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1、武汉理工大学现代仪器设计与实训课程设计说明书目录1绪论21.1 设计目的21.2 初始条件22 总体方案设计33 硬件部分43.1 89C52单片机43.1.1芯片简介43.1.2 AT89C52的管脚及引脚说明43.2 A/D转换电路53.2.1芯片简介53.2.2 ADS7825的管脚及引脚说明53.2.3 ADS7825转换原理说明63.3 PGA放大电路73.3.1芯片简介73.3.2 PGA204的管脚及引脚说明73.3.3 PGA204接入说明83.4 模拟输入电压83.5 电源转换器83.5.1芯片简介83.5.2 ICL7660的管脚及引脚说明84 硬件电路设计105 硬件电路
2、实物插接106 硬件程序设计117 软件部分设计117.1 关于VISA函数.117.2 VI 前面板设计.127.3 VI 程序面板设计.12总结14参考文献15附录一 原理电路图附录二 程序清单附录三 元件清单附录四 labview图1绪论1.1 设计目的 智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统是采用数字化测量技术， 把连续的量（输入电压）转换成不连续、离散的数字化形式并加以显示的系统。作为现代电子测量中最基础与核心的一种系统， 对其测量精度和功能要求也越来越高。由于电压测量范围广，特别是在微电压、高电压及待测信号强弱相差极大情况下， 既要保证弱信号测量精度又要兼顾强信号的测量范围， 传统的
3、手动转换量程的电压表在测量技术上有一定难度；同时，若量程选择不当，不但会造成测量精度下降甚至损坏仪表。基于此，本次课程设计提出具有16 位分辨率，以单片机作为测量的主控制器，采用A/D转换信号处理技术自适应调整放大器放大倍数实现全量程无档电压表的电路设计，实践表明，此电路既简便又实用。1.2 初始条件设计一个智能化的虚拟电压采集、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
4、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 方案论证及选择本文设计的数字电压表测量直流电压范围为0-5V，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，能自动进行量程转换（设计分为05mV，5mV50mV，50mV0.5V，0.5V5V 四个量程）。数字电压表的原理方框图如图1.1所示，其主要由输入电路、量程转换电路、A/D 转换、主控单片机、LabVIEW软件显示等部分构成拟信号经输入电路处理、滤除干扰输出直流信号；量程转换电路根据前级直流信号的大小，再通过A/D转换，PGA自动选择放大倍数的信号处
5、理方式；主控单片机根据A/D 转换的结果控制量程转换电路的自动实现，同时将转换的结果计算、处理送至LabVIEW软件，进行显示误差处理。图1.1系统基本方框图3 硬件部分3.1 89C52单片机3.1.1芯片简介单片机选用的是STC公司新推出的STC89S52RC。该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。STC89S52还有以下主要特点：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软
6、件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。单片机主要用来对实现其他硬件的控制及通讯作用。3.1.2 ASTC89C52的管脚及引脚说明AT89C52的管脚排列如图3.1所示, 各引脚功能如下: 1） VCC : 电源； 2） GND: 地；3） P
7、0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。我接的是ADS7825的输出数据4）P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。我接的是ADS7825的控制端，和PGA的控制端，用来控制A/D的启动和PGA的放大倍数。 5）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口；6) P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口；7） RST: 复位输入；8） ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。 9） PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）
8、是外部程序存储器选通信号。 3.2 A/D转换电路A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。由于需要在最下量程下显示1uV的电压变化，所以我们需要选择高位数的AD，所以我们选择16位的芯片ADS7825。3.2.1芯片简介 ADS7825 是4 通道、16 位的A/ D 转换器, 它最大功耗仅为50mW ,由单一5V 电源供电, 可接受- 10. 010. 0V 的模拟输入电压。该
9、芯片内部含有4 通道多路转换开关、16 位CDAC、时钟、参考电压和并行/ 串行微处理器接口以及控制逻辑。它的最大优点是经A/ D 转换后的数据既可并行输出, 又可串行输出。3.2.2 ADS7825的管脚及引脚说明 ADS7825 的管脚排列如图3.4所示, 各引脚功能如下: 1）AIN 0 AIN 3 : 4 个模拟通道, 可接受-1 0. 0 10. 0V 的模拟输入电压; 2）PAR/ SER : 该管脚为高电平时, 数据在D0D7 脚并行输出; 为低电平时, 数据在SDATA 脚串行输出; 3）B YTE : 并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。B YTE = 1 时, 输
10、出低8位D0D7 ,B YTE = 0 时,输出高8 位D0D7 ; 4）R/ C : 读数/ 启动转换, 该管脚被一下降沿触发将保持前次的采样并启动下一次模数转换; 上升沿触发,则允许读数; 5）BUSY: 状态标志位, 只读管脚。在AD 转换过程中,该管脚输出始终保持低电平。转换结束,数据锁存到输出寄存器后, 该管脚输出高电平。当数据作并行输出时,必须使BUSY= 1 ,才可读数。 6）CON TC : 选择转换模式。CON TC = 0 时, 必须用CS 及R/ C 来逐次启动AD 转换; CON TC = 1 时,采样和读取数据在4 个通道之间自动循环进行。SYNC :串行数据输出帧同
11、步信号。SYNC 为输出管脚, 仅在数据作串行输出时使用。输出正脉冲时,其后沿标志着一帧数据的最高位开始输出。图3.3 ADS7825管脚排列图3.2.3 ADS7825转换原理说明 使用ADS7825 芯片时,将CS 置0 ,然后给R/ C脚加一下降沿即可以启动AD 转换。此时,BUSY脚的输出保持低电平, 直至数据转换完毕且内部输出寄存器的内容被更新。AD 转换及数据锁存时间为25s 。检测BUSY脚的输出电平可以判断数据转换状态, 当状态标志位BUSY = 0 时, 数据转换仍在进行, 此时不可读取数据。BUSY = 1时,表明数据转换已结束且数据已进入输出寄存器,此时方可读取数据。令并
12、行数据输出选择位BYTE = 0 ,即可读出高8 位数据,B YTE = 1 ,读出低8 位数据。ADS7825 可以在连续和间歇两种数据转换模式下工作。由管脚CON TC 决定选择哪种模式工作, CON TC = 1 时,选择连续转换模式,当CS、R/ C和PWRD 端均为低电平时, AD 转换和读数将在AIN0通道进行。3.3 PGA放大电路3.3.1芯片简介 PG A204/205 是美国Bu rr -Brow n 公司生产的低价格、多用途的可编程增益放大器, 可用两位TT L 或CMOS 逻辑信号A1 、A0 对其增益进行数字选择。PGA 204 的增益档级为1 、10 、100 、1
13、000V/V , 最大增益误差为0 .1 %; 电路芯片经激光校正, 最大失调电压只有50V , 失调温漂为0 .25V/ , 增益G =1000 时的共模抑制比为115dB 。PGA204/ 205 的电源电压为4 .5V , 适用于电池供电, 输入偏流最大为2nA , 静态电流为5 .2mA 。两种芯片有16 脚塑料DI P 封装和SO L 16 表面封装, 工作温度范围为-45 +86 。高精度、低价格和通用性使得PGA204/ 205 广泛应用于医疗仪器及数据采集等各种系统中。3.3.2 PGA204的管脚及引脚说明PGA204的管脚排列如图3.5所示,各引脚功能如下:图3.5 PGA
14、管脚排列图 A1，A0是是放大倍数调节，通过给入A0，A1来控制放大的倍数，12和11接在一起，接入Vcc。3.3.3 PGA204接入说明 1)电源的噪音大，阻抗大，则应该接入去耦电容； (2)输出是相对于Ref而言的，Ref通常接地，此时链接地线的电阻应该充分小，若大于5，则在增益为1时，此时共模抑制比将降为80dB，这也可以从抑制公共阻抗干扰来看 (3)从精确性考虑，反馈端应该接到输出端 (4)若A0或者A1比接地点电压大2v，则认为输入逻辑1。此时的逻辑电流非常接近0。接地点电位可以从到+4v范围内。逻辑0时的输入电流约为1uA。 (5)常量约为1.3mA的电流从数字地脚流出。因此为避
15、免模拟电路受到数字电路的影响，可以在数字电路端加锁存电路，使数字电路远离模拟电路。在没有加锁存电路的时候，增益选择输入、模拟输出的反应时间大约为1us，反应灵敏。3.4 模拟输入电压 输入电压，要有滑动变阻器要进行调节，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；如图3.6模拟输入电压电路图。 图3.6模拟输入电压电路图3.5 电源转换器3.5.1芯片简介ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器，它的静态电流典型值为170A，输入电压范围为1.5-10V，(Intersil公司ICL7660A输入电压范围为1.5-12）工作
16、频率为10 kHz只需外接10 kHz的小体积电容，只需外接10F的小体积电容效率高达98合输出功率可达700mW（以DIP封装为例），符合输出100mA的要求。3.5.2 ICL7660的管脚及引脚说明ICL7660的管脚排列如图3.7所示, 各引脚功能如表3.1:图3.7 ICL7660管脚排列图表3.1 ICL7660引脚图功能 引脚号引脚符号引脚功能1N.C空脚2CAP+储能电容正极3GND接地4CAP-储能电容负极5VOUT负电压输出端6LV输入低压电压控制端，输入电压低于3.5V时，该脚接地，输入电压高于5V时，该脚必须悬空。7OSC工作时钟输入端8V+电源输入端4 硬件电路设计电
17、路由单片机控制电路部分，USB接口，输入模拟电压电路，PGA放大电路，A/D转换电路还有ICL7660电源转换器电路组成，每个部分我们都根据老师要求的精度和功能，进行了选择，也考虑了对该硬件部分的功能实现顺序，最终选择了该电路连接方法，组成了高精度的具有16 位分辨率，以单片机作为测量的主控制器的智能化的虚拟电压采集系统，具体详见附件一：电路原理图。5 硬件电路实物插接 通过5天的设计，以硬件电路图为基础，进一步进行实物插接，通过插接，我们可以进行实物仿真，从中发现问题，然后不断更改，再进步。主要仪器：电源，剥线钳，数字万用表，通用版电路板，电烙铁，镊子，USB转串口线。使用电烙铁时注意不要手
18、直接触摸。图5.1 实物图调试电路的方法和技巧： （1）目测 检查外部的各种元件或者是电路是否有断点，有无虚焊 （2）用万用表测试 先用万用表符合目测中有疑问的点，再检查各种电源线 与地线之间是否有短路现象 （3）加电检测 给板子加电，检测所有的插座或是器件的电源端的电压 是否符合要求的值（4）注意事项 在通电检查前，一定要确保电路板没有短路6 硬件程序设计量智能化的虚拟电压采集、测量、监控系统的程序采用模块化设计， 用C 语言编写。程序由主程序、量程转换子程序、A/D 转换子程序。流程图见图6.1。具体程序清单见附件二。图6.1 软件流程图7 软件部分设计在软件部分，我们运用了LabVIEW
19、软件，在软件中我们实行了VISA字符串的读取，又运用字符串更改为数组类型接入PGA 放大系统，和写入部分。7.1关于VISA函数由于在本次设计中需要用到串口通信，所以我们首先要对LabVIEW中与串口通信的相关函数有所了解。VISA是VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称。VISA提供用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过它来控制仪器。作为通用I/O标准，VISA提供了统一的设备资源管理、操作和使用机制，它独立于硬件设备、接口、操作系统和编程语言，具有与硬件结构无关的特点。7.
20、2 VI前面板设计Labview 虚拟仪器程序由前面板和框图程序组成, 前面板是人机交互的界面, 界面上有用户输入和显示输出两类控件; 框图程序则是用户编制的程序源代码, 以定义和控制在前面板上的控件输入和输出功能.在我们的设计中，电压经过硬件电路处理后，利用VI进行数据的显示，处理和判断。图7.1 前面板截图7.3 VI程序面板设计程序面板的设计首先要考虑电脑和单片机的通信，所以需要使用labview的VISA驱动使电脑和单片机连接起来，然后通过VISA的配置串口控件，写入控件，读取控件可以对于数据的输入和输出。图7.2 VISA函数读进来的数据是16位的二进制数，由于单片机的发送只有8位，
21、所以16位的数据是需要通过两次来发送，因此在labview中通过索引数组接收两次发来的8位数据，然后把高8位的数据和低8位的数据合并在一起，然后和216-1=65535做除法，然后和5相乘，获得了实际的电压值，并送给电压表显示。如图： 图7.3 数据处理程序数据经过转换后和4进行比较，如果大于4的话，就是启动报警。 图7.4 报警电路由于电压表的要求需要四档自动可调，所以在程序显示中我们也做了处理，当输入的数据在相应的档位中时，就在显示控件中显示档位。 图7.5 档位判断程序为了要保存数据，在电压图表上创建节点，复制数据至剪贴板，所以得数据保存。T 图7.6 保存数据图7.7 程序总图总结 在
22、本次课设的时间里，我从不是很了解，到慢慢的了解，再到开始实际操作，虽然开始什么也不知道，但通过查阅书籍，和请教老师，已经懂的原理，选择元器件，绘制电路，焊接电路板，编程，软件实行，到最后串口连接，虽然最终还是没有调试出来,但经历这个过程之后,学到了很多东西,也还算圆满。本次课程设计让我温习了单片机的基本原理、功能以及构造，现代仪器的基本知识，以及ADS7825的基本工作原理，学会了使用KeilCx51和AD这两个软件的基本使用方法，利用C语言在KeilCx51下进行编程实现所需要的功能，同时在AD软件上画电路图，通过硬件的制作提高了动手能力和分析问题的能力。在软件方面，主要是通过看芯片的基本资
23、料进行编写的，我的网上查找了各种资料，通过学习，了解了ADS的启动方式和电路连接。在硬件的选择上也有了进一步的了解，按照老师的要求，选择了精度高的AD7825芯片，还有在PGA的选择，为了达到四档可调，并且能够显示到1UV的程度，选择了PGA204。其次，对一些基本电路检测问题，能够简单进行解决，在查找电路的过程中收获得比之前更多。最后，要特别感谢牟老师在课设中的耐心指导，虽然我最终还是没有能调试出结果，但这个过程我很享受。希望自己在课设后，能够调试出来，也算对得起这么多天的付出！参考文献1 马德骏.计算机程序设计基础.北京：科学出版社，20092 郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2013.3 中国电子设计工程从书编辑办公室.数据转换器选型手册M.西安：西安电子技大学出版社，20064 谢楷，张昌民，刘丞.智能仪表中的量程切换电路J.仪表技术，2008（4）：62-64.5 史建芳.智能仪器设计基础.北京：电子工业出版社，20136 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计（第二版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2004.