积分式直流数字电压表论文

积分式直流数字电压表（G题）摘要:此设计是基于AT89S52单片机和高精度A/D芯片ADC7705制作的积分式直流数字电压表，其中A/D为16位，精确度最高可达0.05mV，该型数字电压表测量电压类型是直流，测量范围是0～3V，分为0--200mV和200mV—3V 两个档位，量程可以自动转换。

整个电压表设计有精度高、电路简洁、布局合理等优点，并且具有适时自动校准功能，以适应周边环境变化。

在电压输入端，使用运算放大器作为输入缓冲级，因而具有输入电阻大，抗干扰能力强、线性度好等特点。

在电压采样方面，应用多次采集求平均值的方法以获得精度较高的采样值，再进行运算处理和显示。

显示部分选用了液晶显示屏，在达到5位数字显示的同时还可以显示单位等。

开机设有欢迎界面。

本电压表设计简洁，测量精度高，稳定性好，完全达到了题目基本部分和发挥部分要求。

一、设计方案与比较方案一: 使用ADC0809(8位并口)作为A/D，用AT89S52单片机进行数据处理，结果送给数码管显示出来。

输入部分直接使用电阻分压、阻容积分，再耦合到A/D转换。

此设计优点是电路简单、元器件少、编程容易。

但是做出的电压表精度不高，显示位数少，输入电阻小。

图1 方案一原理框图方案二: 在电压输入部分增加运算放大器作为输入缓冲，选用16位串口A/D 芯片ADC7705，AT89S52单片机，显示部分使用液晶屏幕。

此设计方案优点：测量精度大大提高，显示达到5位，输入电阻远远超过1M。

缺点：电路复杂、编程难度增大。

图2 方案二原理框图经过分析比较选用了方案二作为本次电压表的设计方案。

选用电压型运算放大器LF356作为输入缓冲，转换的电压经过积分后分压送至A/D，由A/D芯片对电压采样，数据送单片机处理后给液晶显示。

AT89S52单片机是目前使用最广泛的单片机种类，功能强大，价格便宜。

所以选用此单片机制作电压表。

显示部分选用液晶屏幕，减小电路板面积，提高分辨率。

二、电路结构与原理2.1系统原理方框图如图2所示，待测的电压由输入端的电压跟随运放电路转换成线性比例的模拟量，再对模拟电压进行积分处理和分压后送至A/D转换芯片，采样获得数据，经过单片机对数据进行运算处理后，由液晶显示出所测电压值。

输入部分分别串、并接入适当大小的阻容元件，减少工频干扰。

积分电路主要作用是抑制电压的波动，使得数据采集比较平稳，显示数值比较稳定。

双稳态开关电路是一个一键控制的开关电路，用于控制电压表的电源。

2.1.1 电压跟随电路运算放大器LF356具有良好电压线性放大效果，输入电阻大。

设计电路如下图所示。

通过调节可调电阻RB2的大小可改变运放的电压放大倍数，用于机械调零。

LF356的正输入端（3脚）作为电压输入端，并一电阻和电容接地。

图3 LF356电路2.1.2 A/D芯片基准电压A/D转换芯片的基准电压影响模数转换的结果，同时基准电压可用于系统自动校零，故其电压值要准确、稳定，选用了可微调稳压二极管LF336得到2.5V 电压，分压后获得1.225V基准电压。

图4 基准电压电路2.1.3 单片机最小系统电路和电源单片机和ADC7705要求工作电压为5V ，选用三端稳压管LF7805CV 把9V 电源稳压到5V ，由于单片机功率很小，所以稳压管无须加散热片。

图5 单片机最小系统电路2.1.4 积分电路由运算放大器LF356、可调电阻、耦合电容等元件组成(参见图3)，运放输出端由电容耦合到放大器的负输入端，再经过电阻接地，从而组成积分放大电路，放大输出电压经过电阻分压、电容积分后送A/D 。

放大器的放大倍数可通过调节负反馈电阻的大小改变，积分度可通过调整电容和接地电阻的大小改变。

2.1.5 A/D 采样电路A/D 采样电路是由芯片ADC7705、时钟电路、基准电压电路和相应阻容元件构成，时钟频率为4.0MHZ ，参考电压设为1.225V ，+5V 供电，如图6所示。

图6 A/D 采样电路2.1.6 双稳态开关电路分立元件构成的双稳态触发开关电路，可以由一个按键控制电源的开关，也可以由单片机发送触发电平关机，从而实现自动关机功能（长时间无操作关机）。

图7 双稳态开关电路2.2 系统设计总原理图积分式数字电压表设计总图(包括单片机最小系统电路、PC接口电路、A/D 接口电路、积分电路、开关电路和电源电路)，如附件一。

三、理论分析与计算3.1 电压表分辨率（A/D转换精度）ADC7705为16位数模转换芯片，每个单位量i=1/65535，基准电压为1.225V，每个单位量的电压量j=1.225V/65535，量程设计为0—3V，精确度可以计算为：ξ=3V/1.225V*j=3V/65535=0.000046V=0.046mV所以分辨率很高。

3.2 输入电阻电压型运放LF356的输入电阻为106MΩ，但是若直接作为输入接点，易受到感应电压等干扰，影响到测量结果。

解决的方法是并电阻接地，在无输入时把电位拉低，达到一定的抗干扰效果。

但并接的电阻的大小决定了电压表的输入电阻值，根据题目的要求，选取4MΩ。

3.3 误差分析本设计中A/D转换芯片工作原理是将Vref（参考电压）分成65536份，再将所测量的电压范围放大调节到0—Vref，其中Vref为A/D转换数据最大值。

Vref失准将影响电压表的准确度。

计算分析Vref偏差1mv时的测量误差λ，λ=（Un/ Vref）*（1mv/65536）*65536= （Un/ Vref）mV当Un=3V，Vref=1.225V，λ=2.45mV此误差可以通过调整Vref来减小，也可以调节输入电压的放大比例减小。

另外，在数据采样和处理时，使用单片机编程实现数据多次采集求平均值的方法，可以减小随机误差和电压波动引起的误差。

四、系统调试与程序结构4.1 电压表初始调试电压表电路板做完后要先进行初始调试后才可以使用，方法和步骤如下：(1) 测试电源：用电压表测试电路的电源输入电压是否正常，元件有无明显发热等现象。

(2) 用高精确度的电压表并接在参考电压端（ADC77059脚）检测电压，通过调节并接在稳压二极管LM336上的可调电阻，使Vref=1.225V。

(3) 将电压表的输入端和高精确度的电压表并接起来接到微调电源上(0-3v)，调节电源使输出电压为3.000V，再调节电压表上机械调零电位器，使液晶显示值和高精确度电压表一致。

4.2 单片机系统程序设计图如附件二所示，单片机开机后立即初始化程序，显示出漂亮的欢迎用户界面,接着把A/D采集进入单片机的数据,进行多次累加后求出平均值，从而使得采集的数据更加的精确,单机程序具有自动校准功能，可以自动调整数据输入的增益值，调整采集数据的线性度，极大的提高了A/D转化的线性度，从而进一步使得数据更加的准确度。

然后对数据进行判断后作出相应的处理，实现自动跳档功能和保护功能。

当数据小于200mV时，单片机跳到mV档，当数据大于200mv小于最大测试电压时,单片机又自动跳到V档进行显示, 当输入的电压大于测试的范围时显示超出范围界面提示用户，从而成功的实现了电压保护提示功能。

五、测试方案与测试结果下表为实际检测所得结果，本电压表面板上设有正负表笔接口，积分测试输出接口。

测试时需要有高精度台式万用表一块（NEC8050），可调直流电源，示波器和信号发生器等器件。

测试方案：设计制作的电压表并接在高精度台式万用表，选择精控微调电源，通过观察电压表的显示测试测量精度；使用万用表和简单电路（放大器内阻测试电路）测试电压表的输入内阻；使用信号发生器、直流电源、示波器等器件测试积分度和抗干扰能力。

六、结论本次设计与制作积分式直流数字电压表，设计合理，制作认真，较好地完成了题目的全部要求，并在显示位数、精度、内阻等方面超越了题目发挥部分的指标。

附件一：总原理图附图1 总原理图附件二：单片机原理框图附图2 单片机系统流程图附件三：总程序;模数定义RESETP EQU P3.5 ;复位ASCLK EQU P3.0 ;时钟ACS EQU P3.4 ;片选DINA EQU P3.1 ;写数据（输出）DATAP EQU P3.2 ;读数据(输入）;液晶引角定义rs bit p2.2 ;数据命令选择端（H/L)rw bit p2.1 ;读写控制（H/L)en bit p2.0 ;使能端org 0000hsetb 60hmov 40h,#64mov 41h,#64mov 42h,#64mov 43h,#64mov 44h,#64mov 45h,#64mov 46h,#64mov 47h,#64mov 48h,#64mov 49h,#64mov 4ah,#64mov 4bh,#64mov 4ch,#64mov 4dh,#64mov 4eh,#64mov 4fh,#64mov 2fh,#64mov 30h,#32mov 31h,#40mov 32h,#47mov 33h,#38mov 34h,#50mov 35h,#48mov 36h,#40mov 37h,#64mov 38h,#55mov 39h,#50mov 3ah,#64mov 3bh,#56mov 3dh,#40mov 3eh,#65lcall huanying nnn:lcall yan10 kaishi: lcall A_Dlcall READ7705mov 35h,r6mov 36h,r5lcall A_Dlcall READ7705mov 37h,r6mov 38h,r5lcall A_Dlcall READ7705mov 39h,r6mov 3ah,r5lcall A_Dlcall READ7705lcall chulilcall bcdmov 2fh,#31mov 30h,#50mov 31h,#47mov 32h,#55mov 33h,#36mov 34h,#42mov 35h,#40mov 36h,#62MOV 40H,#72MOV 41H,#72MOV 42H,#72MOV 43H,#72MOV 44H,#31MOV 45H,#50MOV 46H,#47MOV 47H,#55MOV 48H,#48MOV 49H,#40MOV 4aH,#55MOV 4bH,#40MOV 4cH,#53MOV 4dH,#72MOV 4fH,#72huanying:MOV R1,#40HMOV R7,#16main: clr en ;在第二行显示16个英文字母lcall lcdreset ;调用初始化程序mov r4 , #80hMAIN1: mov a , r4 ;第二行首地址lcall lcdwcMOV DPTR, #TABmov A,@R1MOVc A,@A+DPTRlcall LCDWdINC R1INC R4LCALL lcdwcnDJNZ R7,MAIN1MOV R4,#0C0HMOV R1,#2fHMOV R7,#16MAIN2: mov a , r4 ;第二行首地址lcall lcdwCMOV DPTR, #TABmov A,@R1MOVc A,@A+DPTRlcall LCDWdINC R1INC R4LCALL lcdwcnDJNZ R7,MAIN2jbc 60h, pppljmp kaishippp: ljmp nnnlcdreset: ;初始化程序lcall delay5 ;延时15MSlcall delay5lcall delay5mov a,#38h ;写指令，不检测忙信号lcall lcdwcnlcall delay5mov a,#38hlcall lcdwcnlcall delay5lcall lcdwcnmov a,#38hlcall lcdwcmov a,#08hlcall lcdwcmov a,#01hlcall lcdwcmov a,#06hlcall lcdwcmov a,#0chlcall lcdwcretlcdwc: call waitldle;检测忙信号lcdwcn: clr rs ;送控制字子程序clr rwsetb ennopnopmov p0,anopnopclr enretlcdwd: lcall waitldle ;写字符子程序setb rsclr rwsetb ennopnopnopmov p0,anopnopclr enretwaitldle: push accmov p0,#0ffhclr rssetb rwsetb ennopnopjb p0.7,$ ;为1，LCD控制器忙nopnopclr enpop accretdelay5: mov r5,#25 ;延时5MS子程序loop: mov r6,#100djnz r6,$djnz r5,loopretA_D:PUSH PSWPUSH APUSH 7CLR RESETPMOV R7,#15DJNZ R7,$SETB RESETPNOPINIT7705:MOV A,#20HLCALL WRITE7705MOV A,#00HLCALL WRITE7705MOV A,#10HLCALL WRITE7705MOV A,#44HLCALL WRITE7705SETB ASCLKSETB ACSPOP 7POP APOP PSWRETWRITE7705:PUSH PSWPUSH APUSH 7MOV R7,#8WRITE:CLR ACSCLR ASCLKRLC AMOV DINA,CSETB ASCLKDJNZ R7,WRITESETB ASCLKPOP 7POP APOP PSWRETREAD7705:PUSH PSWPUSH 7MOV A,#38HLCALL WRITE7705MOV R7,#8 READH:JB P3.3,$CLR ACSCLR ASCLKMOV C,DATAPSETB ASCLKRLC ADJNZ R7,READHMOV r5,ASETB ASCLKSETB ACSMOV R7,#8 DEADL:CLR ACSCLR ASCLKMOV C,DATAPSETB ASCLKRLC ADJNZ R7,DEADLMOV r6,ASETB ASCLKSETB ACSPOP PSWPOP 7RETbcd:subb a,#0d0hmov a,r5subb a,#07hjc rrrmov 0b0h,#00mov 35h,#31mov 36h,#64sjmp dddmov 0b0h,#01rrr:mov 35h,#48mov 36h,#31ddd:;mov r6,90h;mov r5,91hMOV R1,#2FHMOV 50H,#27hMOV 51H,#10HMOV 40H,#0MOV 41H,#0SETB F0SETB 20HSETB 21HMOV R4,#16DD1:CLR CMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,40HRLC AMOV 40H,AMOV A,41HRLC AMOV 41H,AMOV A,40HSUBB A,51HMOV 43H,AMOV A,41HSUBB A,50HJC DD2INC R6MOV 41H,AMOV 40H,43HDD2:DJNZ R4,DD1MOV A,R6MOV @R1,AINC R1MOV R6,40HMOV R5,41HMOV 50H,#03HMOV 51H,#0E8H MOV R4,#16MOV 40H,#0MOV 41H,#0JBC F0,DD1MOV 50H,#0MOV 51H,#64HJBC 20H,DD1MOV 50H,#0MOV 51H,#10JBC 21H,DD1MOV 33H,R6mov a,r6mov a,0b0hrrc ajc haofumov 37h,2fhmov 3ch,33hmov 3bh,32hmov 3ah,31hmov 39h,30hmov 38h,#63mov 3dh,35hmov 3eh,36hsjmp fan haofu: mov 37h,30hmov 38h,31hmov 39h,32hmov 3ah,#63mov 3bh,33hmov 3ch,#0mov 3dh,35hmov 3eh,36h fan:retmm: mov 40h,#64mov 41h,#64mov 42h,#64mov 43h,#64mov 44h,#64mov 45h,#64mov 46h,#64mov 47h,#64mov 48h,#64mov 49h,#64mov 4ah,#64mov 4bh,#64mov 4ch,#64mov 4dh,#64mov 4eh,#64mov 4fh,#64mov 2fh,#64mov 30h,#64mov 31h,#64mov 32h,#11mov 33h,#40mov 34h,#60mov 35h,#50mov 36h,#49mov 37h,#39mov 38h,#64mov 39h,#36mov 3ah,#53mov 3bh,#40mov 3ch,#36mov 3dh,#65mov 3eh,#64ljmp huanying chuli:mov a,r6add a,35hmov r6,amov a,r5addc a,36hmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,amov a,r6add a,37hmov r6,amov a,r5addc a,38hmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,amov a,r6add a,39hmov r6,amov a,r5addc a,3ahmov r5,aclr aaddc a,r4mov r4,aclr aaddc a,r4clr cmov r4,amov a,r4rrc amov r4,amov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r4rrc amov r4,amov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r4rrc aclr cmov a,r5rrc amov r5,amov a,r6rrc amov r6,amov a,r5subb a,#125jnc jjretjj:ljmp mmyan10:mov r0,#250 iiii: mov r1,#40hhhh: mov r2,#100djnz r2,$djnz r1,hhhhdjnz r0,iiiiretTAB:DB '0','1','2','3','4','5','6','7', DB '8','9','A','B','C','D','E','F',DB 'G','H','I','J','K','L','M','N',DB 'O','P','Q','R','S','T','U','V',DB 'W','S','Y','Z','a','b','c','d',DB 'e','f','g','h','i','j','k','l',DB 'm','n','o','p','q','r','s','t',DB 'u','v','w','s','y','z',':','.',DB ' ','!','@','#','$','%','^','&',DB '*','+','-','/','\',end。