基于C語(yǔ)言的直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

李思嘉劉秋朋張繼學(xué)張愛麗

（1 河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007）

(2 河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007)

(3 新鄉(xiāng)市國(guó)營(yíng)第七六零廠 河南 新鄉(xiāng) 453000)

基于C語(yǔ)言的直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

李思嘉1劉秋朋2張繼學(xué)3張愛麗2

（1 河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007）

(2 河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007)

(3 新鄉(xiāng)市國(guó)營(yíng)第七六零廠 河南 新鄉(xiāng) 453000)

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、壽命短和不便升級(jí)等問題，提出來一種基于C語(yǔ)言以P89V51單片機(jī)為控制核心的數(shù)字電壓表，硬件電路采用正負(fù)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器；電源電路用穩(wěn)壓芯片LM7805和LM7905來處理，電壓負(fù)荷在+5 V和-5 V電壓之間；數(shù)字信號(hào)處理采用CD4052B，由LM324構(gòu)成量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路。控制功能用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。測(cè)量范圍：10 mV-2 V,分辨率1 mV(2 V檔)；測(cè)量誤差小于±0.5 V；輸入電阻大于1 MΩ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電壓表能夠抑制工頻干擾且測(cè)量精度高，具有自動(dòng)校零、量程自動(dòng)切換功能和便于自動(dòng)升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字電壓表自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制單片機(jī)

1 引言

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子測(cè)量?jī)x器數(shù)字化程度越來越高，數(shù)字式電壓表因顯示清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確、集成化程度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，取代功能單一、精度低和讀數(shù)不方便的模擬電壓表成為必然趨勢(shì)。數(shù)字電壓表采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字處理后通過顯示器顯示。采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測(cè)量精度高、速度快、抗干擾能力和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于電子測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表和自動(dòng)測(cè)試等智能化測(cè)量領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)是在以單片機(jī)P89V5為控制核心，采用雙積分技術(shù)，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便、使用誤差小、穩(wěn)定性好并具有智能化、自動(dòng)化、小型化和模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和論證

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在不采用專業(yè)A/D轉(zhuǎn)換器芯片的條件下，設(shè)計(jì)并制作積分式直流數(shù)字電壓表。①系統(tǒng)基本要求：測(cè)量范圍：10 mv-2 V；量程：200 mv,2 V；顯示范圍：十進(jìn)制數(shù)0-1999；測(cè)量分辨率：1 mv（2 V檔）；測(cè)量誤差：小于等于正負(fù)0.5 V；采樣速率：大于等于2次/s；輸入電阻：大于等于1 M；具有抑制工頻干擾功能；②本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：測(cè)量范圍：1 mv-2 V；量程：200 mv，2 V；測(cè)量范圍：十進(jìn)制數(shù)0-19999；測(cè)量分辨率:0.1 m（2檔）；測(cè)量誤差：小于等于正負(fù)0.05%；具有自動(dòng)校零、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分硬件和軟件兩部分，硬件部分采用單片機(jī)P89V51[1]，包括電源電路、信號(hào)處理電路和顯示電路；軟件部分采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。

2.2 信號(hào)采樣的方案論證

模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器完成。將輸入的模擬電壓ui先轉(zhuǎn)換成與ui成正比的時(shí)間間隔，用計(jì)數(shù)器對(duì)恒定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)[2]。計(jì)數(shù)結(jié)束，計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)字量正比于輸入的模擬電壓，從而實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是對(duì)輸入的模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行2次積分，將輸入電壓的平均值變成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入電壓的平均值進(jìn)行變換，所以具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度高，最適合于系統(tǒng)信號(hào)處理。

2.3 處理器的方案論證

積分式直流數(shù)字電壓表功能簡(jiǎn)單，主控芯片要求比較低，價(jià)格也相對(duì)便宜。基于這種情況，選用P89V51或AT89C51作為主控芯片[3]比較合適。AT89C51和P89C51單片機(jī)的處理器是一個(gè)8位的CPU，時(shí)鐘周期為1 us，時(shí)鐘頻率為12 MHz，內(nèi)部程序存儲(chǔ)為4 KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM為256 KB，還有128 B的特殊功能寄存器，5個(gè)中斷源。這些參數(shù)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)閷?duì)P89C51芯片比較熟悉，所以選擇該芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該電壓表是由直流穩(wěn)壓電源供電，P89V51單片機(jī)作為主控器件。被測(cè)信號(hào)由探頭輸入，經(jīng)過信號(hào)濾波，經(jīng)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路和雙積分電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)檢零比較器送到單片機(jī)端口[4]。信號(hào)由單片機(jī)處理后，由數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，具體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 單元電路設(shè)計(jì)

單元電路設(shè)計(jì)如下：①電源電路設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要一個(gè)+5 V和-5 V的直流穩(wěn)壓電源供電，該電源電路由電源變壓器、整流器、濾波器和穩(wěn)壓器4部分組成[5]；

②主控電路：由P89V51單片機(jī)控制的主控電路包括晶振電路和復(fù)位電路[6]；

③量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路：量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路由LM324和3個(gè)電阻構(gòu)成。當(dāng)控制開關(guān)U31和U33閉合時(shí)，正好滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的2V量程檔；當(dāng)開關(guān)U33和U35閉合時(shí)，正好滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的200 mv檔；

④驅(qū)動(dòng)及顯示電路[7]：采用4個(gè)三極管來驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)、中斷子程序設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)。各個(gè)模塊均用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。3個(gè)模塊的程序流程圖如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 中斷子程序流程圖

圖3 定時(shí)器中斷子程序流程圖

圖4 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，要進(jìn)行硬件和軟件兩方面的測(cè)試，其中軟件測(cè)試是以硬件測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。硬件測(cè)試的流程為：畫電路圖、排版、安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、誤差分析和數(shù)據(jù)整理。

硬件調(diào)試的內(nèi)容分下面幾個(gè)方面：①根據(jù)原理圖分析電路的運(yùn)放、比較器和電子開關(guān)的供電電壓是否與分析結(jié)果一致；②進(jìn)一步測(cè)試各點(diǎn)的電位電壓和芯片的各引腳電壓是否與理論分析結(jié)果一致；③用仿真器進(jìn)行硬件電路仿真和軟件仿真，分析誤差是否與理論計(jì)算相差太遠(yuǎn)，是否在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。如果誤差太大，則需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。

以正負(fù)5V 3A穩(wěn)壓電源供電進(jìn)行試驗(yàn)，得出單元電路供電電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)列如表1所示。

表1 單元電路測(cè)試數(shù)據(jù)

列表中的數(shù)據(jù)表明，硬件測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本是吻合的，電路設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

研究了雙積分式直流電壓表的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)的新穎之處在于采用了積分二次電路設(shè)計(jì)，使電壓表測(cè)量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。該設(shè)計(jì)架構(gòu)合理，功能電路完善，系統(tǒng)性能優(yōu)良及穩(wěn)定，具有較好的實(shí)用和推廣價(jià)值。

[1]樓然苗,李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天出版社,2007..

[2]朱曉玲.直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)與proteus應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2012,29(2):59-61.

[3]濮霞,胡亞剛,等.數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)制作[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(4):113-115.

[4]劉瑞.基于單片機(jī)的數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子,2013(2):52-53.

[5]莫勇濤,楊景常.基于LABVIEW的多功能虛擬直流電壓表設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(6):1507-1510.

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QLogic FC適配器以更低耗能實(shí)現(xiàn)“綠色”數(shù)據(jù)中心

從全球角度來看，每天可以分享的數(shù)據(jù)越來越多；同時(shí)，這帶給環(huán)境方面的思考也在迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)的顯著增加意味著企業(yè)數(shù)據(jù)中心需要更多的能源來保證運(yùn)行。因此，數(shù)據(jù)中心在大型基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能減排中發(fā)揮了重要的作用。

Dynamic Power Management技術(shù)，如Intelligent Link Training(ILT)，能夠有效減少Q(mào)Logic 2500系列（8GB）和QLogic 2600系列（16GB）FC適配器的能耗，且無需IT管理人員干預(yù)。Intelligent Link Training(ILT)的使用，使得PCIe總線只需最少數(shù)量的數(shù)據(jù)通道，就可最大限度地提供吞吐量。例如，在PCIe Gen2插槽中，QLogic 2600系列適配器可以使用全部的8個(gè)PCIe通道，然而，當(dāng)用PCIe Gen3替換后，只需要用四個(gè)通道。而另外四個(gè)通道在沒有使用的情況下將被關(guān)閉，從而節(jié)省耗能。在一個(gè)配備數(shù)千服務(wù)器和光纖通道適配器的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，QLogic解決方案能夠通過較低的電能消耗實(shí)現(xiàn)大幅度的成本節(jié)省。

（王珩）

Design on DC Digital Voltage Meter Based on C Language

LI Si-jia1LIU Qiu-peng2ZHANG Ji-xue3ZHANG Ai-li2
(1 College of Physics and Electronic Engineering,Henan Normal University,Xinxiang He’nan 453007,China)
(2 College of Computer&Information Engineering,Henan Normal University,Xinxiang He’nan 453007,China)
(3 Nationalized Seventh Six Zero Factory,Xinxiang He’nan 453000,China)

Aiming at the shortcomings of traditional digital voltage meter such as complex structure,high cost,short service life and difficult upgrade,a digital voltage meter is proposed,which is based on C language and uses P89V51 single chip microcomputer as control core.The hardware circuit uses dual integrating A/D converter;the power supply circuit is handled by steady voltage chip LM7805 and LM7905;the voltage load ranges from+5 V to-5 V;the digital signal processing adopts CD4052B,and the automatic range conversion circuit is constituted by LM324.The control function is implemented by C language programming.The measurement range is from 10 mV to 2 V,the resolution ratio is 1 mV(2V gear);the measurement error is less than±0.5 V;the input resistance is greater than 1 MΩ. The experimental results show that the voltage meter can restrain the power interference,has high measurement accuracy and such advantages as automatic zero,automatic range switching and automatic upgrade.

digital voltage meter;automatic switching;control;single chip microcomputer

TP386.1

A

1008-1739（2014）16-54-3

定稿日期：2014-07-12

河南師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（20130012）；

教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（13A510533）