【文章內(nèi)容簡介】 有低 阻抗 。 2)輸入值量程判斷器應具備對最大量程的上限和最小量程的下限的判斷 力 。 由于被測范圍較大，因此既要求在高待測量值輸入時不對小量程電路造成沖擊，又要求在超量 10 程值時對檔位轉(zhuǎn)換電路進行關斷 。 當輸入量低于表內(nèi)的測量精度時，也要求將檔位選擇器關斷 。 否則，當測量儀表斷開時，沒有輸入量，而輸入值量程判斷器則認為此時的輸入量在最小量程的檔位上，當儀表接通待測量時，待測量大于最小量程檔位的范圍時，檔位選擇電路及其后級電路必定受到較大的沖擊。所以，輸入值量程判斷器不僅對是否超過最大量程能夠判斷，對是否小于最小量程的精度也有 判斷能力 。 3)電路安全要求。 在本設計中，利用傳輸?shù)难訒r，對檔位進行從關斷測量到最大量程檔位向低量程檔位逐級下降直至到適當檔位的轉(zhuǎn)換， 這樣就使得電路在測量完高待測后就能順利地進行對最低待測量的測量。 4)成本及功耗問題。 由于輸入值判斷器所判斷出的值不是用來測量，而是用于轉(zhuǎn)換量程檔位，所轉(zhuǎn)換 出的數(shù)值不需要十分精確，故其電路功耗可按儀表需要選擇適當?shù)男酒? （ 2） 電路設計的實現(xiàn) 1）量程判斷電路的設計 。 量程判斷電路框圖如圖 。輸入的被測量經(jīng)分壓電路分壓，并經(jīng)隔離電路后輸入電壓判斷電路， 再至檔位選擇器 。 圖 量程判斷電路框圖 單量程的量程判斷實現(xiàn)電路如圖 ： 圖 單量程判斷實現(xiàn)電路 電路中 Uin代表被測信號，電阻 R R2 組成分壓電路。 運放 A1組成隔離電路。 電壓判斷電路由電壓源 UEF2和運放 A3組成的單限電壓比較器實現(xiàn)。 該電壓比較器的閾值電壓 11 為 UT為： UT = （ R3/R4） * UREF (1) 電路下半部分與上半部分的結構和工作原理 相似。 不過，比較電壓由 A4 的反 相端輸入。 由 (1)式 可知，當跟隨器 A1的輸出大于 V 時，比較器 A3輸出高電平；當跟隨器 A2 的輸出小于 ，比較器 A4 輸出高電平；當 Uin V時，輸出為低電平。電路構成了一個窗口比較器。 量程判斷器的總電路如圖 。每個運放的輸入端都接有穩(wěn)壓管進行限壓，以保護運放。 圖中上半部分為檔位選擇電路，正負電壓都可由整流橋整流后送分壓電阻分壓， 下半部 分為輸入電壓的最小值判斷電路，對輸入被測量的有和無進行直接判斷。根據(jù)前級的分壓比可以求得，當被測的電壓值大于 小于 V時，輸出端 INH才輸出高電平。 2） 檔位選擇器 輸入值判斷器已經(jīng)把電壓信號分檔并轉(zhuǎn)換為高低電平的數(shù)字輸出值輸出． 檔位選擇器可根據(jù)輸入值判斷器所得結果來設計．輸入值判斷器的輸入端電壓與輸出端的真值表如表 1所示。 表 1中， 1表示高電平， 0表示低電平。由真值表的特性可知，檔位選擇可以用一個 8選 1模擬開關 CD4051完成。 CD4051主要由 8路 CMOS開關，譯碼電路和電平轉(zhuǎn)換電路 3部分組成，其工作原理是主要由控制端 A、 B、 C的不同的組合狀態(tài)來選通哪一路輸入作為輸出。其譯碼表如表 2所示。對照表 1和 表 2，可得出譯碼電路對各量程選擇的輸出端，從小到大分別為： Y0、 Y Y Y Y Y Y Y7。 圖 量程判斷器的總電路 12 表 真值表 表 譯碼表 輸入值 輸出值 A B C INH Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)芯片輸入、輸出 的引腳特性，其電路接線圖如圖 。 輸入信號分壓等變換后送入 CD4051的 X0X7， 8個通道。 其中 1個控制引腳： INH是 4051的禁止端，為低電平開啟， INH=1模擬開關被禁止工作， INH=0時，由 A、 B、 C上的信號來控制某一路的選通。 電路引腳中，若 A、 B、 C無輸入或懸空時， Y0輸出 1，控制檔位在最高量程電壓檔位上，起到保護電路的作用。 Ui 輸 出 ( ~ ) (~ 2V) (2~ 20V) (20~ 100V) (100~ 200V) (200~ 400V) (400~ 600V) (600~ 800V) (800~ 1000V) 1000V A 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 B 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 C 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 INH 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 檔位狀態(tài) 截止 ~ 2V 2~ 20V 20~ 100V 100~ 200V 200~ 400V 400~ 600V 600~ 800V 800~ 1000V 截止 13 圖 檔位判斷電路 3）量程自動選擇總電路根據(jù)上述研究，可 得量程自動轉(zhuǎn)換電路如圖 所示。 路中所用的基準電壓都是 2 V，可用同一直流電源提供。 穩(wěn)壓管均采用 2． 8 V 工作電壓的穩(wěn)壓管。 圖 量程自動選擇總電路 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 采用 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，采集信號由 INT0輸入；數(shù)字量輸出接至 CPU的 P1口；其 START與 ALE引腳接至 CPU的 ， OE引腳接至 CPU的 ， EOC引腳接至 CPU的 ； A、 B、 C三位地址線共同接地，表示對 INT0的輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 在 INT0的輸入端口接一選 14 擇開關電路，用以判斷對電壓測量還是對電流測量 。 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3 位地址 ，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D轉(zhuǎn)換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當 OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 主要特性 1） 8 路 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時間為 100μs 。 4）單個＋ 5V 電源供電 。 5）模擬輸入電 壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 。 7）低功耗，約 15mW。 外部特性（引腳功能） ADC0809 芯片有 28個 引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功 能如下 ： IN0IN7： 8 路模擬量輸入端。 D0D7： 8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。 ALE：地址鎖存允許信號 。高電平時，把三位地址信號送入地址鎖存器，經(jīng)譯碼選擇相應的模擬 輸入 通道 ， 使用時，該信號可以和 STARE 信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。 高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結束信號 輸出端口， 轉(zhuǎn)換期間一直為低電平 。 當 A/D 轉(zhuǎn)換結束時，此端輸出一個高電平 （有效）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號輸入 端口 ，高電平有效。當 A/D 轉(zhuǎn)換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準電壓。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 15 顯示模塊 （ 1） 數(shù)碼管的選取 LED（發(fā)光二極管），它是一種由某些特殊的半導體材料制作成的 PN 結。其發(fā)光強度與其正向壓降 VF和電流 IF 的乘積有關，其乘積越大，則發(fā)光強度越大。工作電流一般在 5MA~20MA。從系統(tǒng)整體考慮，選用的是 LDS5101BH 型七段 LED 數(shù)碼管。 （ 2） 驅(qū)動芯片 選用 74LS164 芯片。 74LS164 是串行輸入 /8位并行輸出的移位寄存器。每片 74LS164有兩個串行數(shù)據(jù)輸入端和一個同步移位脈沖輸入端，以及 8 個并行輸出口。時鐘 CLK 端上每一個上升沿都會使該芯片的 8 位數(shù)據(jù)輸 出右移一位。 顯示模塊總體原理圖如圖 所示： 圖 顯示模塊原理圖 通信模塊 （ 1） 單片機與 PC機通信的概述 在實際應用中，因為單片機功能有限，因而在較大的測控系統(tǒng)中，常常把單片機應用系統(tǒng)作為前端機（也稱為下位機或從機）直接用于控制對象的數(shù)據(jù)采集與控制，而把PC機作為中央處理機（也稱為上位機或主機）用于數(shù)據(jù)處理和對下位機的監(jiān)控管理。它們之間的信息交換主要是采用串行通信，此時單片機可直接采用串行接口，而 PC機可利用其配置的 8250或 825 16450等可編程串行接口芯片。實現(xiàn)單片 機與 PC機串行通信的關鍵是在通信協(xié)議的約定上要一致，例如，應設定相同的波特率及幀格式等。在正式工作之前，雙方應先互發(fā)聯(lián)絡信號，以確保通信收發(fā)數(shù)據(jù)的準確性。 （ 2） 本設計的通信 16 串行通信采用 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，可將單片機的 TTL電平轉(zhuǎn)換為 PC機的串口電平。使單片機的 TTL電平與 RS232的電平實現(xiàn)匹配。 RS232使用 3~25V，表示數(shù)字 1； 3~25V表示數(shù)字 0。 RS232在空閑時處于邏輯“ 1”狀態(tài)，在開始傳送時，首先產(chǎn)生一個起始位，起始位為一個寬度的邏輯“ 0”，緊隨其后的為所需要傳送的數(shù)據(jù)，所要傳 送的數(shù)據(jù)由最低位開始依次送出，并以一個結束位標志該字節(jié)傳送結束，結束位為一個寬度的邏輯“ 1”狀態(tài)。單片機與 PC機的通信連接圖如圖 ，下位機（單片機）將接收的數(shù)據(jù)從串行口 、 ，上位機接收到數(shù)據(jù)后在屏幕上進行顯示。 圖 單片機與 PC機通信連接圖 電源部分 單片機電源采用自制 +5V電源供電。其原理圖如圖 圖 電源電路圖 17 4 系統(tǒng)的軟件設計 軟件的總體設計原理 系統(tǒng)上電后，初始化程序包括對各種參數(shù)進行初始化、清零以及一些端口屬性的設定，開始進行量程判斷，再調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序，對輸入信號進行 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結束，為提高測量精度，系統(tǒng)對輸入電壓連續(xù)采集 10 次進行滑動平均值濾波處理，其結果作為對應的電壓值。再調(diào)用 LED 顯示子程序，顯示所測量的電壓或電流 值，最后調(diào)