智能仪器课设报告

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

课程设计说明书（论文）

课程名称：智能仪器设计基础

设计题目：智能数字电压表的设计

院系：电气学院自动化测试与控制系

班级：0901103班

设计者：赵闯黄乐天谭智林杨鹏

学号：1090110304

指导教师：赵永平

设计时间： 2012.12.01至2011.12.31

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计任务书

目录

一．引言 (5)

二．设计要求 (5)

三．总体方案设计 (6)

1.采用译码芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示 (6)

2.采用AT89S51单片机作为主控芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示 (6)

3. 采用STM32单片机作为主控芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示 (7)

四．硬件电路设计 (7)

1.系统框图 (7)

2.电源电路 (7)

本电路主要功能是为芯片提供标准电压。 (7)

3.缓冲电路 (9)

4.交直流转换电路 (10)

5.A/D转换电路 (10)

6.量程转换及保护电路 (13)

7.主控模块 (14)

8.显示和远程接口模块 (15)

（1）显示模块 (15)

（2）远程接口模块 (15)

9.自检 (16)

五．软件设计 (16)

1．SYSTEM文件夹内的函数 (17)

（1）delay 函数 (17)

(2)sys文件夹 (20)

（3）usart文件夹 (20)

2.自检和滤波 (24)

3. A/D转换子程序 (25)

4.量程转换子程序 (26)

六．仿真结果 (26)

七．误差分析 (27)

八. 评价及心得 (28)

一．引言

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高。由于电压的测量最为普遍性，研究设计并提高电压测量精度的方法及仪器具有十分重要的意义。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用于电子和电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，具有极大的实用性和强大的生命力。以此为基础，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表（含数字万用表），也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

数字电压表（Digital Voltmeter）出现在上世纪50年代初，60年代末发张起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后通过显示器件显示。

传统的电压表功能单一、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，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。数字电压表的设计即将连续的模拟电压信号经过A/D 转换器转换成二进制数值，再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。

利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。方案的原理是模数（A/D)转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D)转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。二．设计要求

a. 功能描述

数字电压表可用于对交、直流电压的自动测量，要求具有开机自检、自动量程转换功能，克服随机误差的数字滤波功能，具有远程数据接口；仪器使用220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。

b. 主要技术指标

(1) 直流电压量程：200mV、2V、20V、200V；

(2) 交流电压量程：200mV、2V、20V、200V、750V；

(3) 测量误差：≤1%；

(4) 输入电阻：100KΩ；

(5) 显示方式：4位LED数码管显示被测电压值。

三．总体方案设计

1.采用译码芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示

本方案框图如下：

图1 方案1原理图

待测模拟信号经过前期处理后经过交直流转换电路讲交流信号转为直流电压。用A/D进行转换，将输出数字量经译码后显示出来。其中分压电路降低输入电压，是电压模拟值降低，降低了电压表超量程后烧坏的风险。

本方案的优点在于节省软件开发，降低了开发难度，同时开发成本较低。本方案的缺点在于硬件电路较为复杂，尤其是译码部分，可靠性，稳定性都不高，而且信号干扰比较大，输出量误差较大。

2.采用AT89S51单片机作为主控芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示

本方案框图如下：

图2 方案2原理图

待测模拟信号经过前期处理后经过交直流转换电路把交流信号转为直流电压。用A/D进行转换，输出的数字信号经过量程转换电路送到51单片机进行处理，经过相应的计算单片

机控制LED显示屏显示出待测电压。同时，用软件算法实现数字滤波。

本方案的优点在于采用了51单片机进行控制，开发难度相对较低，同时电路精度较高，较为稳定。缺点在于51单片机性能较其他型号微控制器较低，对于数字量变化不够敏感。

同时51单片机不支持CAN总线，SPI等通信协议，在实现远程数据接口时开发难度较大。

3. 采用STM32单片机作为主控芯片处理A/D转换电路输出信号控制显示

本方案与方案2基本相同，主控单片机芯片采用STM32单片机。本方案优点在于单片机性能优越，性价比高，处理速度加快，灵敏度变高。同时STM32有SPI接口，方便了接口通信功能。本方案不足之处在于开发难度加大。

综上所述，方案3能较好的完成设计要求，容易达到性能指标，稳定性高。故我们选用方案3作为本次设计的方案。

四．硬件电路设计

1.系统框图

图3 系统框图

2.电源电路

本电路主要功能是为芯片提供标准电压。