【文章內(nèi)容簡介】 電壓量，輸入 A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計(jì)算公式：U A/R1=Uin/Rx,推得：R x=R1* Uin/ UA。圖 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路圖 單片機(jī)控制與顯示電路AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷，2 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 如圖 ，單片機(jī)采用 12MHz時(shí)鐘晶振，LED 顯示電路采用共陽極動態(tài)法連接，占有 I/O接口少，連線較簡單。開關(guān) K1為功能選擇開關(guān)，K2 為量程選擇開關(guān)，K3 為選擇確認(rèn)開關(guān)（在讀數(shù)顯示時(shí)，K3 為數(shù)據(jù)顯示與單位顯示切換開關(guān)） 。開機(jī)自動復(fù)位。圖 單片機(jī)控制與顯示電路圖 自動量程轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用軟件來實(shí)現(xiàn)。通過單片機(jī)讀取 MC14433的數(shù)字信號來控制模擬開關(guān)，從而改變反饋電阻的大小實(shí)現(xiàn)檔位的不同選擇，能夠很容易滿足測量范圍的要求。此方案是電路比較簡單，實(shí)現(xiàn)也較容易。方案二：采用硬件實(shí)現(xiàn)。電路的核心是一塊雙向移位寄存器 CC40194，移位方向由MC14433過量程信號控制，并且還要外接一些數(shù)字電路才能實(shí)現(xiàn)換檔，電路比較復(fù)雜，不方便。鑒于此，故采用此方案一。第 4章 智能型數(shù)字式多用表軟件設(shè)計(jì) 程序流程圖程序的主要功能： 直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻測量對象切換功能； 手動量程和自動量程功能（超量程和欠量程判斷） ； 超量程指示功能； 數(shù)據(jù)顯示功能（十進(jìn)制數(shù)字形式，無效位消隱，小數(shù)點(diǎn)控制） ； 單位顯示功能(正負(fù)極,數(shù)據(jù)單位)。圖 程序流程圖 程序源代碼 見附錄 B。第 5章智能型數(shù)字式多用表系統(tǒng)測試 直流電壓測試測試方案：通過按鈕開關(guān)選擇直流電壓檔，由直流穩(wěn)壓源提供電壓進(jìn)行測量，然后由單片機(jī)顯示輸出。檔 位 輸入電壓 實(shí)際電壓 誤差(%)50 mV mV 200mV100 mV mV V V 2 V1 V V 5 V V 20 V10 V V 50 V V 200V100 V V 結(jié)果分析：%~+%范圍內(nèi)，在 200mV檔測量時(shí)，由于沒有精密電阻，實(shí)踐所用 1M歐電阻誤差較大，所以誤差較大。測量結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。 交流電壓測試測試方案：通過按鈕開關(guān)選擇交流電壓檔，由函數(shù)信號發(fā)生器提供一個(gè) 50赫茲左右的正弦交流電壓，輸入到交流端進(jìn)行測量。檔 位 輸入電壓 實(shí)際電壓 誤差(%)50mV mV 200mV100mV mV V 2 V V V 20 V V 輸入電壓頻率為:50Hz結(jié)果分析：交流電壓：~20V ，誤差177。2 %177。2 個(gè)字，滿足任務(wù)書的精度要求。 直流電流測試測試方案：通過按鈕開關(guān)選擇直流電流檔，由于實(shí)驗(yàn)室沒有直流電流源，我采用正 5 伏的穩(wěn)壓源，串聯(lián)不同的電阻來提供不同的待測電流。該電流的理論值，由電壓與電阻的比值計(jì)算得到。檔 位 輸入電流 實(shí)際電流 誤差(%) mA 2mA1mA mA 5mA mA 20mA10mA mA 結(jié)果分析：直流電流：0~20mA ，誤差 177。2 %177。2 個(gè)字，滿足任務(wù)書的精度要求。因?qū)嶒?yàn)室找不到電流轉(zhuǎn)電壓電路所需的 600 毫歐和 400 毫歐特殊精密電阻，實(shí)踐中沒有連接 200 毫安和 500 毫安檔位的測量電路。 電阻測試測試方案：通過按鈕開關(guān)選擇電阻檔，將待測電阻接入測量端，然后選擇合適的檔位進(jìn)行測量。檔 位 理想電阻值 測得的電阻值 誤差（%） kΩ 2kΩ1kΩ kΩ 5kΩ kΩ 20kΩ10kΩ kΩ 50kΩ kΩ 200kΩ100kΩ kΩ 500 MΩ MΩ 2MΩ1 MΩ MΩ 結(jié)果分析：電阻 0~ 2MΩ 比任務(wù)書的 0~ 200kΩ 多一個(gè)測量檔位，誤差177。3 %177。2 個(gè)字，滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)束語本系統(tǒng)完成了任務(wù)書的所有內(nèi)容，如下：測量對象、范圍及誤差范圍：電壓 DC：0~200V 誤差177。1 %177。2 個(gè)字AC：~20V 誤差 177。2 %177。2 個(gè)字 電流 DC：0~500mA 誤差177。2 %177。2 個(gè)字 電阻 0~200KΩ 誤差177。3 %177。2 個(gè)字 采用 LED 數(shù)碼顯示，分辨率優(yōu)于 %，具有符號判別和過量程顯示直流電壓檔最小輸入阻抗≥1MΩ。 具有鍵盤選擇測量對象、量程和自動量程轉(zhuǎn)換功能。在選擇這個(gè)題目以后，我查閱了大量的資料，設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)的方案，然后在 EWB 中畫出電路圖并進(jìn)行電路仿真。由于實(shí)驗(yàn)室沒有單片機(jī)小系統(tǒng)，我采用AT89S51進(jìn)行單片機(jī)的控制和顯示，并編寫了 C51的程序，用 keil編譯，在Proteus 7里連接程序進(jìn)行仿真。仿真成功以后，我開始連面包板。由于這個(gè)電路比較復(fù)雜，我使用了兩塊面包板。在連電路的時(shí)候，一個(gè)模塊一個(gè)模塊的連接，每連好一個(gè)模塊就測試一個(gè)模塊，最后將所有的模塊連接在一起。在連面包板時(shí)，我遇到了許多問題。連電壓測量電路時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室找不到需要阻值的精密電阻，我只好實(shí)際測量最接近的電阻，這導(dǎo)致最后的誤差比設(shè)計(jì)要大很多。連好電路測試時(shí)，我將輸入信號加為+5 伏，按照放大 10倍來計(jì)算，輸出應(yīng)該是 50伏，但是實(shí)際測量的時(shí)候輸出是+5 伏。查閱資料后發(fā)現(xiàn)這里是一個(gè)錯(cuò)誤，OP07 的工作電壓是正負(fù) 5伏，它不可能輸出比電源電壓更大的電壓。而電壓測量電路實(shí)際上是將所有的信號都處理成 200mV后，再進(jìn)行放大。所以測試時(shí)輸入信號應(yīng)該不超過200mV.在連交流轉(zhuǎn)直流電路時(shí)，測得的實(shí)際輸出與理論值相反，后來檢查面包板發(fā)現(xiàn)所有的二極管都接反了。在連電流轉(zhuǎn)電壓電路時(shí)，由于找不到需要的精密電阻，我只好將設(shè)計(jì)圖簡化，只采用了一個(gè)繼電器，簡化為兩個(gè)檔的電流轉(zhuǎn)電壓。但連好電路進(jìn)行測試時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)始終只有一條支路是通的，也就是說繼電器沒有工作。檢查電路，并沒有連線錯(cuò)誤，換了一個(gè)繼電器后，結(jié)果還是不對。在網(wǎng)上搜索相關(guān)現(xiàn)象時(shí)，有一個(gè)網(wǎng)頁提醒了我，可能是電源電壓小于繼電器的動作電壓，導(dǎo)致繼電器不工作。改正之后，結(jié)果果然正確了。在連單片機(jī)部分的電路時(shí)，開始時(shí)沒有借到單片機(jī)芯片的通用編程器，無法燒制芯片。連好電路后，我采用人工給定信號，檢測數(shù)碼管是否點(diǎn)亮。結(jié)果與預(yù)期一致。向老師借到 EasyPRO 800通用編程器后，我用 keil將 C程序編譯成 hex文件，但是編程器總是提示程序超出芯片末端。即使編寫極為簡短的程序，也仍然出現(xiàn)該提示。在網(wǎng)上查閱資料后，我改用 Tks仿真器，將 Tks仿真器裝入 keil，然后再次將 C程序編譯成 hex文件，這一次編程器不再顯示錯(cuò)誤信息，提示燒制成功。但我將燒好的芯片放入面包板后，電路工作不正常。每次加電啟動后，數(shù)碼管的顯示都不一樣。換了芯片重新燒制，結(jié)果仍然一樣。不知道是不是編程器不支持 C語言，為了確定，我又編寫了一個(gè)短小的匯編程序，但燒制后，結(jié)果還是不正確，每次加電啟動后，數(shù)碼管都是隨即顯示，好像單片機(jī)并未工作。為了進(jìn)一步檢測，我將單片機(jī)從電路中取出，單獨(dú)連了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，編寫了一個(gè)向 P1口輸送數(shù)據(jù)的匯編程序。用電壓表測引腳電壓發(fā)現(xiàn)是正常的。這說明單片機(jī)工作正常。難道是 C語言燒制的不正確嗎？為了證實(shí)，我又寫了一個(gè)向 P1口輸送數(shù)據(jù)的 C語言程序，燒制后，結(jié)果也是正確的。這說明程序確實(shí)是正確的燒進(jìn)芯片了，也就是說，原先放置芯片的面包板部分可能有問題。我又將芯片放入原先的位置，再次測引腳電壓，發(fā)現(xiàn)確實(shí)又不正常了。于是我將單片機(jī)換了一個(gè)位置，將電路重新連好。燒好程序后，結(jié)果正確。在連 A/D轉(zhuǎn)換電路的時(shí)候，由于買芯片的時(shí)候，沒有買到 MC1403,我用 TL431代替，但是在調(diào)制參考電壓的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)電流突然增大。立即斷電后，測滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)滑動變阻器幾乎調(diào)到底。但是這個(gè)過程中，電壓一直沒有降到我要的 2伏。查閱 TL***的資料發(fā)現(xiàn)，它的參考電壓是 ，無法達(dá)到 2伏。實(shí)驗(yàn)室只有 LM366芯片和 IN4730A，而 LM366也是參考電壓 。我決定用電阻進(jìn)行分壓，分別連好 LM366和 IN4730A的電路后發(fā)現(xiàn)，LM366 的穩(wěn)壓效果并不好，浮動太大，而IN4730A產(chǎn)生的參考電壓小于 2伏。于是我決定先用 IN4730A產(chǎn)生小于 2伏的參考電壓，然后再用放大器(NE5532)和滑動變阻器組成的正比例放大電路將信號放大成2伏。這個(gè)電路的穩(wěn)壓效果基本滿足要求。連好并測試完每個(gè)模塊后，就要開始進(jìn)行模塊之間的連接了。由于在連電路時(shí)，不小心燒壞了 AT89S51芯片，我找來了 AT89C91芯片代替。根據(jù) CD4052的真值表，我確定了每個(gè)功能模塊的信號控制線。用單片機(jī)的 ，選擇電壓檔，電流檔和歐姆檔。用 ，用 ， 做電壓檔和電流檔量程的選擇。首先做直流電壓檔的測試，發(fā)現(xiàn)輸入信號為+5 伏以下時(shí)，手動量程輸出基本滿足要求，但是當(dāng)輸入信號大于+5 伏時(shí)，提供工作電壓的穩(wěn)壓源的值就會隨著輸入信號值的增大而增大。做電流檔測試時(shí)，剛剛一接通電源，就發(fā)現(xiàn)電流過大。及時(shí)斷電檢查線路后，并沒有發(fā)現(xiàn)有短路情況。分析原理圖，猜想，可能是繼電器工作時(shí)，需要大電流導(dǎo)致整個(gè)電路電流過大。將串聯(lián)的 1千歐電阻換為一個(gè)更大的電阻后，電流基本正常。并且，由于測電流時(shí)，萬用表需串聯(lián)到電路中，要求萬用表內(nèi)阻較小。但我在設(shè)計(jì)之初，未考慮該情況，采用了阻值較大的電阻。特將原 900歐和 100歐電阻換為 9歐和 1歐電阻。由于整個(gè)電路中只有電阻轉(zhuǎn)電壓電路中有一個(gè)+15 伏工作電壓，為了方便，將電路作了調(diào)整，將該電壓改為+5 伏，首先用穩(wěn)壓二極管，將電壓穩(wěn)壓在+2 伏以下，然后用集成運(yùn)放與滑動變阻器組成正比例放大電路，將電壓放大到+2 伏。猜想直流電壓檔信號異常的原因，可能是由于電路中模擬地與數(shù)字地混接，造成模擬信號被數(shù)字信號中的高頻分量吞噬，我將電路中的模擬地與數(shù)字地分開接，只在一點(diǎn)會合，流入電源地。但是當(dāng)信號加大時(shí)，提供芯片工作電壓的穩(wěn)壓源的輸出電壓依然隨著增大。因?yàn)樘峁┹斎胄盘柵c提供芯片工作電壓的穩(wěn)壓源是同型號的兩個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓源，我將它們不連入電路，發(fā)現(xiàn)一個(gè)輸出增大時(shí)，另一個(gè)的輸出仍然穩(wěn)定。為了檢查原因，我單獨(dú)將信號加在電壓測量電路。即：將由 CD4052和OP07CP構(gòu)成的電壓測量電路與其它電路斷開，信號從 CD4052的 1腳輸入，從OP07CP的 6腳輸出。結(jié)果干擾現(xiàn)象仍然存在。不知道是否是由于其中某個(gè)芯片沒有正常工作引起的，我將 CD4052與 OP07CP斷開，信號從 CD4052的 1腳輸入，3 腳輸出。用萬用表測量，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確。接著，將信號從 OP07CP的 3腳輸入，6 腳輸出，用萬用表檢測，發(fā)現(xiàn) OP07CP也是正常工作的。分析原理圖，由于不論輸入信號有多大，經(jīng)過電阻組成的分壓器分壓后，CD4052 的輸出電壓理論上都會變?yōu)?0至 200mV之間，而 OP07CP組成的比例放大電路的放大倍數(shù)為 10倍，則理論上，它的輸出會在 0至 2伏之間，小于它的工作電壓正負(fù) 5伏。而實(shí)際電路中，當(dāng)從 CD4052的 1腳輸入 100mV電壓信號，將 CD4052的 3腳與 OP07CP的 3腳相連，用萬用表檢測，發(fā)現(xiàn) CD4052的 3腳電壓變?yōu)? 200mV，與理論值相悖，斷開 CD4052與OP07CP的 3腳連線，CD4052 的 3腳電壓回到 100mV，與理論值一致。只要 CD4052與 OP07CP相連，不論它們的公共地接到模擬地上還是數(shù)字地上，當(dāng) CD4052的輸入信號大于+5 伏時(shí)，為兩芯片提供工作電壓的穩(wěn)壓源的輸出信號都會隨著輸入信號的變大而變大，就好像穩(wěn)壓源不再穩(wěn)壓。詢問老師后，得知我的設(shè)計(jì)圖有一個(gè)原理上的缺陷，就是直流電壓輸入信號直接加在 CD4052的 1腳，這樣，當(dāng)信號大于 5伏時(shí)，CD4052的 1腳承受了過大的電壓，進(jìn)入自動保護(hù)狀態(tài)，不能正常工作。同時(shí)，CD4052和 OP07CP的引腳直接相連，導(dǎo)致 OP07CP處于無保護(hù)狀態(tài)，信號增大時(shí)，互相干擾。為了解決這些問題，我修改了原先的設(shè)計(jì)圖，將輸入信號直接通過一個(gè)保護(hù)電阻，從 OP07CP的 3腳引入，將電阻與 CD4052組成的分壓器接在 OP07CP的 2腳與 1腳之間。修改后調(diào)試，結(jié)果正確。致謝詞 在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了電子工程系實(shí)驗(yàn)室的大力支持，為我提供了各種所需的儀器設(shè)備，以及設(shè)計(jì)的所需經(jīng)費(fèi)。也十分感激費(fèi)名瑜、王金庭等老師，對我實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所遇到的各種問題給予耐心的解答，完稿之后在百忙之中仔細(xì)閱讀，給出修改意見。參考文獻(xiàn)[1] 徐愛鈞 《智能化測量控制儀表原理與設(shè)計(jì)》 （第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022 年；[2] 吳金戌