科技信息 ○职校论坛○ SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2008 年 第 32 期 基于单片机交直流数字电压表的设计 甘本鑫 苏红艳 淮安信息职业技术学院 江苏 淮安 （ 223003） 摘 要 】 本文介绍一种基于 转换器 AC/DC AT89S51 AD736 真有效值 单片机的高精度直流电压和交流电压有效值的测量方法 ， 伏 测量交直流电压范围在 组成的简易数字电压表 给出由单片机 使用 AT89S51、A/D 数码管显示 可以与 0-±200 ， LED ， 转换器 机 PC ， 。 电压测量 真有效值 ；A/D 转换器 单片机 ； ； 】 【 【 ICL7135、 进行串行通信 关键词 引言 1. 数 字 电 压 表 量程为 460kHz）、 工作电流为 200mVRMS）、 输入阻抗高 、 200μA. 测量速率快 、 输出阻抗低 频率特性好 工作频率范围可达 0～ 电源范围宽且功耗低最大的电源 （ 、 用它来测量正弦波电压的综合误差不超过 ±3%。 （Digital Voltmeter） DVM， 简 称 ） ， 直流输入电压 转换成不连续 （ 传统的指针式电压表功能单一 采用单片机的数字电压表 把连续的模拟量 技术 式并加以显示的仪表 足数字化时代的需求 力强 测量电路 可以测量直流电压量又可以交流电压量 具有结构简单 可扩展性强 集 成 方 便 价格低廉 还 可 与 精度高 PC ， ， 。 ， 、 ， 、 、 、 进 行 实 时 通 信 它 是 采 用 数 字 化 测 量 离散的数字形 、 不能满 精度低 抗干扰能 本 文 介 绍 的 既 由精度高 、 ， 、 ， ， 抗干扰能力强等特点 ， 系统设计及原理 2. 。 图 4 AD736 应用电路 图 1 系统原理框图 ， 1 后 换电路进行 所示 如图 经隔离干扰通过转换开关控制 模拟电压信号经过档位切换到不同的分压电路衰减 转 若测量交流电压有效值经真有效值转换器后送 转换 处理 然后送到单片机中进行数据处理 若测量直流电压直接送到 A/D 转换电路进行 转换 A/D ， ， ， 同时通过串行通讯与上位机通信 。 。 ， A/D 中显示 ， A/D 后的数据送到 LCD 输入电路部分 2.1 图 2 量程选择开关 图 输入衰减电路 3 ， 2 图 0-±0.2V。 是量程选择开关 要求的电压值 动开关 构成 同的衰减率 控制衰减电压和测量选择量程 输入电路部分的作用是把不同量程的被测的电压规范到测量所 是联 电阻 输入衰减电路可由开关来选择不 还要有图 交流档 交流信号经过有效值 ， 在输入电路中当信号衰减后还应该通过直流 。 控制被测信号接入相应测量通道 3 和 。 9M、900K、90K、 为了能让单片机自动识别档位 ， 的硬件连接 1/10、1/100、1/1000 从而切换档位 的衰减器 K1 10K 与图 K1， 中 、 。 。 转换电路 直流信号直接送入 。 转换电路 。 A/D 2 位控制开关 ， 转换电路送入 A/D ， 2.2 2.2.1 真有效值转换电路 真 有 效 值 转 换 器 转换器 精密真有效值 AC/DC AD736 AD736 。 其主要特点是准确度高 是 经 过 激 光 修 正 的 单 片 满 灵敏性好 、 （ 2.2.2 图 4 真有效值转换器 应用电路 为双电源供电时的典型应用电路 AD736 起隔直作用 。 C2 AC+DC 与 接 地 之 间 均 应 并 联 一 只 若将 Vs 0.01μF 频干扰 脚与 8 1 的就是 即为 一 个 开 关 可 以 选 择 测 量 的 交 流 信 号 为 值 可选 ， D1、D2 高速开关二极管 去掉短路线 为限流电阻 方式 。 R1 。 ； 该电路中的 与接地 ， +Vs 、- 的 电 容 以 便 滤 掉 该 电 路 中 的 高 脚短接而使 则所选择 C2 在设计过程中通过 方 式 起超过压保护作用 。 方 式 值 还 是 方式 失效 AC ， ， AC AC+DC 为双向限幅二极管 ， ， IN4148 2.3 A/D 电压测量对测量精度要求高 转换电路 。 特点在本次设计中选用 换精度高 本文采用单片机并行方式采集 和小型智能仪表的设计方案 具有很高的抗干扰能力 ICL7135 ， ICL7135 ， 双积 对测量速度没有太高要求 转换器 电路结构简单 根据其 它的性能稳定 转 ， 但工作速度较低 。 的数据以实现单片机 电 压 表 A/D ， ， ， ， 双 积 转 换 器 2.3.1 ICL7135 A/D 双积分型高精度 是 采 用 ICL7135 转换器 十进制 ( )。 A/D 4(1/2) 输入阻抗达 有精确的差分输入电路 1000MΩ 以上对被测电路几乎没有影响 自动判别信号极性 有超 其主要引脚功能见表 ；4） 码输出 ；5） 采用位扫描与 每 个 测 量 周 期 可 以 分 为 三 个 阶 段 BCD 。 如 图 ： 阶 段 ， 转 换 开 始 为 自 动 校 零 “ （A/Z）” 第二阶段 时钟为外加时钟周期信号 第三阶段 持续时间为 个时钟 持续的时间与被测电压信号大小有关 10000 ）。 。 工 艺 制 CMOS 其主要性能特 自动 欠压 ；2） 、 1。 ， 5 所 示 第 一 阶 时 间 长 度 固 定 为 为对被测电压 为对基准电压 ， 最大为 ， 20001T ， 作的单片 点为 ：1） 校零 ；3） 输出信号 ；6） ICL7135 从 启 动 段 ， A/D 个时钟 10001 （ 信号积分阶段 反向积分阶段 ， ， 一个完整的转换周期需要 40002 个时钟 。 。 图 5 ICL7135 一个转换周期时间分配 2.3.2 ICL7135 与单片机系统的连接 247 

科技信息 ○职校论坛○ SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2008 年 第 32 期 表 1 ICL7135 主要引脚功能 主程序的设计 主程序的初始化主要包括 中断初始化等 为信息 3.1 送初值 清 75H 信号后单片机检测档位 0， 00H-05H 0， 显示数据等待中断请求信号 流程图如图 显示 单 元 ： 。 P1.3＝1 70H- 启动转换 。 7 ， , 式 ， 连 换 中断口 后 个 ,/STB /STB 与单片机系统进行连接电路 使 用 并 行 采 集 方 如图为 将 BCD ICL7135 码数据输出线 若用软件将 P1.3 P1.3， 转换完成后 , 与单片机 B1,B2,B4,B8 输出一个正脉冲 P2.0-P2.3 则开始启动 , ， 的 其不断输出数据 同时把 。 在 相连 , /INT0 输出五个负脉冲 负脉冲出现的时刻正是位驱动信号 /STB /STB A/D 。 转换期间 可以利用 是相应位的 BCD 连续响应五次 这样 码 , ,D5～D1 ICL7135 为高电平 A/D 的下降沿请求中断 /STB 在 , , 同时 D5～D1 就不必与单片机相连 的中间 /INT0 相连的 中断即为一次转换结果 码 口读出 , BCD , P1.4～P1.1 B8、B4、B2、B1 千 百 十和个位 、 、 、 。 B4、B2、B1 软件编程时 通过与 结果的万 , 相连接 。R/ 进行转 A/D 与单片机的 转换结束 由于每 , B8、 在 。 五次中断均 依次为转换 图 7 主程序框图 检 测 测 量 档 位 的 子 程 序 是 以程 序 扫 描 方 式 不 断 检 测 哪一位为低电平则选中对应的档位 显示子程序是以动态扫描方式进行数据显示 调整显示的小数点位数 ， 。 口 ， P1.4-P1.7 外中断服务程序 3.2 当 中断服务 据通过 送 /STB 。 R2 对 75H， 来下降沿触发 产生中断请求 /INT0， 中断服务首先完成读取测量数据 的内容判断第一次中断则将数据送 ， ， 再判断电压极性 单片机响应中断执行 测量数 直至第五次中断 。 清 0. 则一次的测量结束 。 R2 70H， 等待下次测量 流程图如图 。 8。 。 图 6 ICL7135 与单片机的连接 ， 12MHZ 。P1.1 。 是稳定的 为极性输出脚 通过 则相反 与超欠压量程控制端相连 P1.2 POL 。 , 当输入电压为正时 端输出高电平 输入单片机判断电压极性送显示 ,POL 反之 分别 与 ， P1.0 可以判断有无超压或欠压 单片机的时钟采用 晶体 则 传给 2MHz ICL7135 频率 ， 时钟 ALE ， 的稳定频率 ， 次左右 经过 输入端 CD4013 四分频可得到 500kHz ICL7135 ， 2.4 6 的转换速率为每秒 使 单片机驱动输出显示及通讯功能部分 本文中的显示电路采 稳定性 位 判断电压的极 因为输入量程 是单片机设计常用的显示电路 其余 。 位分别显示转换结果的万 最高位为符号位 ， 十和个位 千 数码管动态扫描显示电路 其电路成本不高 用了 好 性 的限制可测最大电压值为 LED 百 12 5 ， 。 ， 。 。 。 、 、 、 机接口方面采用标准的 接 RS-232 通讯功能部分 在单片机与 口实现相互通讯 , 。 ±199.9V PC 软件程序设计 3. 软件程序设计的关键在单片机控制 送 显示 。 LED 转换的 数 字 量 如 何 ICL7135 当档位开关到相应位置 则单片机 ， P1.4-P1.7 相应位为 单片机 0， 0 通过检测哪位位 判断当前档位控制显示数值 主 程 序 完 成 初 始 化 启 动 转 换 的外中断 AT89S51 /INT0 程序完成转换数据读出 、 A/D 、 工作在边沿触发方式 处理工作 、 。 。 。 检 测 档 位 外中断 数 据 显 示 ， 的中断服务 、 0 上接第 （ 259 工作过程的思想 面引导 科 ，“ 。 实训室中的课程改革 页 实训项目 ） 突出以学生为主体 基于 对实训学生的综合素质进行全 ， ， 为载体 ” ， 设计总结 4． 本次设计的误差有电压衰减产生误差和测交流有效值时 转换误差 量程为 ， 测量正弦波电压的综合误差不超过 影响了整个设计的量程和精度 200mV， ±3%。 科 。 ● 单片机高级教程 数字电路与逻辑设计 电子技术基础 单片机实用教程 [M ]. [M ]. 参考文献 【 北京航空航天大学出版社 】 南京大学出版社 [M ]. 西安电子科技大学出版社 ,1997. 机械工业出版社 ,2003. [M ]. 何立民 李元 苏丽萍 徐江海 . . . . ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ 由于 ，2000. AD736 的满 AD736 ,2006. 责任编辑 张新雷 ： ］ ［ ● 2008.3. ［4］ 杨叶勇 ， 把学习的主动权还给学生的高职教育 山东 : [J]， 科技信息 ，2007.36. 【 职业教育课程教学改革 职业教育学研究新论 参考文献 北京 [M]， : ● 】 清华大学出版社 北京 教育科学出版社 [M]， : 高职院校物流专业校内实训管理机制探讨 ，2007. 北京 [J]， 中国市场 ， : 作者简介 ： 学院实训室主任 杨叶勇 讲师 ， ，2008. 生 ，1979 研究生 ， ， 男 ， ， 方向 ： ， 实践课程改革 江苏东台 无锡商业职业技术学院经济贸易 物流管理 、 。 责任编辑 翟成梁 ： ］ ［ ， 戴士弘 姜大源 ， 杨叶勇 ［1］ ［2］ ［3］ ， 248