基于单片机的单通道模拟电压测量系统设计 摘要：本文介绍一种基于AT89S52单片机的一种电压测量系统,该系统采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路，测量直流电压范围0-200伏，使用LCD液晶模块显示。介绍了双积分电路的原理，AT89S52的特点，ICL7135的功能和应用，模拟开关CD4052的功能和应用，14位二进制串行计数/ 分频器的功能和应用，LCD1601的功能和应用等，并给出了系统的各部分电路。关键词：数字电压表；ICL7135；1601液晶模块；AT89S52单片机Abstract: The paper introduces a voltage measurement s-ystem based on AT89S52 MCU, in which ICL7135 high preci-sion, dual-integration A/D conversion circuits and LCD display are used. The DC measuring range of the system is 0-200 volts. The paper also introduces the principle of dual-integration circuit, the function and application of CD4052, LCD1601 and 14-bit serial counter/divider. The part circuits of the system are presented as well. Key Words : Digital Voltmeter；ICL7135；LCD1601；AT89S521引言数字电压表（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需求，采用单片机的数字电压表，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，显示出强大的生命力。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。 2 硬件设计 1 2 3模拟开关档位切换A/D转换AT89S52单片机LCD显示输入电路图1系统基本方框图 总电路原理图见附录一。硬件电路由输入电路、档位切换电路、A/D转换电路、AT89S52单片机，以及LCD液晶显示电路等几个部分组成。如图1所示，模拟电压经过模拟开关档位切换到不同的分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。处理后的数据送到LCD中显示，显示当前测量的电压值。以下对这几个电路逐一进行介绍。2.1 输入电路4、5输入电路的作用是把不同量程的被测电压规范到A/D转换器所要求的电压值。智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要求输入电压0-2V。本系统设计是0-200V电压，灵敏度高，所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图2所示90K、9K、和1K电阻构成1/10、1/100的衰减器。衰减输入电路可由模拟开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。2.2 量程选择电路的设计5CD4052的引脚功能见图3。CD4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定。其真值表见表1。 图图3 CD4052的管脚图图图2衰减输入电路表1 CD4052的真值表输入状态接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1均不接通2.3 A/D 转换电路的设计模拟数字转换器A/D芯片是任何数据采集系统的核心，它将连续模拟变量形式的数据变换成一种适合于数字处理的分离二进制代码。整个转换过程一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。 常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、 -调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点: 逐次逼近型(如TLC0831) AD转换器由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辨率( 12位)时价格很高。 并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) AD转换器采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称Flash型。由于转换速率极高, n位的转换需要2n - 1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD 转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n /2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Half flash型。 压频变换型(如AD650) AD转换器是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。积分型(如ILC7135) AD转换器是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。ICL7135AD转换具有自动校零功能，自动较零准确性仅受系统噪声影响，且偏差小于10V；有超量程(over)和欠量程(under)信号，容易实现量程自动转换；设有6个控制信号端、同时进行字位输出和BCD码输出，可与LCD译码驱动器及单片机接口，进行数据处理，构成智能化仪器；满量程为20000字，在20000汁数范围内准确度为1个字。本设计采用双积分ICL7135 A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，价格低廉，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。比较以上这四种AD转换器的性能特点，综合考虑各方面的条件和本系统要实现的指标，本系统设计采用的就是双积分A/D 转换器ICL7135。2.3.1双积A/D 转换器的工作原理双积分型A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。图4双积分A/D 转换器的内部原理图5双积分A/D 转换器的时序图 显示电压数据 如图4所示，对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压，接着对基准电压进行同样的处理，直至积分输出返回到起始值。双积分A/D 转换器的时序图如图5所示。在常用的A/D转换芯片（如ADC -0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分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。本系统介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表的设计方案。2.3.2 ICL7135的应用 ICL7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表。 （1）ICL7135主要特点如下 6 7双积型A/D转换器，转换速度慢。在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。在20000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字相当于14bitA/D转换器。 具有自动极性转换功能。能在单极性参考电压下对双极性模拟输入电压进行A/D转换，模拟电压的范围为01.9999V。 模拟输入可以是差动信号，输入电阻极高，输入电流典型值1PA。 所有输出端和TTL电路相容。有过量程（OVER）和欠量程（UNDER）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。输出为动态扫描BCD码。对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSY,STB,POL,OVER,UNDER),因此除用于数字电压表外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。采用28外引线双列直插式封装。 （2） ICL7135数字部分9数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。ICL7135一次A/D转换周期分为四个阶段：自动调零（AUTO-ZERO）；信号积分（SINGAL-INTEGRATE）；基准电压反积分（去积分）；积分回零（ZERO-INTEGRATE）。具体内部转换过程如下几个步骤：AUTO-ZERO（自动调零）在该相时，内部IN+和IN-输入与引脚断开，且在内部连接到ANLG-COMMON，基准电容被充电至基准电压，系统接成闭环并为自动调零（AUTOZERO）电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。此时，自动调零精度令受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于10V。SINGAL-INTEGRATE（信号积分）相在该相，自动调零环路被打开，内部的IN+和IN-输入被连接至外部引脚。在固定的时间周期内，这些输入端之间的差分电压被积分。当输入信号相对于转换器电源不反相（NO-RETURN）时，IN-可直接连接至ANJG-COMMON以便输出正确的共模电压。同时，在这一相完成的基础上，输入信号的极性将被系统所记录。 DEINTEGRATE（去积分）相该相的基准用于完成去积分任务，此时内部IN-在内部连接ANLG-COMMON，IN+跨接至先前已充电的基准电容，所记录的输入信号的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。ZERO-INTEGRATE（积分器返回零）相内部的IN-连接到ANLG-COMMON，系统接成闭环以使积分器输出返回到零。通常这相需要100200个时钟脉冲，但是在超范围（OVER）转换后，则需要6200个脉冲。在Signal-Integrate（即信号积分）相开始时，ICL7135的BUSY信号线跳高并一直保持高电平，直到Deintegrate（去积分）相结束时才跳回低电平。在满量程情况下，这个区域中的最多脉冲个数为30002个。其中Deintegrate（去积分）相的脉冲个数反映了转换结果。对于不同模拟量输入，ICL7135的BUSY信号的高电平宽度也不同。（3）ICL7135引脚的使用 9ICL7135的外引线功能端排列如图6所示，具体各个引脚的功能使用