双积分数字直流电压表

积分式直流数字电压表摘要本双积分电压表系统以89C51单片机为核心、以分立元件制作的双积分型A/D转换器为主要部件的4位半积分式数字直流电压表,并对所设计的电压表进行了测试,结果测量误差≤±0.03%,精度达到4位半。实现了自动量程转换功能,自动调零功能，有很好的实际应用价值。关键词：单片机，双积分A/D转换器，自动调零，自动转换量程目录1方案论证与比较.........................................................................................................................11.1信号调理................................................................................................................................11.2处理器的选择与比较.........................................................................................................11.3积分器的选择与比较.........................................................................................................12系统设计.....................................................................................................................................22.1总体设计.............................................................................................................................22.2单元电路设计.....................................................................................................................32.2.1信号调理调理电路.......................................................................................................32.2.2双积分电路设计...........................................................................................................42.2.3基准源电路设计...........................................................................................................43软件设计.....................................................................................................................................54系统测试....................................................................................................................................55结论.............................................................................................................................................6参考文献：.......................................................................................................................................6附录：..............................................................................................................................................7附1：元器件明细表：................................................................................................................8附2：仪器设备清单....................................................................................................................8附3：电路图图纸........................................................................................................................9附4：程序清单方案论证与比较1.1.1信号调理比较与选择方案一、信号经过缓冲器提高输入阻抗后经过低通滤波器后，然后由模拟开关选择信号放大与不放大，当信号大于200mv时不放大，小于200mv时经过仪表放大器进行放大。方案二、信号经过电压分阻条统一衰减后经过缓冲器提高其负载能力，信号进行低通滤波器其截止频率在10HZ左后滤除高频噪声及干扰，然后经过低噪声，高精度运放放大。方案论证：方案一对不同信号进行放大其电路复杂，当测量多个量程时放大电路的增益不一样，需多个放大电路成本很高，且用仪表放大器价格过于昂贵。方案二通过统一衰减后在进行放大其电路简单调试方便。所以采用方案二。1.2处理器的比较与选择STC单片机所特有的在线下载功能和其他公司的单片机不同，不是利用SPI进行在线编程，而是利用IAP功能，在系统运行时编程，因此，可以通过串口来对单片机进行编程。其电路极为简单，只要所使用的单片机系统具有232串口通信功能即可。.工作宽温度范围,-40℃~85℃,在系统可编程,无需编程器,可远程升级,抗干扰强.价格低廉,所以采用了STC单片机.1.3积分器比较与选择方案一、采用双极性运放UA741，UA741为通用运放价格便宜，容易购买。积分电容选择胆电容进行积分。方案二、采用FET运放TL062，其漏电流小，电容选择独石电容。方案论证：方案一ua741器基集电流大，失调电流大对积分产生影响，且胆电容的漏电流大也对积分产生一定影响，而方案二TL062为FET型输入阻抗高基集电流小且独石电容漏电流小。所以才用方案二。2系统设计2.1总体设计本设计基于STC89C51单片机的4位半积分式直流数字电压表设计的设计思路及实现方法。在设计中,充分利用了89C51单片机内部的高速计数器和以分立元件组成的双积分型A/D转换器的优良特性,使整个设计达到了比较满意的效果。硬件设计主要有双电源电路、信号采集电路、量程转换电路、开关逻辑控制电路、积分比较与自动回零电路、单片机系统、显示电路组成。软件编程采用模块化结构,主要有时序子程序,系数运算子程序,BCD码转换子程序,自动量程转换子程序,显示子程序等组成。信号经过电阻分压器统一衰减后，经过运放缓冲后在经过高精度，低噪声，失调电压小的运放OP37放大，开始先对信号进行积分，后开始对基准源进行反积分，然后经过单片机运算处理后有单片机显示。信号衰减选择放大基准源VREF逻辑选择积分比较和自动调零单片机处理液晶显示电源200mv比较器量程转换图一2.2单元电路设计2.2.1信号调理调理电路D1231S1SW-SPDTR19MR21MGNDVIOUT11IN1-2IN1+3VEE4IN2+5IN2-6OUT27VCC8U1TL062VCCR310MGNDVOS1IN-2IN+3VS-4N.C5Vout6VS+7VOS8U2OP071KR58.1KR61kGNDR810KR72KVCCR44.7kC13.3UFOUT2D2VCCGNDVEEVEE图二信号经过电压分阻条统一衰减后经过缓冲器提高其负载能力，信号进行低通滤波器其截止频率在10HZ左后滤除高频噪声及干扰，然后经过低噪声，高精度运放放大。放大倍数可有可变电阻进行调整补偿。2.2.2双积分电路设计OUT11IN1-2IN1+3VEE4IN2+5IN2-6OUT27VCC8U3TL062VCCVCCOUT24K7R9100KC20.1UFGNDOUTA1IN1-2IN1+3GND4IN2+5IN2-6OUTB7VCC8U4LM393GNDVCCS2OUT3231S3SW-SPDTREF图三单片机通过对开关逻辑控制电路来控制双积分A/D转换,单片机先控制开关逻辑控制电路使s2接通进行自动回零,接着OUT2接通将待测电压进行正积分,再使Vref接通对反积分基准电压进行反积分,同时单片机内部计数器开始计数,到一定时间后比较电路中的比较电路输出中断信号,单片机停止计数并将计数值滤波,通过减法、乘法和除法的系数运算最后转换成BCD码,再通过显示电路将待测电压值显示出来。A/D转换是在单片机和开关逻辑控制电路的控制下有条不紊地进行,全部过程可分三个阶段:(1)正积分:也称信号采集阶段。在这个阶段,通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对检测电压out2积分。积分器的输出电压随时间线性地增加。正积分时间由单片机控制,定时为T1,在T1结束时积分器的输出电压为:Vout(T1)=-1／C2*R9∫out2(公式一)(2)反积分:也称计数阶段。在这个阶段,通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对基准电压ref积分。经过T2时间后回到0,Vout2（T2）=Vout1+1／C2*R9∫Vref(公式二)T2=out2*T1/T2(公式三)由此可以看出T2的大小取决于输入待测电压Vx的大小。(3)自动回零:也称复位阶段,在该阶段,因反积分使比较器输出由高电平变成低电平,再由单片机控制开关逻辑控制电路动作,使VA导通,使得积分电容充分放大。2.2.3基准电压电路设计R11R102000.1uFC3OUT11IN1-2IN1+3VEE4IN2+5IN2-6OUT27VCC8U6TL062DZ?TL431GNDR1310kR122KVEEC410UFREF图四负电源电压采用高精度可编程稳压器件TL431产生，然后进过电源滤波。在经过缓冲器进行隔离，以免后级电路对基准源产生负载影响，影响基准源的精度。3软件设计控制芯片为STC89C52,由于处理器速度较快,所以采用c语言编程方便简单.软件流程如图下开始初始化自动调零比较器低电平否N定时60ms正向积分Y方向积分比较器低电平否停止积分系统运算显示结束量程转换电压表主流程图4系统测试电压测试数据（室温条件下）标准电压值自动量程选择实测电压值误差/﹪1.000mV200mV档01.00mV050.000mV200mV档50.00mV0120.000mV档200mV120.01mV0.008199.990mV档20