电压表设计

数字式智能电压表设计（初稿）摘要：数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。本设计介绍一种基于AT89C51单片机的电压测量电路，该电路采用AD736精密真有效值AC/DC转换器将交流电压转换为直流电压，通过ICL7135电路，测量交直流范围0~500V，显示为位（0.000～4.999），有过量程指示；测量电压：±（0.8％读数＋5个字），使用LCD液晶模块显示。本文完成了硬件电路的设计及软件程序编写，介绍了ICL7135、AD736、分频器CD4013及显示模块LCD1601的功能和应用。该电路电路运行安全可靠，保护功能完善，用电安全性较高。关键词：数字电压表；单片机（英文摘要略）第一章前言一、数字电压表概述1、数字电压表的发展及应用：电压表指固定安装在电力、电信、电子设备面板上使用的仪表，用来测量交、直流电路中的电压。传统的电压表功能单一，精确度低，不能满足数字化时代的要求，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。目前，由各种单片机A/D转化器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量领域，并且由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。2、本次设计数字电压表的组成部分：本设计是由AT89C51作为整个系统控制的核心，整个系统由输入电路、A/D转换电路、电源电路、单片机AT89C51、键盘控制电路及LED显示电路六大部分组成。（如图1-2-1）图1-2-1硬件框图其中输入电路的图，如图1-2-2所示：图1-2-2输入电路图整个系统由单片机AT89C51控制电压的输入与输出，模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减后，自动选择量程后，若测量直流电压直接送到A/D转换，若测量交流电压先把交流转换为直流后送到A/D转换电路进行A/D转换，然后送到单片机进行处理，处理后的数据送到LED中显示。量程的自动切换由单片机通过程序控制联动开关来完成。3、整个硬件系统的主要电路由以下几部分组成。（1）电源电路：为输入电路、A/D转换电路、电源电路、单片机AT89C51、键盘控制电路及LED显示电路提供+5V的电源。如图1-3-1所示。（2）过压保护电路：压敏电阻是一种新型过压保护元件，其电阻值可随端电压的不同而变化，它可直接并在分压器前面，不需要加限流电阻。压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路需要来确定。如图1-3-2所示。（3）分压电路与自动量程选择电路：通过模拟开关自动调整量程并将被测电压自动规范到A/D转换电路所要求的电压值。如图1-3-3所示。（4）A/D转换电路：双积分A/D转换电路，7135电路。（5）单片机最小系统部分及外围接口电路：AT89S52单片机最小系统设计，主要包括电源，晶振，复位电路三大部分；外围接口电路设计主要包括：显示接口，键盘输入电路设计。根据系统显示精度、测量范围和控制误差，选择相应的器件，完成它们之间的连线。第二章硬件设计（一）电源电路设计由于单片机及所用的芯片均为±5V直流供电，经过变压器将其变为低压交流电压，低压电压经过桥式全波整流变成直流电压，再经过双T电容滤波加集成稳压芯片(7805和7905)最终变成稳定的±5V直流电压。本电路还设计电路保护和电源指示灯。在使用数字电压表测量开关电源电路中的电压时，经常会由于人为疏忽出现意外情况，为维修时易发现故障所在。电源电路原理图如下：S1F1FUSE1T1TRANS31234C31000μfC101000μfC20.33μfC80.33μfD2D3Vin1GND2Vout3U?VOLTREGVin1GND2Vout3C40.1μfC90.1μfR31KDS1LED0GND-0.5V+0.5V~220V图2-3-1电源电路原理图（二）过压保护电路通常的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定直流最高电压量程为1000V，交流电压最高档的量程为750V（有效值）。通常可以采用火花放电器或压敏电阻器作为过压保护。压敏电阻器是电压灵敏电阻器VSR（Voltage-SensitiveResistor）的简称，属于一种新型过压保护元件。压敏电阻器是由氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值可随端电压的不同而变化。压敏电阻器的工作范围很宽（6~3000V，有多种规格），对电压脉冲响应快（响应时间仅为几十纳秒），耐冲击电流能力强，通流量（通流量表示在规定时间8/20μs之内，允许通过脉冲电流的最大值，其中，脉冲电流从90%VP到VP得时间为8μs，峰值持续时间为20μs）指标可达100A~20KA，漏电流小（低于几至几十微安），工作稳定可靠。其电阻温度系数小于0.05%/℃。压敏电阻器伏安特性如图1-3-2（a）所示，其伏安特性具有对称性，在正、反向伏安特性中能起到稳压作用，元件本身没有极性，因为它还可作为小电流（小于1mA）的双向限幅器或稳压管。图中的V1mA，V1mA’分别表示通过1mA、-1mA直流电流时的耐压值。伏安特性I-V1mAV1mA（a）压敏电阻器VVCOMR?RES4稳分压器（b）电压档保护电路图2-3-2压敏电阻及其构成的保护电路用压敏电阻器构成的电压档保护电路如图1-3-2所示，它直接接在分压器件前面，不需要加限流电阻。压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路需求来确定，本文采用850规格的压敏电阻器作为其保护电路。（三）分压及量程转换电路1．分压部分a．直流电压测量部分电压输入电路如图3-2所示。该电路是以200mV作为基本量程，共设为5个挡：200mV、2V、20V、200V、1000V。图中，5个电阻R1~R5为分压电阻。均采用误差较小的精密金属膜电阻（相对误差为±0.5%），五个电阻的总和为10MΩ。实际设计时是根据各档位的分压比和电阻总值来确定各分压电阻的。如先确定：RRRRRR54321总=10MΩ再计算1000V挡的电阻值：R001.0R5总=1K同理，再计算其它4个电阻值。尽管上述最高量程档的理论量程是2000V,但通常的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量程为1000V。显然，此档满量程时，输出电压为1000V乘以0.0001等于0.1V。即100mV，同理可以算出量程为200V档的分压系数等于0.001，满量程时输出电压为0.2V，即200mV。20V、2V、200mV档的分压系数为0.01、0.1和1。总之，通过分压电路，使被测电压一律减至200mV以下，之后再放大10倍送给A/D转换电路变换后送入单片机处理和显示。如图1-3-3（a）所示：K22000v2V200V20VP1.3P1.2P1.0P1.11.量程切换开关R19MR2900KR390KR410KDC+COM2V2000V20V200V2.衰减输入电路图2-3-3（a）直流电压测量电路b．交流电压部分方案一：使用一个TL062D的运放电路来进行交流/直流变换，如图1-3-3（b）示，基本电路是一个同相放大器。输入的正弦电压U1为正弦波时，R1无效；为负半波时，R2无效。从运放输入的虚短路原则可知R3上的电压等于输入电压U1.又容易知道，R2上的电压在U1为正半波时等于R2·U1/R3；在U1为负半波时等于0，从图可知，变换器的输出电压U2=Ur2+Ur3。Ur3的平均值为零，U2的平均值就等于Ur2的平均值。TL062DU1R110KΩR210KΩR3VD1VD2U2=Ur2+Ur3图2-3-3（b）但是该电路有一个致命缺点：即输入交流电压如有直流成分，输出就会立即反映出来，造成很大的AC/DC变换误差。方案二：改善方案一的不足，由运放IC1放大后的交流电压信号，经隔直电容C16输出，当信号为正半周时VD5导通，VD4截止，IC1的输出电流途经C16→VD5→R55→R57→RP4→地（COM端），并经过R56对C17进行充电。负半周时VD4导通，VD5截止，电流途经地→RP4→R57→VD4→C16→IC1。C17缓慢地放电，放电时间常数T=rINC6.rIN是LM331的输入电阻，其阻值极高，典型值达1010Ω，故可认为C17两端电压仍维持不变。因此从整流二极管VD5负极端输出的信号是脉动直流电压，经过由R56和C17组成的平滑滤波器可滤掉交流纹波，得到的平均值电压V0，送至LM331对V0进行V/F转换。RP4是交流电压档的校准电位器，调整RP4可使整个AC/DC转换器的电压放大倍数为2.22倍，令仪表直接显示出被测电压的有效值，负半周时，VD4为反向电流提供通路，C14是运放的频率补偿电容.R55和C14还为VD5提供一个合适的偏置电压，以减小AC/DC转换器对小信号进行放大时的波形失真。在本电路中，输入的是0～200.0mV的交流信号，输出的是0～200.0mV的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC－DC的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV左右，其在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。如图1-3-3（c）所示。TL062DR52100KR53100KR54100KR566.8KR?RES2R553KC1447pC150.22pC164.7μC134.7μVD3VD5VD4RP4200ΩC1710μDCAC图2-3-3（c）2.自动量程接口切换电路基本原理：自动量程切换接口由10倍放大器电路、欠量程识别电路、换程控制电路组成。结构框图如图1-3-3（d）所示。图2-3-3（d）电路工作原理如下：当电路上电后，换程控制电路自动将量程设置为最高挡，即衰减为0.0001，然后欠量程识别电路对放大后的输出Uo进行判断。判断标准是以和它相配的A/D转换器的输入上限作为其上限阀值Umax，以9%Umax作为其下限阀值Umin，UoUmin为欠量程。若欠量程，则由换程控制电路控制量程由高到低变化至放大电路输出Uo大于Umin。若输入Ui变化后可先使仪表复位到最高挡，再由电路自动根据Ui减至合适量程为止。以上过程由硬件电路与单片机实现。整个接口的测量精度取决于放大电路的精度和欠量程识别电路的精度和稳定性，而换程速度则取决于多路模拟开关的响应速度和单片机换程信号。110倍放大器电路通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。运算放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据负反馈电路的接法，可以实现反相运算、同相运算和差动运算等。由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微弱的微伏级信号，而一般的通用放大器都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。因此在设计中要采用高精度运算放大器或测量放大器。OP07高精度运算放大器，它具有极低的失调电压(10μV)和偏置电流(0.7nA)，温漂系数为0.2μV/℃，长期稳定性能指标为0.2μV/每月。ADOP-07具有较高的共模输入范围（±14V），共模抑制比CMRR=126dB以及极宽的供电电源范围（从±3V～±18V）。10倍放大器电路如图1-3-3（e）所示。利用运算放大器OP07，可以把0～200mV的电压放大到0～2.000V。如果把它应用在基本量程为200mV的数字电压表上就相当于把分辨力提高了10倍。10倍放大电路2K47K18K2K1UDC0~200mVDC0~2V图2-3-3（e）10倍放大电路②欠量程识别电路因为初始电压量程设置为最高挡，因此只需要欠量程信号比较即可调节量程。欠量程识别电路的原理示意图如图3-8所示。该电路才用LM339中的一只运放构成下限阀值比较器，当Uo小于Umin时，LM339输出低电平，表示欠量程信号UR；当Uo大于Umin时，LM339输出高电平RR，表示量程合适。将量程信号送给单片机P1.3进行高低电平判断，进而输