智能仪器课程设计报告（初稿）.doc
智能仪器课程设计课程设计名称 3位半数字电压表 学生姓名、学号 谭彩铭0501170118 指导教师 牛国柱 2009-1-16课程设计要求设计一3位半直流数字电压表，满足以下要求1、 量程为20mV，200mV，2V，20V，200V，测量精度要求0.1%2、 3位半数码显示3、 工作状态显示4、 开机自检5、 配简单键盘，如量程切换6、 配微型打印机接口由实际操作中遇到的问题找解决方案实际搭建的数字电压表的量程为20mV，200mV，2V和8V，能完成量程的自动切换，并有各种量程状态以及超、欠量程的指示灯显示。原理图附录一所示。对应的完整汇编程序见附录三。1 原理图总体思路由于采用3位半AD转换器TC14433，提供的基准电压为2V，可测电压量程为2V，故大于2V的待测电压衰减后输入，小于2V的待测电压放大后输入。衰减和放大由51单片机控制控制模拟开关4051，4052来完成。调试当中，发现假设输入电压为负时，比例放大就不准确了，且相差较大，故又用运放和模拟开关搭建了一反相控制电路。原理图当中，U15为用OP07搭建的电压跟随器，用于增大输入阻抗，减小输出阻抗，以减少对待测电压的影响。U16为用OP07搭建的一反相器。U1用于假设发现待测电压为负，让待测电压反相后进入后续电路。U6作用同U15。U1用于控制是否将待测电压衰减1/4后进入后续电路。U4和U7用于控制是否对电压进行衰减以及衰减多少。U17作用同U15。U2为用MC1403搭建的2V电压源，用于输出较准确的电压源给TC14433作为基准电压。2 AD转换局部TC14433中，EOC与DU端相连，选择连续工作方式。EOC与51单片机的中端口0相连，由中断方式采集数据。中断0采集数据效劳子程序如图2所示。3 升降量程及量程状态指示灯显示程序控制升降量程即控制模拟开关4051和4052，是否对待测电压进行放大或衰减。如何有效的控制量程的自动转换是一较难点，尤其是保证程序的健壮性。程序中要求如果欠量程，就要升一级量程。假设原量程是2V量程，那么升一级量程后是8V量程。假设原量程是20mV，那么升一级量程后是200mV，等等，共有4中可能，当然较容易想到的是用4组判断语句来完成这个工作，加上欠量程的语句，共有8组判断语句，那程序的效率是不高的，尤其是当量程的选择更多时。故借用一内存单元2DH，如要升量程，即将2DH加1，要降量程，即将2DH减1，较重要的一点是，2DH内存单元在位寻址区，可以位寻址。如表1所示。是否在4种量程之外等待千位是否为负切换反相控制开关是否超欠量程采集千位等待百位采集百位等待十位采集十位等待个位采集个位超欠量程报警是超还是欠量程升一级量程降一级量程YNYNYN超欠图2 中断0采集数据效劳子程序表1PPP69H68H2DH欠量程4放大100倍20mV量程000010113放大10倍200mV量程100001102不放大不衰减2V量程010000011衰减1/48V量程011100000超量程-169H和68H为2DH内存单元中的低两位，分别记为M，N。这样P1口的控制就很容易用汇编语言实现了。4 电压测量精度问题虽然加了几个电压跟随器解决了模拟开关的输入阻抗问题，但是模拟开关4052存在导通电阻，该导通电阻在比例放大电路局部的干扰就比拟大了。如图3所示。图3 比例放大控制电路在4052中，Xn和X，Yn和Y之间相当于接一电阻Rx和Ry导通电阻，它的存在影响了比例放大系数。在放大10倍时，可以将R13阻值设为89.5k，在串接入1k的滑动变阻器，调节变阻器，可以使比例放大系数到达10。放大100倍时也是如此。但是放大1倍时，就不可能再接入滑动变阻器了，虽然将U4的6脚和U7的15脚相连，消除了Rx的影响，但是无法消除Ry的影响。解决方案之一是将U4改成反相比例放大电路，这样都可以接入滑动变阻器校准了。但是这样做的缺点可能存在两方面，一是滑动变阻器的阻值是否稳定，二是Rx和Ry的阻值是否稳定。故采用方案二可以很好的解决这个问题，如图4所示。图4 比例放大电路2中选通X0和Y0时，对应的等效电路如图5所示。图5 等效电路Rx和Ry为模拟开关4052的等效电阻。从图5中可知，U17搭建的电压跟随器具有高输入阻抗特性，几乎不受Ry的影响。另外，Rx的位置不影响比例系数。这样，只要R13，R11的阻值准确，可以使电压的比例放大系数趋于准确。对于AD转换器TC14433，其转换精度为读数的±0.05%±1字，满足测量精度要求。5 20V和100V量程的功能实现实际操作所搭建的电路如图1最大可以测量8V电压还需将图一中运放供电电压改接为±15V，为了可以测量更高的电压，需要做一些改良。改良后的电路原理图如附录二所示。6 输入过压保护电路输入过压保护电路如图7所示图6 过压保护电路当输入电压未衰减大于2.5V时，二极管D1导通；当输入电压小于-2.5V时，二极管D2导通；当输入电压在-2.5V到2.5V之间时，二极管D1和D2均不导通，此时U15为电压跟随器。当二极管D1导通时，利用叠加原理可得放大器输入端电压V为式1式中，为二极管导通压降。因和，所以式2当输入电压为1000V时，可限制在±4V左右的范围内。此时，流经电阻和二极管的电流约为10mA。当电阻功率不小于10W时，可保证在最大输入电压为1000V的情况下，电路可长期承受过载电压。这里，只要输入电压大于2.5V，过压保护电路的输出电压也会大于2.5V如式2所示，这样，51单片机就会输出过量程信号，这时需要手动波动三掷开关U1，经衰减后输入。7 自检与打印机接口自检的内容包括RAM的自诊断、ROM EPROM的自诊断、CPU的自诊断、I/O端口的自诊断、总线的自诊断和人机界面的自诊断。打印机可以选择串行输入型的，如选择并行输入型的需要接锁存器进行端口分时复用，或者接入串并转换电路。附录一 实际搭建的电路原理图附录二 改良后的电路原理图附录三 实际搭建的电路图对应的程序org 0000Hljmp mainorg 0003Hljmp adorg 0013Hljmp keyorg 0030Hmain:mov TCON,#00000101B;inpuse,to cause interruptionmov IE,#10000101B;enable interruptionmov R2,#01Hshow:jb 77H,S3ajmp S4S4:jb 74H,S1mov A,#11100000Bajmp S2S1:mov A,#11100001BS2:mov P2,Aacall delaymov R1,#2EHmov A,R1anl A,#00001111Borl A,#11010000Bmov P2,Aacall delaymov R1,#2FHmov A,R1swap Aanl A,#00001111Borl A,#10110000Bmov P2,Aacall delaymov A,R1anl A,#00001111Borl A,#01110000Bmov P2,Aacall delayajmp showajmp showajmp show;delay;delay:mov R3,#0FFHDL1:NOPNOPDJNZ R3,DL1ret;interruption 0,get the voltage;ad:mov A,P0jnb Acc.4,adjb Acc.2,PL1;if minus,PL1:jb Acc.0,PEr;if range not suitable,go to PErPL2:jb P1.2,PM1clr 77Hajmp PM2PM1:setb 77HPM2:jb Acc.3,PL3;kilobit,0 or 1setb 74Hajmp PL4PL3:clr 74HPL4:mov A,P0jnb Acc.5,PL4;wait for hundredmov R0,#2EHxchd A,R0;to the low hagh part of 2EHPL5:mov A,P0jnb Acc.6,PL5;wait for tenswap Ainc R0mov R0,A;to the high hagh part of 2FHPL6:mov A,P0jnb Acc.7,PL6xchd A,R0;to the low hagh part of 2FHretiPEr:jnb ACC.3,higherinc R2ajmp dealhigher: dec R2deal:mov 2DH,R2acall changereti;function to change the range;change: cjne R2,#-1H,cha1ajmp alarmcha1:cjne R2,#4H,cha2alarm:mov R2,#01Hretcha2:mov C,68Hanl C,69Hmov P1.0,Cmov P1.6,Cmov C,69Hcpl Cmov P1.1,Canl C,/68Hmov P1.3,Cmov P1.4,Ccjne R2,#2H,cha3retret;interruption 1，no use;retiend
