1青岛农业大学青岛农业大学第五届电子设计大赛设计方案第五届电子设计大赛设计方案项 目 名 称： 基于单片机数字电压表设计 参 赛 成 员：陈昌栋 通信 09 级 2 班 15264246818 丁胜朋 通信 09 级 2 班 15275267973 张艳敏 通信 09 级 2 班 13573297965 2基于单片机的数字电压表基于单片机的数字电压表 摘要：摘要：本文介绍一种基于 STC89C52 单片机的一种电压测量电路,该电路采用运放 OP07 高精 度、逐步逼近 A/D 转换电路，测量范围直流 0-2000 伏，使用 LCD 液晶模块显示，可以与 PC 机 进行串行通信。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了逐步逼近电路的原理， STC89C52 的特点，AD0804 的功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。 关键词关键词：电压测量，运放 OP07，逐步逼近式 A/D 转换器，12864 液晶模块 1 1前言前言 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，由精度高、抗干扰能力 强，可扩展性强、集成方便，还可与 PC 进行实时通信。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。本章重点介绍单片 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 2系统原理及基本框图系统原理及基本框图2.12.1 单片机部分单片机部分 由于单片机在整个设计中占据着重要的地方，首先介绍一下单片机的相关知识。单片机 STC89C52 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要。8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加 以说明： 中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据 或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操 作。 数据存储器(RAM)8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄 存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用 的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 8051 内部结构如图 1 所示：3图图 1 1 80518051 内部结构内部结构 程序存储器(ROM)： 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM)： 8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口： 8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步 通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统： 8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同 的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 时钟电路： 8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需 外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构， 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿 (Princeton)结构。INTEL 的 MCS-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图 2 所示：4图图 2 2 MCS-51MCS-51 结构框图结构框图 MCS-51 的引脚说明： MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们 的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： MCS-51 的引脚说明： MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，图 3 是它们 的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：5图图 3 3 5151 单片机引脚图单片机引脚图 Pin9:RESET/Vpd 复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24 个 时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC 指向 0000H，P0-P3 输出口 全部为高电平，堆栈指针写入 07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET 由高电平下降为低电平后， 系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态， 8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/Vpd 还是一复用脚， Vcc 掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。其复位电路如图 4 所 示：图图 4 4 复位电路图复位电路图 Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问 内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是 否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个 脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。 Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上，由 CPU 读入并执行。6Pin31:EA/Vpp 程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器， 当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取 外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部 无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。 2.22.2 电平测量的电路设计电平测量的电路设计 该方案要求的测量信号电平的动态范围大（0.0014.99Vrms），频带宽（20Hz0.2MHz）,电 压测量误差为土（3%读数+2 个字）。由上对 AD637 性能分析，系统应采用电压输出方式，不宜采 用直接 dB 输出方式，并应具备输如信号增益调节环节，以保证信号电平的动态范围及精度。电平 测量的原理框图如图 5 所示：可变增益放大 器AD637模/数转 换MPU信号输入图图 5 5 电平（电压）测量原理框图电平（电压）测量原理框图 下面是对各框图的解说： （1）可变增益放大电路的设计 由于最小输入信号为毫伏级，系统要求具有输入阻抗变换功能，可变增益放大电路可采用射 随器加可变增益放大器的结构形式。由于大多数 AD 变换器的满刻度输出为 5V，增益变换档位应为 5V、1V、100mV 和 10mV4 个档位。经实际测量，AD637 在输入信号为 2MHz 以下，信号有效值为 0.77Vrms 范围内能保证无误，当输入电压为 200mVrms 时，频率上限高达 600kHz，考虑到芯片供 电与输入电压的关系， AD673 输入信号幅度范围选取 0.22V。所以该可变增益放大电路可采用电 阻网络衰减器和固定增益放大器相串联形式，放大器增益不小于 200，上述档位对应的衰减器衰减 量分别为 0.001 倍、0.01 倍、0.1 倍和 1 倍。 射随器应选择单位增益带宽大于 0.6MHz，输入失调电压、失调电流小的运放芯片，可选择 OP07 单运放芯片。其在土 15V 供电时，输入失调电压的典型值和最大值分别为 20UF 和 75UF；输 入偏置电流的典型值和最大值分别为 6NA 和 12NA；增益带宽积大于 0.6MHZ，完全满足设计精度要 求。 由于放大器增益至少应大于 200，放大器芯片的选择主要考虑输入失调电压、电流和增益带宽 参数，选择 OP07 芯片。其开环在 1MHZ 时可达 50DB，输入失调电压典型值为 35UV，失调电流典型 值 50NA，满足设计要求。 可变增益放器电路的电路图如图 6 所示。待测电信号由 J1 输入电路，从 TESTV 输出。放大电 路输入阻抗变换采用拨码开关 S2 完成。档位选择采用模拟开关芯片 CD4052。，MPU 根据采样获得 的测量值大小，自动完成档位转换。档位在 10V 时，输入信号首先经 R14、R15 衰减 0.1 倍，经射 随器后在衰减 0.01 倍，由 CD4052BE 切换至 200 倍放大器 U4。由电路图可知，流经所有芯片的信号 峰值均小于 2V，使整个电路可采用土 5V 电源供电，既简化了整个系统的电源设计，又兼容了后继 处理电路的要求。7图图 6 6 可变增益放大电路可变增益放大电路 2.32.3 有效测量电路的设计有效测量电路的设计 有效测量电路由有效测量芯片 AD637 和 A/D 转换芯片 ADC0804 组成。有效值测量芯片采用后 置二阶滤波连接方式，其中的 CAV（C1）取值为 1UF 时满足信号在 20H1MHZ 频带范围内的测量精 度要求，此时测量时间为 365MS，此时间参数可作为采样周期的参考值。在该电路中，由于 AD637 输出的最小电压幅度为 200MV，A/D 转换精度应大于 8BITS 方能在 A/D 转换的参考电压为 5V 时满 足系统测量误差小于 3%的要求。因本系统对 A/D 转化的采样频率要求高，A/D 转换芯片可采用并 行输出方式，本电路采用具有 8BITS 换精度的 ADC0804 芯片。由于 AD637 输出的最大电压幅度为 2V，A/D 转换器的参考电压至少应为 5V，选用+5V 电源作为参考电压，完全满足系统精度及 AD7920 供电要求。 电平测量的完整电路图如图 7 所示。图图 7 7 有效值测量电路有效值测量电路82.42.4 A/DA/D 转换电路的设计转换电路的设计 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用逐 步逼近式 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，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