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。

图4 电源电路将220V/50Hz交流电经过变压器将其变为低压交流电压，低压电压经过桥式全波整流变成直流电压，再经过双T电容滤波加集成稳压芯片（7805和7905）最终变成稳定的±5V直流电压。

本电路还设计电路保护和电源指示灯。

本系统中采用了桥式整流电路，如图7所示，为了减小纹波以及消除高频谐波电路中加入了电容滤波。

式中：△Tm为相邻两次采样的时间间隔；um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为一个周期的采样点数。

若相邻两采样的时间间隔相等，即△Tm为常数△T，考虑到N=(T／△T)+1，则有：根据式(2)可以由一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号的有效值。

3.缓冲保护电路（1）电压衰减电压信号衰减电路如图所示。

为了在输入大电压时不损坏电压表内部器件先对电压进行衰减，该设计中用阻抗进行1：100衰减，为防止衰减后信号电压过小又通过运算放大电路以及多路开关CD4052进行信号放大，其中的5.1 V稳压管起过压保护作用。

图5 电压衰减电路（2）缓冲电路在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。

通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。

器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。

开关损耗会导致器件的发热甚至损坏，对于功率晶体管(GTR),还可能导致器件的二次击穿。

实际电力电子电路中，还常由于二极管、晶闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流，由于感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的感应电压。

采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件。

缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。

图示以GTO为例的一种简单的缓冲电路。

其中L与GTO串联,以抑制GTO导通时的电流上升率d I/d t,电容C和二极管D 组成关断吸收电路，抑制当GTO关断时端电压的上升率d V/d t，其中电阻R为电容C提供了放电通路。

缓冲电路有多种形式，以适用于不同的器件和不同的电路。

图6 缓冲电路4.交直流转换电路本设计采用交流直流转换芯片AD632完成交直流转化。

AD637在AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽。

对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD637还具有电源自动关断功能，使得静态电流从3mA降至45µA.，可以测出任意波形交变信号的有效值，实验数据表明，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V～4V范围内能保证测量误差.AD637的真值-有效值转换电路设计如下：图7 交直流转换电路5.A/D转换电路（1）出于精度及经济性考虑，本设计采用MC14433作为A/D转换器。

在数字仪表中，MC14433 电路是一个低功耗位双积分式A／D 转换器。

和其它典型的双积分A/D 转换器类似，MC14433A／D 转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。

如果必要设计应用者可参考相关参考书。

使用MC14433 时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI 和自动调零补偿电容C0)就能执行位的A／D 转换。

MC14433 内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360kΩ时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ时，振荡频率为50kHz 。

若采用外时钟频率。

则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10 脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO( 原文资料为CLKO)(11 脚)处获得。

MC14433 内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时，输出过量程标志OR（低有效）。

MC14433 是双斜率双积分A／D 转换器，采用电压—时间间隔(V／T) 方式，通过先后对被测模拟量电压UX 和基准电压VREF 的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

MC14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。

MC14433／D 转换周期约需16000 个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3 次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4 次。

（2）MC14433引脚功能MC14433 采用24 引线双列直插式封装，外引线排列，参考图1 的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：图8 MC14433管脚分布图(1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX 和基准电压VREF 的参考点地。