基于单片机控制的积分式电压表设计

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1、基于单片机控制的积分式电压表设计摘要：设计以51单片机为核心，采用汇编语言编程实现程序设计。设计分为三个模块：数据采集、数据处理和显示模块。数据采集部分通过反相放大器提高了输入阻抗，通过二阶低通滤波器很好的滤除了干扰波，得到的电压信号通过双积分电路，由单片机控制可编程控制电子开关CD4066的通与断，从而实现积分过程中的相关转换和自动调零功能，在此过程中单片机记录下正、反向积分的时间；再由单片机按比例计算得出电压值；处理后的电压值通过LED显示出来。关键词：积分式,电压表，单片机，LED显示一、前言当今世界，电子

2、技术的发展日新月异，各类电压测量设备也层出不穷，且各具优势，而在这些设备中，积分式数字电压表以其优越的抗干扰性能，在本层次中占有重要的地位。本次积分式直流数字电压表的设计探讨，从一定层面上延续了已有电压表的优势，并突出积分式的优点。本设计整体方案概述：使用自制直流稳压电源，在51单片机的控制下，可编程电子开关CD4066在程序控制下闭合断开，从而控制积分器的正反向积分、自动调零，同时单片机利用对积分输出信号的过零比较记录电路反向积分的时间，利用程序控制计算，动态输出显示所测电压。本设计的优越性：1、单片机采用5V

3、电源，功耗低；2、抗干扰能力强；3、因为采样和比较测量两阶段内使用的是同一个积分器和时钟信号，其影响可相互抵消，所以对元件及时钟信号的稳定性和准确度要求大为降低；4、由于双积分式DVM有效的解决了抗干扰问题，只要适当的选择积分元件，积分放大器就可以得到很高的增益，所以测量灵敏度高。二、方案选择与论证1.总体方案的选择13通过双积分采集电压信号，在单片机的控制下记录下正、反向积分的时间并由此计算得出电压值，单片机寄存器最大可以记录到65535，理论上精度能超过0.0001V。2.调零功能的实现通过编程控制CD406

4、6的通断，在积分准备的同时，自动进行调零。方案二较新颖，且充分利用了CD4066的功能，所以本设计采用此方案，其系统框图如图4-1所示图4-1系统框图三、各个模块工作原理1.数据采集模块（1）反相放大器：提高了输出阻抗，提高了带载能力。（2）低通滤波器：使低于某一频率（如fo）的信号能通过，而高于fo的信号不能通过。13图4-2有源低通滤波器R和C为无源低通滤波器，运算放大器接成同相比例放大组态，对输入信号中各频率分量均有如下的关系：由上式可看出，输入信号频率越高，相应的输出信号越小，而低频信号则可得到有效的放大

5、。令，则当时，是此电路的最大增益Aum。为了改善滤波效果，使输出信号在13时衰减得更快，可将上述的滤波电路再加一级RC低通电路，组成二阶低通滤波电路，如图4-2（b）所示。图4-2（b）中，第一个电容C的一端接到运放的输出端，目的是引入反馈，使高频段幅度衰减的更快，更接近理想特性。由此可降低交流干扰，从而很好的滤除了工频干扰。（3）准备阶段（t0～t1）：实现自动调零，避免使以后的电路受飘逸电压的影响。首先由逻辑控制电路将上图4-3（a）中电子开关K3接通，K1和K2断开，积分器的输出电压U0＝0。准备阶段对应于

6、图4-3（b）中t0～t1区间。图4-3（a）双积分电路框图图4-3(b)双积分电路工作波形图13（4）采样阶段（t1～t2）：接入被测电压，对被测电压进行定时积分。这一阶段在T1时刻，逻辑控制电路控制电子开关K1接通，断开K3,接入被测电压-，积分器作正向积分，其输出电电压大于零并线性增加。比较器输出低电平，逻辑控制电路将主门打开，计数器开始计数。当经过预定的积分时间T1，到t2时刻，计数器计得N1个脉冲时，计数器溢出并复位，进位脉冲使逻辑控制电路输出一个比较指令，将T1断开，采样阶段结束。若输入的被测直流电压

7、-不受干扰的影响，且输入电路的传输系数为1，则积分输出电压为（2-1）式中T1——定时积分时间，可见，Uom正比于Ux。若被测电压-Ux受到串模电压的干扰，即加到积分器的输入电压为，此时（2-2）由式（2-2）可知，与成正比，即正比于输入电压的平均值。这样，串模干扰电压，由于平均值而大大减小了它对测量结果的影响，从而提高了双积分式DVM的抗干扰能力。2.数据处理模块即比较阶段（）：对基准电压进行定值反向积分。在时刻，计数器溢出（清零），K1断开，K2合上，接入正极性的标准电压UN。积分器开始反向积分，计数器从0开

8、始重新计数。到时刻，Uo线性下降至013，零比较器从抵电平变为高电平。主门关闭，计数停止，并将此次的计数结果N2以十进制数显示出来。同时，K3接通，重复上述过程，开始新的测量周期。在时刻，积分器的输出电压为（2-3）将式（2-1）代入上式可得（2-4）或（2-5）若取T0为时钟周期。则。将T1、T2代入上式得（2-6）3.显示模块此模块采用共阴数码管的动态驱动电路，相对于