基于MFC和单片机的智能电压表

武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书1目录绪论................................................................................................................................................2I.虚拟仪器的组成......................................2II.虚拟仪器的特点.....................................21方案确定.................................................................................................................................31.1设计要求..........................................31.2方案确定..........................................42硬件模块.................................................................................................................................42.1系统总流程图.......................................42.2CD4051多路选择开关................................42.3PGA202程控放大器.................................52.4AD7705模数转换器..................................63单片机程序..........................................................................................................................103.1主函数...........................................103.2AD7705相关程序...................................113.3PGA放大倍数选择程序..............................133.4CD4051通道选择函数...............................133.5串口函数.........................................133.6其它子函数.......................................144上位机程序..........................................................................................................................145元件清单...............................................................................................................................156小结..........................................................................................................................................16参考文献...................................................................................................................................17武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书2绪论虚拟仪器（virtualinstruction,简称为VI）是虚拟技术的一个重要组成部分。它是由计算机技术、测量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到仪器厂家的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器方法，开辟了测控技术的新纪元。20世纪80年代中期，美国国家仪器公司（NationalInstrument，简称为NI）首先提出的“软件就是仪器”（TheSoftwareistheInstrument）这一概念便是对虚拟仪器最本质的论述和表达。正是这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。I.虚拟仪器的组成虚拟仪器由硬件和软件两部分构成。硬件由计算机和I/O接口设备组成，按功能可分为3个主要部分：①信号输入：完成信号的采集、放大和A/D转换，将被测信号变成标准信号（一般用电压信号）以利于计算机处理。对于多量程采集卡，只需根据传感器输出选择量程即可。②信号输出：将计算机产生的数字信号经过信号调理转换成适合于被测系统的激励信号。这两部分由I/O接口设备（如：数据采集卡、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器和串口系统等）完成。③信号处理：利用计算机对所采集的信号进行分析、显示和存储等，PC机是硬件平台的核心。软件是虚拟仪器的核心，仪器的功能由用户在软件平台上编程实现。目前最常用的软件开发工具是美国NI公司的LabWindows/CVI[2]和LabVIEW。NI公司的虚拟仪器平台———LabVIEW简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统开发和调试的周期。即使是个编程的新手，也能用全图形化方式编程的LabVIEW很快地”画”出程序来。因为LabVIEW是真正面向科学家和工程师的编程语言。II.虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有下面一些特点：（1）虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、互换性、可重复使用等特点。一般运行于Windows环境，可以同时启用多个应用，而且用户可以根据需要灵活组合，大大提高了使用效率，克服了传统仪器功能专一限制很死的缺点。（2）大大地降低了测试成本。传统测量多采用硬件设备或仪器，这些设备本身的制造成本就很高，在实验室或研究所内使用还可以。但是，在野外、工作现场，设备的搬运、维护费用很高，使测试成本大大地提高，有时甚至无法实现。而虚拟仪器是借助于计算机以软件为核心，随着计算机的微型化，携带非常方便，有人形象地说“把实验室拎着走”。由于所有信号有一个公用的量化、分析和处理通道，减少了复杂的开关矩阵和信号电缆。因此，采用虚拟仪器既省去了大量设备硬件的制造成本，也减少了搬运维护等费用，对于经济条件较紧张的我国来说更具有现实意义。（3）使用效率高。传统仪器都是自成系统、功能单一、体积庞大、仪器繁多，而虚拟仪器只需要一台计算机，其它必须的硬件如A/D、D/A等都武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书3是固定在计算机插槽上的，体积小，使用起来非常方便。虚拟仪器是一种软件化的测量装置，软件的灵活性与复用性使用户可以根据自己的需要定义测量装置，也可以灵活地组合仪器。模块化和规范化的设计为虚拟仪器组建自动测试系统提供了极大的方便。资源可重复使用，做完实验后，PC机又可转入它用，不仅虚拟仪器工作台的PC机可以一机多用，而且即使实验室也可以一室多用，节约了设备资源，提高了利用率，可缓解高校实验室空间不足的局面。（4）功能更强大，处理能力更强。信号处理理论的不断完善和计算机运算能力的大大提高，使虚拟仪器具有强大的数据处理能力。这就是通常所说的“一台有采集卡的计算机加上用户自己开发的VI，就具有了几个实验室仪器的测试能力”。（5）远程访问和交互式操作。通过InterNET真正实现软硬件资源的共享。这样研究人员可不到现场就能高效地进行实验，而把工作重点放在实验结果的处理分析上，大大提高了科技人员的工作效率，降低了劳动强度。将多种测试集于一体的方法缩短了测试时间，提高了测试速度。（6）测量精度更高。传统仪器的操作件都是物理实体，操作次数多了可能会出现滑丝、指示不准等机械故障，导致测量误差大。而虚拟仪器主要是软件完成，操作简单，受电缆长度、阻抗和仪器修正因素的影响较小，提高了测量的准确性和可重复性，测量精度也会相应提高。1方案确定1.1设计要求1.设计一个智能化的电压采集、测量、监控系统，该系统以单片机和虚拟仪器技术为核心并具有如下功能：(1).能对0-5V范围变化的模拟信号进行连续采样，并在PC机中进行实时显示，采样频率不低于10Hz；(2).具有数据记录功能，能够将采集到的数据以文件形式保存在PC机中；(3).能对系统存在的随机误差和系统误差进行校正；(4).系统具有自动量程选择功能，量程至少4档可调；(5).具有自动电压监控功能，当采样值大于4V时，点亮报警指示灯。2.要求完成的主要任务：(1).合理设计系统总体方案，并画出方框图；(2).正确选择A/D和PGA，要求系统测量最大量程时，测量分辨率达到1mV以内，最小量程时测量分辨率达到1uV以内；(3).要求系统具有随机误差和系统误差校正功能，具有自动量程选择功能；(4).PC机软件由LabVIEW或C/C++编程实现，要求操作方便，界面美观；(5).设计说明书应详细说明设计思路、特点和电路工作原理。武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书41.2方案确定本次设计是基于单片机和MFC编程的智能数字电压表。使用CD4051作为多路选择开关，用于误差校正。PGA202可编程放大器，用于自动量程的切换时的电压放大。单片机采用STC90C516RD+，用于对电路板上各个芯片的控制。上位机界面用MFC编程，主要实现了采集电压的显示，超量程报警和数据存储功能。2硬件模块2.1系统总流程图输入电压总的电路连接图请看附图1。2.2CD4051多路选择开关CD4051引脚图：图2.1CD4051引脚图CD40518路选择PGA202程控放大AD770516位单片机PC机武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书5引脚功能描述：A0～A2：地址端I0/O0～I7/O7：输入输出端INH：禁止端O/I：公共输出/输入端VDD：正电源VEE：模拟信号地A0～A2地址线真值表：表2.1CD4051真值表2.3PGA202程控放大器PGA202芯片，其放大增益为1,10,100,1000满足具有四档量程，模拟输入电压的最大值为5V，对应的量程分别为5000mV档，500mV档，50mV档，5mV档。PGA引脚图如下：图2.2PGA202引脚图武汉理工大学《虚拟仪器》课程设计说明书6PGA202引脚介绍：A0、A1：增益数字选择输入端+VCC\-VCC：+15V和-15V电源+VIN、-VIN：同相和反相输入端FilterA、FilterB：输出滤波端VOUTSence：输出检测端与输出端相接DigitalComnon：数字公共地端VOSAdjust：偏置调整端VREF：参考电压输入端VOUT：输出端将A0,A1分别接到单片机的P1.0，P1.1脚，通过单片机程序控制，输出高/低电平来控制其增益。来实现自动量程转换功能。1倍对应5V，依次，1000倍对应5mv档。由于PGA202供电电源为+/-15V的差分电源，而系统供电电源为5V。故采用A0515S-2W来放大电压。2.4AD7705模数转换器本次设计精度的要求为：最大量程0～5V时，测量分辨率达到1mV以内，最小量程0～5mV时测量分辨率达到1uV以内，根据这一要求可知ADC至少要有13位。AD7705为16位，且具有分辨率从、宽动态范围、自校准、低功耗、优良的抗造性