出现浮地状态；c)勿将电压表放置于强电磁场中；d)在测量时，应先设置表的量程，然后再输人信号，并保证信号幅值不大于表的量程；e)保证表和电源的接地良好。除此之外，在计量中有时人也会被机壳电击，这可能是因表的绝缘不良或内部电源部分漏电所致,电源接在一起，以免损坏仪器。结束语完成情况：本次毕业设计到现在有两个多月，回顾着些天我感到学到了很多东西，在写这个心得的时候，我想就这些天的收获，说一说自己内心的想法。本设计的是一个数字电压表简称DVM,是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并

36、加以显示的仪表。与传统的模拟式仪表比较,具有显示清晰直观,读数准确,测量范围宽,扩展功能强等优点。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。总结本文的研究工作，主要做了下面几点工作：一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了数字电压表采用数字化测量技术转换成不连续的数字形式，了解了数字电压表的现状，清楚地了解了数字电压表与其它数字电压表相比较有那些优点，明确了研究目标。并且通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。并证实了自己的思路：“查资料思考总结运用找出差错，再查资料和向别人询问再次运用”的正确性。二、本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。三、本文列出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体C语言程序设计与调试等方面。四、在这次毕业设计的过程中学会了单片机的基本使用，感到单片机对电子信息专业的同学来说是一门很有用的课程。五、通过这次毕业设计，重新复