《现代电子技术》2009年第19期总第306期 电子技术应用
新型交流数字电压表设计
闵祥娜1, 马建建2, 魏海燕1, 李海涛3
(1. 江西交通职业技术学院 江西南昌 330013;2. 河北德凯铁路信号器材有限公司 河北沧州 061000;
3. 西南交通大学 四川成都 610031)
摘 要:设计一种基于A T89C51单片机的量程自动转换的数字电压表, 以A T89C51,AD574, 采用运算放大器和集成多路模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术, V 电压范围的电压进行量程自动转换的精确测量。该设计具有体积小, , , , , 。
关键词:数字电压表; 自动量程转换; 中图分类号:TM930:1004-373X (2009) 19-191-04
Design of Alternating Digital Voltage Meter
MIN Xiangna 1,MA Jianjian 2,WEI Haiyan 1,L I Haitao 3
(1. Jiangxi Vocational and Technical College of Communication ,Nanchang ,330013,China ;
2. Hebei Dekai Railway Signal Equipment Co. Ltd. ,Cangzhou ,061000,China ;3. Sout hwest Jiaotong University ,Chengdu ,610031,China )
Abstract :Anautomatic range -changing voltage meter based on A T89C51is proposed. It is a completed measurement sys 2tem based on the A T89C51and AD574,by using operational amplifiers and multi -channel analog integrated circuit switches to realize to switch the range automatically. The voltage meter can measure the voltage ranging f rom 0V to 500V precisely and automatically. This digital voltage meter enjoys the reputation of small volume ,low current -driven ,fast rolling ,concise struc 2ture and easy handle ,which can be used in the experimental and practical teaching.
K eywords :digitalvoltage meter ;automatic range -changing ;single chip computer ;AD574
0 引 言
传统的电压表在测量电压时需要手动切换量程, 不仅不方便, 而且要求不能超过该量程。如果在测量时忘记改变量程, 则会出现很大的测量误差, 甚至有将电压表烧坏的可能。
本文中采用运算放大器和集成多路模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术, 通过单片机检测可实现电压表量程的自动转换。它具有体积小, 驱动电流小, 动作快, 结构简单, 操作方便的优点, 可用于实验教学中。1 技术要求
机控制和计算后将结果送L ED 显示。量程的自动切换
由单片机通过程序控制多路模拟开关来完成。由于要求采用现场的220V 交流电源, 所以本文设计了电源电路, 将220V 交流电转换成电路可用的低压直流电
。
图1 交流数字电压表原理框图
3 硬件系统设计
电压测量范围:0～500V ; 测量精度:0. 5%; 量程自动切换; 采用L ED 显示; 可用现场提供的220V 交流电源。2 基本原理
在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干
扰信号, 同时采用了跟随器, 跟随器的输入阻抗很大, 可以解决信号传输中的衰减问题。又考虑到单片机的驱动能力很小, 在设计中加入了7407用来驱动L ED 显示。整个硬件系统主要由以下几部分组成:
(1) 电压信号衰减电路:将输入的0～500V 被测电压信号衰减成0～5V 。
(2) 量程自动切换电路:完成信号量程选择及其小数点位置选择。
(3) 采样保持器:对模拟信号进行采样并保持。
191
基本原理如图1所示, 信号经过衰减处理后通过采样保持器采样保持, 由A/D 转换成数字信号, 再由单片
收稿日期:2009-01-15
电子技术闵祥娜等:新型交流数字电压表设计
3. 3 采样保持器
(4) 模数转换及控制电路:完成对采集的数据处理
和对系统的控制。
(5) 显示器:由74L S164和数码管组成, 将测量的电压信号显示出来。
(6) 整流电路:将交流电整流成直流电, 作为电源给数字电压表供电。3. 1 电压信号衰减电路
电压信号衰减电路如图2所示[1]。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信号放大, 其中的511V
。
在测量交流电压时,A/D 转换器的转换误差与信号的频率成正比。为了提高模拟量输入的频率范围, 故选用采样保持器。在此设计中采用L F398作采样保持器, 采样保持器的原理结构图如图4所示, 保持电容C H 取值和采样频率以及精度有关, 常选510～1000p F 。一般选用聚苯乙烯, 聚四氟乙烯等高质量的电容器
。
图4 采样保持器结构图
3. 4 A/D 转换电路
A/D 转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件
图2 电压衰减电路
3. 2 量程自动切换电路
或装置, 是一种模拟系统和计算机之间的接口, 在数据
采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D 转换方式有逐次逼近式和双斜积分式, 考虑到前者转换时间短, 因此选用逐次逼近式A/D 转换器。AD574为12位逐次逼近式A/D 转换器, 分辨率为1/212, 转换时间25μs 。在本系统中的量程选用双极性-5～+5V , 与A T89C51的接口电路如图5所示[3,4]。AD574的12/8引脚接+5V , 一次输出12位转换结果,3,5脚分
量程的自动切换由初设量程开始, 直至选出最佳的量程为止。量程自动切换电路如图3所示[2], 控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程, 为解决这个问题系统中采用软件延时, 然后再进行测量与判断。为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动, 在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。该单元中运算放大器与多路模拟开关CD4052的其中一组开关执行相应量程的选择, 另一组
开关接L ED 的小数点, 选择不同量程时分别点亮相应L ED 的小数点位。CD4052的A 、B 以及IN H 分别接
别接至单片机控制总线的P3. 1, P3. 2,CE 接单片机的
P310, 状态引脚(STA TU S ) 接单片机的P1. 7。AD574的12引脚和10引脚接两个0. 1k Ω的电位器, 分别用于零点调整和满刻度调整。AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接时,12位分别接单片机的P0. 0～P0. 7和P1. 0～P1. 3。3. 5 显示电路显示电路如图6所示[5], 电路采用了简单的软件译码移位输出的方法, 串行数据经单片机的P3. 6输出至74L S164, 四个74L S164将串行数据转换成并行数据送数码管字型口显示,74L S164的时钟信号由单片机的P3. 7提供。数码管选用共阴极型。3. 6 整流电路
数字电压表的设计电路中用到了两个直流电压5V 和12V , 而设计要求采用现场提供的交流220V 电源, 因此需要经过整流电路把220V 交流电源转化为5V 和12V 直流电源。本系统中采用了单相桥式整流电路, 如图7所示[6], 为了减小纹波以及消除高频谐波电路中加入了电容滤波。
单片机P21,P20,P22
。
图3 量程自动切换电路
192
《现代电子技术》2009年第19期总第306期 电子技术应用
图5 A/D 转换器和A T89C51
接口电路
图6
显示电路
图7 整流电路
4 系统软件设计
数。若相邻两采样的时间间隔相等, 即ΔT m 为常数ΔT ,
考虑到N =(T/ΔT ) +1, 则有:
U =
系统的软件由主程序和显示子程序两部分组成。交流电压有效值的计算在主程序中实现, 是根据有效值计算公式通过对一个周期内的采样点计算得到的[7]。离散量电压有效值计算公式如式(1) 所示。
U λ
N
-1m =1
∑
u m
2
(2)
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。为了提高系统的抗干扰能力, 除了在硬件上采取相应的措施外, 软件上采用冗余计算法即重复重要的指令, 以防止程序跳飞而死机。
系统的程序流程图如图8所示。
193
N
m =1
∑u ΔT
2m
m
(1)
式中:ΔT m 为相邻两次采样的时间间隔; u m 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
电子技术闵祥娜等:新型交流数字电压表设计
结构简单, 软件采用C 语言实现, 程序简单可读写性强, 效率高。与传统的电路相比, 具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点, 具有一定的使用价值。本设计在超量程时会显示特定的值, 即超量程显示, 如想更直观的显示, 可加入声光报警电路, 在超量程操作时可进行声光报警。
参 考 文 献
[1]. [J].微计
. [J].中国农机
(5) :75-77.
[3]侯凤云, 尤惠媛. 基于AD574模数转换的数字处理程序设
计[J].自动化技术与应用,2007(9) :117-118.
[4]张智杰. AD574在数据采集中的应用[J].国外电子元器件,
2003(6) :55-56.
[5]张伟征, 赵书俊, 张大伟, 等. 基于单片机的切纸机位移测量
图8 系统软件流程图
系统[J].现代电子技术,2006,29(11) :96-100.
[6]殷红彩, 葛立峰. 一种多输出直流稳压电源的设计[J].传感
5 结 语
器世界,2006(9) :22-25.
[7]李崇维, 朱英华. 电子测量技术[M ].成都:西南交通大学出
本文采用程控放大器实现量程的自动转换。
用A T89C51进行数据控制、处理, 送到显示器显示, 硬件
版社,2005.
作者简介 闵祥娜 女,1985年出生, 山东临沂人, 助教。主要研究方向为仪器与测试技术。
(上接第188页)
[3]王海英, 徐倩. 电池自动分选系统的设计[J].自动化技术与
[7]郭卿, 阎峰, 马向国, 等. 基于网络与数据库技术的电池自动
应用,2002(3) :21-22.
[4]王海英, 张军, 李革臣, 等. 电池自动检测分选设备的开发与
检测和分选系统[J].通信电源技术,2007(3) :24-25.
[8]余进江, 温远明, 詹昆沅, 等. 基于网络平台的二次电池测试
设计[J].哈尔滨理工大学学报,2000(5) :4-5.
[5]张良安, 梅江平, 赵学满, 等. 二次组合电池多类别智能分选
分选系统[J].电源技术,2007(6) :31-32.
[9]武生玉, 徐庆华, 黄新明. 一种锂电池检测分选系统中的数
系统[J].制造业自动化,2006(8) :15-16.
[6]陈恒军. 基于多个Diamond 机械手的电池分选系统研究与
据通信[J].黄石高等专科学校学报,2004(1) :20-21.
[10]满威. 锂离子电池自动检测分选系统的开发设计[D ].哈尔
开发[D].天津:天津大学,2006. 滨:哈尔滨理工大学,2003.
作者简介 林小薇 女,1975年出生, 海南人, 电子工程师。主要从事锂电测控、智能交通设备的开发和研究。
赖雄周 男,1975年出生, 广东人, 电子工程师。主要从事锂电测控、智能交通设备的开发和研究。
(上接第190页)
[5]杨晖, 张凤言. 大规模可编程逻辑器件与数字系统设计
[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[6]潘松. V HLD 实用教程[M ].西安:西安电子科技大学出版
[8]林明权. V HDL 数字控制系统设计范例[M ].北京:电子工
业出版社,2003.
[9]曾繁泰, 陈美金. V HDL 程序设计[M ].北京:清华大学出版
社,2000.
[7]宋万杰. CPLD 技术及其应用[M ].西安:西安电子科技大学
社,2000.
[10]田开坤, 徐海霞. 基于CPLD 的单片机接口设计[J].现代
出版社,2000. 电子技术,2008,31(2) :34-36.
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《现代电子技术》2009年第19期总第306期 电子技术应用
新型交流数字电压表设计
闵祥娜1, 马建建2, 魏海燕1, 李海涛3
(1. 江西交通职业技术学院 江西南昌 330013;2. 河北德凯铁路信号器材有限公司 河北沧州 061000;
3. 西南交通大学 四川成都 610031)
摘 要:设计一种基于A T89C51单片机的量程自动转换的数字电压表, 以A T89C51,AD574, 采用运算放大器和集成多路模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术, V 电压范围的电压进行量程自动转换的精确测量。该设计具有体积小, , , , , 。
关键词:数字电压表; 自动量程转换; 中图分类号:TM930:1004-373X (2009) 19-191-04
Design of Alternating Digital Voltage Meter
MIN Xiangna 1,MA Jianjian 2,WEI Haiyan 1,L I Haitao 3
(1. Jiangxi Vocational and Technical College of Communication ,Nanchang ,330013,China ;
2. Hebei Dekai Railway Signal Equipment Co. Ltd. ,Cangzhou ,061000,China ;3. Sout hwest Jiaotong University ,Chengdu ,610031,China )
Abstract :Anautomatic range -changing voltage meter based on A T89C51is proposed. It is a completed measurement sys 2tem based on the A T89C51and AD574,by using operational amplifiers and multi -channel analog integrated circuit switches to realize to switch the range automatically. The voltage meter can measure the voltage ranging f rom 0V to 500V precisely and automatically. This digital voltage meter enjoys the reputation of small volume ,low current -driven ,fast rolling ,concise struc 2ture and easy handle ,which can be used in the experimental and practical teaching.
K eywords :digitalvoltage meter ;automatic range -changing ;single chip computer ;AD574
0 引 言
传统的电压表在测量电压时需要手动切换量程, 不仅不方便, 而且要求不能超过该量程。如果在测量时忘记改变量程, 则会出现很大的测量误差, 甚至有将电压表烧坏的可能。
本文中采用运算放大器和集成多路模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术, 通过单片机检测可实现电压表量程的自动转换。它具有体积小, 驱动电流小, 动作快, 结构简单, 操作方便的优点, 可用于实验教学中。1 技术要求
机控制和计算后将结果送L ED 显示。量程的自动切换
由单片机通过程序控制多路模拟开关来完成。由于要求采用现场的220V 交流电源, 所以本文设计了电源电路, 将220V 交流电转换成电路可用的低压直流电
。
图1 交流数字电压表原理框图
3 硬件系统设计
电压测量范围:0～500V ; 测量精度:0. 5%; 量程自动切换; 采用L ED 显示; 可用现场提供的220V 交流电源。2 基本原理
在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干
扰信号, 同时采用了跟随器, 跟随器的输入阻抗很大, 可以解决信号传输中的衰减问题。又考虑到单片机的驱动能力很小, 在设计中加入了7407用来驱动L ED 显示。整个硬件系统主要由以下几部分组成:
(1) 电压信号衰减电路:将输入的0～500V 被测电压信号衰减成0～5V 。
(2) 量程自动切换电路:完成信号量程选择及其小数点位置选择。
(3) 采样保持器:对模拟信号进行采样并保持。
191
基本原理如图1所示, 信号经过衰减处理后通过采样保持器采样保持, 由A/D 转换成数字信号, 再由单片
收稿日期:2009-01-15
电子技术闵祥娜等:新型交流数字电压表设计
3. 3 采样保持器
(4) 模数转换及控制电路:完成对采集的数据处理
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(5) 显示器:由74L S164和数码管组成, 将测量的电压信号显示出来。
(6) 整流电路:将交流电整流成直流电, 作为电源给数字电压表供电。3. 1 电压信号衰减电路
电压信号衰减电路如图2所示[1]。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信号放大, 其中的511V
。
在测量交流电压时,A/D 转换器的转换误差与信号的频率成正比。为了提高模拟量输入的频率范围, 故选用采样保持器。在此设计中采用L F398作采样保持器, 采样保持器的原理结构图如图4所示, 保持电容C H 取值和采样频率以及精度有关, 常选510～1000p F 。一般选用聚苯乙烯, 聚四氟乙烯等高质量的电容器
。
图4 采样保持器结构图
3. 4 A/D 转换电路
A/D 转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件
图2 电压衰减电路
3. 2 量程自动切换电路
或装置, 是一种模拟系统和计算机之间的接口, 在数据
采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D 转换方式有逐次逼近式和双斜积分式, 考虑到前者转换时间短, 因此选用逐次逼近式A/D 转换器。AD574为12位逐次逼近式A/D 转换器, 分辨率为1/212, 转换时间25μs 。在本系统中的量程选用双极性-5～+5V , 与A T89C51的接口电路如图5所示[3,4]。AD574的12/8引脚接+5V , 一次输出12位转换结果,3,5脚分
量程的自动切换由初设量程开始, 直至选出最佳的量程为止。量程自动切换电路如图3所示[2], 控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程, 为解决这个问题系统中采用软件延时, 然后再进行测量与判断。为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动, 在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。该单元中运算放大器与多路模拟开关CD4052的其中一组开关执行相应量程的选择, 另一组
开关接L ED 的小数点, 选择不同量程时分别点亮相应L ED 的小数点位。CD4052的A 、B 以及IN H 分别接
别接至单片机控制总线的P3. 1, P3. 2,CE 接单片机的
P310, 状态引脚(STA TU S ) 接单片机的P1. 7。AD574的12引脚和10引脚接两个0. 1k Ω的电位器, 分别用于零点调整和满刻度调整。AD574的数据输出线与单片机数据总线的连接时,12位分别接单片机的P0. 0～P0. 7和P1. 0～P1. 3。3. 5 显示电路显示电路如图6所示[5], 电路采用了简单的软件译码移位输出的方法, 串行数据经单片机的P3. 6输出至74L S164, 四个74L S164将串行数据转换成并行数据送数码管字型口显示,74L S164的时钟信号由单片机的P3. 7提供。数码管选用共阴极型。3. 6 整流电路
数字电压表的设计电路中用到了两个直流电压5V 和12V , 而设计要求采用现场提供的交流220V 电源, 因此需要经过整流电路把220V 交流电源转化为5V 和12V 直流电源。本系统中采用了单相桥式整流电路, 如图7所示[6], 为了减小纹波以及消除高频谐波电路中加入了电容滤波。
单片机P21,P20,P22
。
图3 量程自动切换电路
192
《现代电子技术》2009年第19期总第306期 电子技术应用
图5 A/D 转换器和A T89C51
接口电路
图6
显示电路
图7 整流电路
4 系统软件设计
数。若相邻两采样的时间间隔相等, 即ΔT m 为常数ΔT ,
考虑到N =(T/ΔT ) +1, 则有:
U =
系统的软件由主程序和显示子程序两部分组成。交流电压有效值的计算在主程序中实现, 是根据有效值计算公式通过对一个周期内的采样点计算得到的[7]。离散量电压有效值计算公式如式(1) 所示。
U λ
N
-1m =1
∑
u m
2
(2)
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。为了提高系统的抗干扰能力, 除了在硬件上采取相应的措施外, 软件上采用冗余计算法即重复重要的指令, 以防止程序跳飞而死机。
系统的程序流程图如图8所示。
193
N
m =1
∑u ΔT
2m
m
(1)
式中:ΔT m 为相邻两次采样的时间间隔; u m 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
电子技术闵祥娜等:新型交流数字电压表设计
结构简单, 软件采用C 语言实现, 程序简单可读写性强, 效率高。与传统的电路相比, 具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点, 具有一定的使用价值。本设计在超量程时会显示特定的值, 即超量程显示, 如想更直观的显示, 可加入声光报警电路, 在超量程操作时可进行声光报警。
参 考 文 献
[1]. [J].微计
. [J].中国农机
(5) :75-77.
[3]侯凤云, 尤惠媛. 基于AD574模数转换的数字处理程序设
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[4]张智杰. AD574在数据采集中的应用[J].国外电子元器件,
2003(6) :55-56.
[5]张伟征, 赵书俊, 张大伟, 等. 基于单片机的切纸机位移测量
图8 系统软件流程图
系统[J].现代电子技术,2006,29(11) :96-100.
[6]殷红彩, 葛立峰. 一种多输出直流稳压电源的设计[J].传感
5 结 语
器世界,2006(9) :22-25.
[7]李崇维, 朱英华. 电子测量技术[M ].成都:西南交通大学出
本文采用程控放大器实现量程的自动转换。
用A T89C51进行数据控制、处理, 送到显示器显示, 硬件
版社,2005.
作者简介 闵祥娜 女,1985年出生, 山东临沂人, 助教。主要研究方向为仪器与测试技术。
(上接第188页)
[3]王海英, 徐倩. 电池自动分选系统的设计[J].自动化技术与
[7]郭卿, 阎峰, 马向国, 等. 基于网络与数据库技术的电池自动
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[4]王海英, 张军, 李革臣, 等. 电池自动检测分选设备的开发与
检测和分选系统[J].通信电源技术,2007(3) :24-25.
[8]余进江, 温远明, 詹昆沅, 等. 基于网络平台的二次电池测试
设计[J].哈尔滨理工大学学报,2000(5) :4-5.
[5]张良安, 梅江平, 赵学满, 等. 二次组合电池多类别智能分选
分选系统[J].电源技术,2007(6) :31-32.
[9]武生玉, 徐庆华, 黄新明. 一种锂电池检测分选系统中的数
系统[J].制造业自动化,2006(8) :15-16.
[6]陈恒军. 基于多个Diamond 机械手的电池分选系统研究与
据通信[J].黄石高等专科学校学报,2004(1) :20-21.
[10]满威. 锂离子电池自动检测分选系统的开发设计[D ].哈尔
开发[D].天津:天津大学,2006. 滨:哈尔滨理工大学,2003.
作者简介 林小薇 女,1975年出生, 海南人, 电子工程师。主要从事锂电测控、智能交通设备的开发和研究。
赖雄周 男,1975年出生, 广东人, 电子工程师。主要从事锂电测控、智能交通设备的开发和研究。
(上接第190页)
[5]杨晖, 张凤言. 大规模可编程逻辑器件与数字系统设计
[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[6]潘松. V HLD 实用教程[M ].西安:西安电子科技大学出版
[8]林明权. V HDL 数字控制系统设计范例[M ].北京:电子工
业出版社,2003.
[9]曾繁泰, 陈美金. V HDL 程序设计[M ].北京:清华大学出版
社,2000.
[7]宋万杰. CPLD 技术及其应用[M ].西安:西安电子科技大学
社,2000.
[10]田开坤, 徐海霞. 基于CPLD 的单片机接口设计[J].现代
出版社,2000. 电子技术,2008,31(2) :34-36.
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