1、積分式直流數字電壓表 （G題）摘要: 此設計是基于AT89S52單片機和高精度A/D芯片 ADC7705制作的積分式直流數字電壓表，其中A/D為16位，精確度最高可達0.05mV，該型數字電壓表測量電壓類型是直流，測量范圍是03V，分為 0-200mV和200mV3V兩個檔位，量程可以自動轉換。整個電壓表設計有精度高、電路簡潔、布局合理等優點，并且具有適時自動校準功能，以適應周邊環境變化。在電壓輸入端，使用運算放大器作為輸入緩沖級，因而具有輸入電阻大，抗干擾能力強、線性度好等特點。在電壓采樣方面，應用多次采集求平均值的方法以獲得精度較高的采樣值，再進行運算處理和顯示。顯示部分選用了液晶顯示屏，

2、在達到5位數字顯示的同時還可以顯示單位等。開機設有歡迎界面。 本電壓表設計簡潔，測量精度高，穩定性好，完全達到了題目基本部分和發揮部分要求。一、設計方案與比較方案一: 使用ADC0809(8位并口)作為A/D，用AT89S52單片機進行數據處理，結果送給數碼管顯示出來。輸入部分直接使用電阻分壓、阻容積分，再耦合到A/D轉換。此設計優點是電路簡單、元器件少、編程容易。但是做出的電壓表精度不高，顯示位數少，輸入電阻小。分壓和積分電路ADC0809LEDAT89S52電源 圖1 方案一原理框圖方案二: 在電壓輸入部分增加運算放大器作為輸入緩沖，選用16位串口A/D芯片ADC7705，AT89S52單

3、片機，顯示部分使用液晶屏幕。此設計方案優點：測量精度大大提高，顯示達到5位，輸入電阻遠遠超過1M。缺點：電路復雜、編程難度增大。電壓跟隨與預處理電路積分電路A/D采樣單片機控制數據處理雙穩態開關電路電 源液晶顯示輸入 圖2 方案二原理框圖經過分析比較選用了方案二作為本次電壓表的設計方案。選用電壓型運算放大器LF356作為輸入緩沖，轉換的電壓經過積分后分壓送至A/D，由A/D芯片對電壓采樣，數據送單片機處理后給液晶顯示。AT89S52單片機是目前使用最廣泛的單片機種類，功能強大，價格便宜。所以選用此單片機制作電壓表。顯示部分選用液晶屏幕，減小電路板面積，提高分辨率。二、電路結構與原理2.1系統原

4、理方框圖如圖2所示，待測的電壓由輸入端的電壓跟隨運放電路轉換成線性比例的模擬量，再對模擬電壓進行積分處理和分壓后送至A/D轉換芯片，采樣獲得數據，經過單片機對數據進行運算處理后，由液晶顯示出所測電壓值。輸入部分分別串、并接入適當大小的阻容元件，減少工頻干擾。積分電路主要作用是抑制電壓的波動，使得數據采集比較平穩，顯示數值比較穩定。雙穩態開關電路是一個一鍵控制的開關電路，用于控制電壓表的電源。 2.1.1 電壓跟隨電路運算放大器LF356具有良好電壓線性放大效果，輸入電阻大。設計電路如下圖所示。通過調節可調電阻RB2的大小可改變運放的電壓放大倍數，用于機械調零。LF356的正輸入端（3腳）作為電

5、壓輸入端，并一電阻和電容接地。 圖3 LF356電路2.1.2 A/D芯片基準電壓A/D轉換芯片的基準電壓影響模數轉換的結果，同時基準電壓可用于系統自動校零，故其電壓值要準確、穩定，選用了可微調穩壓二極管LF336得到2.5V電壓，分壓后獲得1.225V基準電壓。圖4 基準電壓電路2.1.3 單片機最小系統電路和電源單片機和ADC7705要求工作電壓為5V，選用三端穩壓管LF7805CV把9V電源穩壓到5V，由于單片機功率很小，所以穩壓管無須加散熱片。 圖5 單片機最小系統電路2.1.4 積分電路由運算放大器LF356、可調電阻、耦合電容等元件組成(參見圖3)，運放輸出端由電容耦合到放大器的負

6、輸入端，再經過電阻接地，從而組成積分放大電路，放大輸出電壓經過電阻分壓、電容積分后送A/D。放大器的放大倍數可通過調節負反饋電阻的大小改變，積分度可通過調整電容和接地電阻的大小改變。2.1.5 A/D采樣電路 A/D采樣電路是由芯片ADC7705、時鐘電路、基準電壓電路和相應阻容元件構成，時鐘頻率為4.0MHZ，參考電壓設為1.225V，+5V供電，如圖6所示。 圖6 A/D采樣電路2.1.6 雙穩態開關電路 分立元件構成的雙穩態觸發開關電路，可以由一個按鍵控制電源的開關，也可以由單片機發送觸發電平關機，從而實現自動關機功能（長時間無操作關機）。 圖7 雙穩態開關電路2.2 系統設計總原理圖積

7、分式數字電壓表設計總圖(包括單片機最小系統電路、PC接口電路、A/D接口電路、積分電路、開關電路和電源電路)，如附件一。三、理論分析與計算3.1 電壓表分辨率（A/D轉換精度）ADC7705為16位數模轉換芯片，每個單位量i=1/65535，基準電壓為1.225V，每個單位量的電壓量j=1.225V/65535，量程設計為03V，精確度可以計算為：=3V/1.225V*j=3V/65535=0.000046V=0.046mV所以分辨率很高。3.2 輸入電阻電壓型運放LF356的輸入電阻為106M，但是若直接作為輸入接點，易受到感應電壓等干擾，影響到測量結果。解決的方法是并電阻接地，在無輸入時把

8、電位拉低，達到一定的抗干擾效果。但并接的電阻的大小決定了電壓表的輸入電阻值，根據題目的要求，選取4M。3.3 誤差分析本設計中A/D轉換芯片工作原理是將Vref（參考電壓）分成65536份，再將所測量的電壓范圍放大調節到0Vref，其中Vref為A/D轉換數據最大值。 Vref失準將影響電壓表的準確度。計算分析Vref偏差1mv時的測量誤差，=（Un/ Vref）*（1mv/65536）*65536= （Un/ Vref）mV 當Un=3V，Vref=1.225V，=2.45mV此誤差可以通過調整Vref來減小，也可以調節輸入電壓的放大比例減小。另外，在數據采樣和處理時，使用單片機編程實現數據

9、多次采集求平均值的方法，可以減小隨機誤差和電壓波動引起的誤差。四、系統調試與程序結構4.1 電壓表初始調試電壓表電路板做完后要先進行初始調試后才可以使用，方法和步驟如下： (1) 測試電源：用電壓表測試電路的電源輸入電壓是否正常，元件有無明顯發熱等現象。(2) 用高精確度的電壓表并接在參考電壓端（ADC77059腳）檢測電壓，通過調節并接在穩壓二極管LM336上的可調電阻，使Vref=1.225V。(3) 將電壓表的輸入端和高精確度的電壓表并接起來接到微調電源上(0-3v)，調節電源使輸出電壓為3.000V，再調節電壓表上機械調零電位器，使液晶顯示值和高精確度電壓表一致。4.2 單片機系統程序

10、設計圖如附件二所示，單片機開機后立即初始化程序，顯示出漂亮的歡迎用戶界面,接著把A/D采集進入單片機的數據,進行多次累加后求出平均值，從而使得采集的數據更加的精確,單機程序具有自動校準功能，可以自動調整數據輸入的增益值，調整采集數據的線性度，極大的提高了A/D轉化的線性度，從而進一步使得數據更加的準確度。然后對數據進行判斷后作出相應的處理，實現自動跳檔功能和保護功能。當數據小于200mV時，單片機跳到mV檔，當數據大于200mv小于最大測試電壓時,單片機又自動跳到V檔進行顯示, 當輸入的電壓大于測試的范圍時顯示超出范圍界面提示用戶，從而成功的實現了電壓保護提示功能。五、測試方案與測試結果下表為

11、實際檢測所得結果，本電壓表面板上設有正負表筆接口，積分測試輸出接口。測試時需要有高精度臺式萬用表一塊（NEC8050），可調直流電源，示波器和信號發生器等器件。測試方案：設計制作的電壓表并接在高精度臺式萬用表，選擇精控微調電源，通過觀察電壓表的顯示測試測量精度；使用萬用表和簡單電路（放大器內阻測試電路）測試電壓表的輸入內阻；使用信號發生器、直流電源、示波器等器件測試積分度和抗干擾能力。 表一（參照設計題基本要求部分）檢測值基本要求要求參數測量實際值誤差范圍評價測量電壓范圍10mV2V0mV-3V量程200mV,2V200mV，3V顯示范圍十進制數019990-31000測量分辨率1mV(2V檔

12、)0.1mV測量誤差±0.5%±5個字0.3mV采樣速度2次/秒3次/秒輸入電阻1M4M表二（參照設計題發揮部分）檢測值發揮部分要求參數測量實際值誤差評價測量范圍10mV2V0mV-3V量程200mV，2V200mV，3V顯示范圍0-19990-31000測量分辨率1mV0.1mV測量誤差±0.05%±5個字0.3mV自動校零功能有自動校零功能自動量程轉換有自動量程轉換功能表三 檢測結果記錄表實際測量參數表0-200ms檔（電壓表在電壓低于0.2v時）第一次測量第二次測量第三次測量臺式萬用表0.0151V0.1128V0.1980V測量顯示值15.30m

13、V112.4mV198.1mV誤差范圍0.2mV0.4mV0.1mV200mv-3v檔（電壓表在電壓高于0.2v時）第一次測量第二次測量第三次測量臺式萬用表0.2188V1.3235V2.6933V測量顯示值0.2187V1.3229V2.6935V誤差范圍0.0001V0.0006V0.0002V工頻干擾抑制使用信號發生器、直流電源、示波器等器件測試，有較好的工頻干擾抑制功能六、結論本次設計與制作積分式直流數字電壓表，設計合理，制作認真，較好地完成了題目的全部要求，并在顯示位數、精度、內阻等方面超越了題目發揮部分的指標。附件一：總原理圖附圖1 總原理圖附件二：單片機原理框圖經多次AD采樣積分

14、取平均值校準AD轉化數據開始對AD數據進行判斷大于最大采樣基準電壓數據小于200mv跳擋為mv擋顯示顯示超過量程提示用戶數據大于200mv，小于基準電壓跳擋為v擋顯示結束液晶顯示，AD模塊初始化及歡迎界面附圖2 單片機系統流程圖附件三：總程序;模數定義RESETP EQU P3.5 ;復位ASCLK EQU P3.0 ;時鐘ACS EQU P3.4 ;片選DINA EQU P3.1 ;寫數據（輸出）DATAP EQU P3.2 ;讀數據(輸入）;液晶引角定義 rs bit p2.2 ;數據命令選擇端（H/L) rw bit p2.1 ;讀寫控制（H/L) en bit p2.0 ;使能端 or

15、g 0000h setb 60h mov 40h,#64 mov 41h,#64 mov 42h,#64 mov 43h,#64 mov 44h,#64 mov 45h,#64 mov 46h,#64 mov 47h,#64 mov 48h,#64 mov 49h,#64 mov 4ah,#64 mov 4bh,#64 mov 4ch,#64 mov 4dh,#64 mov 4eh,#64 mov 4fh,#64 mov 2fh,#64 mov 30h,#32 mov 31h,#40 mov 32h,#47 mov 33h,#38 mov 34h,#50 mov 35h,#48 mov 36h

16、,#40 mov 37h,#64 mov 38h,#55 mov 39h,#50 mov 3ah,#64 mov 3bh,#56 mov 3ch,#59 mov 3dh,#40 mov 3eh,#65 lcall huanyingnnn: lcall yan10kaishi: lcall A_D lcall READ7705 mov 35h,r6 mov 36h,r5 lcall A_D lcall READ7705 mov 37h,r6 mov 38h,r5 lcall A_D lcall READ7705 mov 39h,r6 mov 3ah,r5 lcall A_D lcall READ

17、7705 lcall chuli lcall bcd mov 2fh,#31 mov 30h,#50 mov 31h,#47 mov 32h,#55 mov 33h,#36 mov 34h,#42 mov 35h,#40 mov 36h,#62 MOV 40H,#72 MOV 41H,#72 MOV 42H,#72 MOV 43H,#72 MOV 44H,#31 MOV 45H,#50 MOV 46H,#47 MOV 47H,#55 MOV 48H,#48 MOV 49H,#40 MOV 4aH,#55 MOV 4bH,#40 MOV 4cH,#53 MOV 4dH,#72 MOV 4eH,#

18、72 MOV 4fH,#72 huanying:MOV R1,#40H MOV R7,#16main: clr en ;在第二行顯示16個英文字母 lcall lcdreset ;調用初始化程序 mov r4 , #80hMAIN1: mov a , r4 ;第二行首地址 lcall lcdwc MOV DPTR, #TAB mov A,R1 MOVc A,A+DPTR lcall LCDWd INC R1 INC R4 LCALL lcdwcn DJNZ R7,MAIN1 MOV R4,#0C0H MOV R1,#2fH MOV R7,#16MAIN2: mov a , r4 ;第二行首地址

19、 lcall lcdwC MOV DPTR, #TAB mov A,R1 MOVc A,A+DPTR lcall LCDWd INC R1 INC R4 LCALL lcdwcn DJNZ R7,MAIN2 jbc 60h, ppp ljmp kaishippp: ljmp nnnlcdreset: ;初始化程序 lcall delay5 ;延時15MS lcall delay5 lcall delay5 mov a,#38h ;寫指令，不檢測忙信號 lcall lcdwcn lcall delay5 mov a,#38h lcall lcdwcn lcall delay5 mov a,#38

20、h lcall lcdwcn mov a,#38h lcall lcdwc mov a,#08h lcall lcdwc mov a,#01h lcall lcdwc mov a,#06h lcall lcdwc mov a,#0ch lcall lcdwc ret lcdwc: call waitldle;檢測忙信號 lcdwcn: clr rs ;送控制字子程序 clr rw setb en nop nop mov p0,a nop nop clr en ret lcdwd: lcall waitldle ;寫字符子程序 setb rs clr rw setb en nop nop nop

21、 mov p0,a nop nop clr en ret waitldle: push acc mov p0,#0ffh clr rs setb rw setb en nop nop jb p0.7,$ ;為1，LCD控制器忙 nop nop nop clr en pop acc ret delay5: mov r5,#25 ;延時5MS子程序 loop: mov r6,#100 djnz r6,$ djnz r5,loop retA_D:PUSH PSW PUSH A PUSH 7 CLR RESETP MOV R7,#15 DJNZ R7,$ SETB RESETP NOPINIT7705

22、:MOV A,#20H LCALL WRITE7705 MOV A,#00H LCALL WRITE7705 MOV A,#10H LCALL WRITE7705 MOV A,#44H LCALL WRITE7705 SETB ASCLK SETB ACS POP 7 POP A POP PSW RETWRITE7705:PUSH PSW PUSH A PUSH 7 MOV R7,#8WRITE:CLR ACS CLR ASCLK RLC A MOV DINA,C SETB ASCLK DJNZ R7,WRITE SETB ASCLK SETB ACS POP 7 POP A POP PSW

23、RETREAD7705:PUSH PSW PUSH 7 MOV A,#38H LCALL WRITE7705 MOV R7,#8READH:JB P3.3,$ CLR ACS CLR ASCLK MOV C,DATAP SETB ASCLK RLC A DJNZ R7,READH MOV r5,A SETB ASCLK SETB ACS MOV R7,#8DEADL:CLR ACS CLR ASCLK MOV C,DATAP SETB ASCLK RLC A DJNZ R7,DEADL MOV r6,A SETB ASCLK SETB ACS POP PSW POP 7 RETbcd:subb

24、 a,#0d0hmov a,r5subb a,#07hjc rrrmov 0b0h,#00mov 35h,#31mov 36h,#64sjmp dddmov 0b0h,#01rrr:mov 35h,#48mov 36h,#31ddd:;mov r6,90h;mov r5,91hMOV R1,#2FHMOV 50H,#27hMOV 51H,#10HMOV 40H,#0MOV 41H,#0SETB F0SETB 20HSETB 21HMOV R4,#16DD1:CLR CMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,40HRLC AMOV 40H,

25、AMOV A,41HRLC AMOV 41H,AMOV A,40HSUBB A,51HMOV 43H,AMOV A,41HSUBB A,50HJC DD2INC R6MOV 41H,AMOV 40H,43HDD2:DJNZ R4,DD1 MOV A,R6MOV R1,AINC R1MOV R6,40HMOV R5,41H MOV 50H,#03HMOV 51H,#0E8H MOV R4,#16MOV 40H,#0MOV 41H,#0JBC F0,DD1MOV 50H,#0MOV 51H,#64H JBC 20H,DD1MOV 50H,#0MOV 51H,#10JBC 21H,DD1MOV 33

26、H,R6 mov a,r6 mov a,0b0h rrc a jc haofu mov 37h,2fh mov 3ch,33h mov 3bh,32h mov 3ah,31h mov 39h,30h mov 38h,#63 mov 3dh,35h mov 3eh,36h sjmp fanhaofu: mov 37h,30h mov 38h,31h mov 39h,32h mov 3ah,#63 mov 3bh,33h mov 3ch,#0 mov 3dh,35h mov 3eh,36hfan:retmm: mov 40h,#64 mov 41h,#64 mov 42h,#64 mov 43h,

27、#64 mov 44h,#64 mov 45h,#64 mov 46h,#64 mov 47h,#64 mov 48h,#64 mov 49h,#64 mov 4ah,#64 mov 4bh,#64 mov 4ch,#64 mov 4dh,#64 mov 4eh,#64 mov 4fh,#64 mov 2fh,#64 mov 30h,#64 mov 31h,#64 mov 32h,#11 mov 33h,#40 mov 34h,#60 mov 35h,#50 mov 36h,#49 mov 37h,#39 mov 38h,#64 mov 39h,#36 mov 3ah,#53 mov 3bh,

28、#40 mov 3ch,#36 mov 3dh,#65 mov 3eh,#64 ljmp huanyingchuli:mov a,r6add a,35hmov r6,amov a,r5addc a,36hmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,amov a,r6add a,37hmov r6,amov a,r5addc a,38hmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,amov a,r6add a,39hmov r6,amov a,r5addc a,3ahmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,aclr aaddc a,r4clr cmov

29、 r4,amov a,r4rrc amov r4,amov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r4rrc amov r4,amov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r4rrc aclr cmov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r5subb a,#125jnc jjretjj:ljmp mmyan10:mov r0,#250iiii: mov r1,#40hhhh: mov r2,#100 djnz r2,$ djnz r1,hhhh djnz r0,iiii retTAB