高精度高自动化电压数据采集系统实现方案

青岛农业大学大学生创新教育立项方案项目名称高精度高自动化电压数据采集系统申请人陈昌栋专业班级通信工程09级2班指导教师李言照李吉忠申请日期 2011 年 10 月 28 日一、人员结构：项目人员情况项目主持人姓名性别年龄学院专业班级专长、发表文章及奖励承担的工作陈昌栋男22理学与信息科学学院通信工程09级2班曾获得全国大学生电子设计大赛山东赛区一等奖、第五届电子设计大赛一等奖、网页设计大赛三等奖、电脑知识竞赛三等奖。

精通电子系统设计，精通C语言编程、模拟电子设计和单片机系统设计。

系统整体设计整合，软件部分编程，电路设计,软件部分编程。

项目组主要成员姓名性别年龄学院专业班级专长、发表文章及奖励承担的工作丁胜朋男22理学与信息科学学院通信工程09级2班曾获得全国大学生电子设计大赛一等奖、第五届电子设计大赛一等奖。

精通C语言编程、模拟电子设计和单片机系统设计。

软件部分编程，系统组装实现。

指导教师情况姓名性别年龄学历学位职称学院研究方向李言照男52 硕士教授理学与信息科学学院主要从事计算机应用方面的教学与科研工作李吉忠男41 博士副教授理学与信息科学学院主要从事通信算法应用方面的教学与科研工作指导教师情况简介（包括专长、曾发表文章、奖励情况、指导学生情况等）：李言照，1960年6月出生，大连理工大学硕士研究生毕业，中共党员，教授。

中国计算机学会会员，青岛市计算机学会副秘书长。

青岛市计算机学会教育分会委员，嵌入式分会委员。

青岛农业大学理信学院总支书记，多次被评为“优秀教师”、“优秀共产党员”、“六和奖教金”等荣誉称号。

主要从事计算机应用方面的教学与科研工作，主持国家科技部项目1项，参加国家自然基金项目1项，主持或参加省级科研及教学课题8项，青岛市科研项目4项，目前在研课题经费80余万元。

主编全国高等农林院校十五规划教材1部，“十一五”规划教材2部。

获国家专利1项，软件著作权一项，农业部优秀教材2部，山东省优秀教学成果二等奖1项，山东省计算机应用优秀成果二等奖1项。

山东省教育厅优秀科研成果三等奖 1项，08年主持山东省科技攻关计划“县域土壤养分管理和施肥信息系统的开发与应用”鉴定达到国内领先水平。

发表论文40余篇。

参加工作以来，主讲过《微机原理及应用》、《微机接口原理及应用》、《计算机应用基础》、《PASCAL 程序设计》、《C语言程序设计》、《VB 程序设计》、《单片机原理》等课程。

李吉忠，1970年5月出生，北京邮电大学博士研究生毕业，副教授。

青岛农业大学理信学院通信工程教研室主任。

1.指导老师参加的科研项目1）参加了与GPSign公司合作项目“GSM-GPS混合定位系统的研究与开发”，负责研究定位算法，利用最优化理论中的Gauss-Newton法解算终端位置。

2）参加了与企业合作项目“移动通信系统中用户混合定位设备与系统研发”，整个混合定位系统采用AGPS（Assisted GPS）原理，负责其中定位算法仿真、测试与分析。

3）参加了863项目“时空混沌密码系统及其在通信中的应用（2001AA144130）”，负责采用语音编码与混沌加密结合。

4）参加了863项目“时空混沌密码系统及其在通信中的应用（2001AA144130）”，负责采用语音编码与混沌加密结合。

5）参加了国家自然科学基金“具有感知能力的自适应可重配置Ad hoc网络（60772109）”。

负责仿真分析部分。

2.已发表与本课题内容相关的科研论文[1]李吉忠, 武穆清. 三颗星的AGPS定位算法与实现. 电子科技大学学报，2010,39(3): 372-375,424. EI(20102613046058).[2]Jizhong Li. Two satellites positioning algorithm based on AGPSsystem with two clock bias. IEEE ICCET, Apr. 2010, vol.2, 416-419, EI(20104313316780).[3]Jizhong Li. Eliminating abnormal positioning bias withtranslation technology in AGPS method, IEEE ICCAE, Feb. 2010, vol.3, 570-574, EI(20102112955814).[4]Jizhong Li, Muqing Wu. The improvement of positioning accuracywith weighted least square based on SNR, IEEE WICOM, 2009.09, 6, 1-4, EI(20100112610354).[5]李吉忠, 武穆清, 李筱叶. 利用Marquardt算法进行两颗卫星的AGPS定位, 北京邮电大学学报, 2009.05,32(2),39-42, 61,EI(20092112090941).[6]Jizhong Li, Muqing Wu. A positioning algorithm of AGPS, IEEE ICSPS,2009.05, 385-388, EI(20094812496781).[7]Jizhong Li, Muqing Wu. A weighted model for improving thepositioning accuracy, IEEE ICSPS, 2009.05, 66-69, EI(20094812496719).[8]Jizhong Li, Muqing Wu. The positioning algorithm of two satellitesand its performance analysis, IEEE NSWCTC, 2009.04, 1, 83-86, EI(20093012206587).高精度高自动化电压数据采集系统摘要：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CD4052模拟电子开关自动选择量程，低温漂运放OP07放大信号，真有效值转换AD637，高精度、逐步逼近MAX197A/D 转换电路，无线传输NRF905，可进行远距离的数据传输，测量范围直流0-5伏，使用LCD液晶模块显示，可以与PC机进行串行通信。

以此研发出一套高电压数据采集系统，它包括是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、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采集仪，有精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便等特点。

通过无线传输可与上位机进行实时通信，数据采集后通过上位机软件与连接数据库对所采集数据进行分析处理。

在提高测量精度的同时，大大提高测量效率。

关键词：自动换量程，真有效值转换，逐步逼近式 AD转换器，无线传输，12864液晶显示一．前言数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术无线传输，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。

二．系统原理及基本框图系统整体框图如下：其中电压数据采集模块框图如下：1. 主控模块单片机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，所以整个系统我们采用STC89C52单片机作为主控模块。

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。

·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。

可变增益放大电路 AD637 模/数转MPU信号输入·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。

单片机引脚图2. 可变增益放大电路设计该方案要求的测量信号电平的动态范围大小为（0.001~4.99V），频带宽（20Hz~0.2MHz）,电压测量误差为土（3%读数+2个字）。

由以上分析，我们采用衰减电阻网络对信号进行衰减，低温漂放大器OP07对信号进行放大，采用CD4051模拟电子开关，以实现增益放大的可变，即测量量程的自动更换。

由于最小输入信号为毫伏级，我们采用两级放大，但系统要求输入阻抗比较大，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，但是加入射极跟随器，严重限制了输入信号的动态范围，即通频带变小，所以我们决定不采用加入设计跟随器的方案，而是增大电路的输入电阻，在第一级运放的反相输入端电阻为500k，增益为20，第二级增益为50。