智能数字电压表

目 录
一论文 摘 要...........................................2二设计要求..............................................3 功能要求..............................................................................................................................3 主要技术指示......................................................................................................................3 三方案论证与选择………………………………………………………………………4四系统原理及基本框图......................................5 （一）电源设计..................................................................................................................5 （二）ATC51单片机.......................................................................................................6

五.软件设计.............................................12
（三）A/D转换芯片...........................................................................................................7

（三）ROM自检流程图:...................................................................................................15 （四）显示子程序:..........................................................................................................16 （五）A/D中断服务:.......................................................................................................17五、程序清单.............................................18 （一）主程序....................................................................................................................18 （二）ROM自检.................................................................................................................19 （三）RAM自检.............................................................................................................20 （四）输入通道自检......................................................................................................21
（五）LED显示自检.........................................................................................................21

（六）显示子程序............................................................................................................23

（七）A/D中断……………………………………………………………………………………….24

六元器件清单………………………………………………………………………………26

七系统评估…………………………………………………………………………………27

设计总结................................................28

参考文献................................................30

是电压，电子电路的许多特性，如频率特性、调制度、非线性失真系数等都可以视为电压的派生量，各种电路的工作状态，如谐振、平衡、饱和、截止及动态范围等，通常都用电压的形式来反映。电子设备的各种控制、反馈信号也主要表现为电压量。因此电压测量是电子测量的最基本内容之一。本系统是利用ATC51单片机的一种电压测量电路,该系统除了采用ICL7135高精度、双积分A/D转换电路外，还增设了超限报警电路。

交流0~750伏，LED数码管显示。正文着重给出了软硬件系测量范围直流0~1000伏，
统的各部分电路，介绍了双积分电路的原理，ATC51的特点，ICL7135的功能和应用。

关键词：数字电压表，ATC51，ICL7135，双积分A/D转换器

一．设计要求

（一）功能要求（1）能够测量各种波形交流电压的有效值；
（2）具有开机自检、自动量程转换功能；
（3）具有克服随机误差的数字滤波功能；
（4）使用220V交流电源,设置电源开关、源指示灯和电源保护功能。

（二）主要技术指示

（1）直流电压量程200mV、2V、20V、200V、1000V 交流电压量程为200mV、 2V、20V、200V、750V
（2）测量误差：≤±（0.5%(读数)+0.2%（满度值）)
（3）分辨率：100uV(最小量程)
（4）显示方式：四位LED数码管显示

三总体方案论证与选择

机的角色；

A从功能要求看，

分辨率=100u/750≈0.13u

采用双积分型A/D转换器，不需要采样保持器

这样，系统组成方案的雏形已经建立。

电源电路

本方案利用A/D转换原理将被测模拟量转换成数字量，并通过控制系统即单片机用数字方式显示测

量结果

方案2

基准参考电压

时钟源

被测电压

量程开关

输入电压

A/D 转换

计数器

数字显示

逻辑控制

七段译码驱动

数码管便可组成3位半的数字电压表。它由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分

包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D转换电路。数字部分包括时钟源、计数器、
本方案采用双积分A/D转换器，使用时只需外接少量的元器件，配以译码驱动及LED

来

方案3

A/D转换

电源部分

LED 数码管

本方案以专用真有效值转换芯片和A/D转换器为核心来设计数字电压表，设计简单易行，

而且可靠性较高

以上三种方案比较而言，第一种方法比较常用，并且技术也比较成熟，技术方面均能达

到设计要求。因此本设计采用方案一

三 系统原理及基本框图

（一）电源设计

由于单片机及所使用的芯片均为±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：

S1 ~220V D1 C3 1000uF C2 0.33uF GND C4 0.1uF R3 1K
3

7805

Trans3	C10	C8	1		3	C9	GND
							DS1
							LED0
			GND
	1000uF
		2 0.33uF IN	D3	OUT		0.1uF	-5V

U5
7905
1N4148

图1电源设计图

由该电路实践证明：（1）最高输出电压受稳压器最大输入电压及最小输入输出压差的

，该固定式三端集成稳压集成电路7805最大输入电压为35V，输入输出差要保持2V

以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压为+14V，所以该电路的输出最大值为+12V。（2）实验表明，在稳压器的稳压范围内，其稳压精度可达±0.03。（3）由于集成

稳压器7805和7905具有很高的“电压调整率”把输入包含的交流成分和输入直流波动

一起加以抑制，从而使输出直流稳定，交流纹波减小。1N4148是保护二极管，用来防

止在输入短路时输出电容C4和C9所存储的电荷通过稳压器放电而损坏器件

（二）ATC51单片机

芯片介绍：ATC51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器

（FPEROM—FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能

CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，

与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器

组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提

供了一种灵活性高且价廉的方案。

1.主要特性：
·8031 CPU 与MCS-51兼容
·4K 字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)·全静态工作：0Hz-24KHz
·三级程序存储器保密锁定
·128*8 位内部RAM

· 6 个中断源· 可编程串行通道 ·32 条可编程I/O 线
·两个16 位定时器/计数器

（三）转换器ICL7135

如图所示：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，

将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间

隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计

数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；

接着对基准电压进行同样的处理。在常用的

A/D转换芯片（如ADC-0809、ICL7135、

ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不

同，它是一种四位半的双积分

图2双积A/D转换器的波形图

ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。

1.ICL7135的引脚功能及主要特性
ICL7135是双斜积分式4位半单片A／D转换器，28脚DIP封装。

其引脚功能如下：
{1}脚（V－）－5V电源端；
{2}脚（VREF）基准电压输入端；
{3}脚（AGND）模拟地；
{4}脚（INT）积分器输入端，接积分电容；
{5}脚（AZ）积分器和比较器反相输入端，接自零电容；{6}脚（BUF）缓冲器输出端，接积分电阻；
{7}脚（CREF＋）基准电容正端；
{8}脚（CREF－）基准电容负端；
{9}脚（IN－）被测信号负输入端；
{10}脚（IN＋）被测信号正输入端；
{11}脚（V＋）＋5V电源端；
{12}、{17}～{20}脚（D1～D5）位扫描输出端；
{13}～{16}脚（B1～B4）BCD码输出端；
{21}脚（BUSY）忙状态输出端；

{23}脚（POL）负极性信号输出端；{24}脚（DGND）数字地端；{22}脚（CLK）时钟信号输入端；

2.性能：
（1）总读数达+20000和-20000计数，满标电压为2.0000V，精度达±1计数；（2）自校零，保证零电压输入时读数为零；
（3）输入阻抗大于1000M，
（4）具有精确的差分输入
（5）自动判别信号极性，保证零读数附近极性准确；
（6）只要求单一基准电压
（7）具有适用自动量程能力的超量程和欠量程信号；
（8）全部输出与TTL兼容；
（9）用闪烁显示的方式直观的表明超量程状态；
（10）设有六个I/O辅助信号，适用于多个异步收发机，微理器或其它组合线路；（11）采用位扫描和BCD码输出。

3 数据输出方式：
ICL7135的输出方式为动态BCD码扫描形式，图中是其输出波形图，这种图形 以供显将BCD码数与字位数及ST倍相配合使用，可组成多种形式的数据据输也电路，

示或计算机采集数据之用。

当输入模拟量超过或者低于合适量程时OR端或UR 端就会出现图所示的波形在过

量程情况下，显示数还会自动“闪光报警”。

图3 ICL7135数据输出方式图
4. 7135数字部分
数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。7135一次A/D转换周期分为四个阶段：1、自动调零（AZ）；2、被测电压积分（INT）；3、基准电压反积分（DE）；4、积分回零（ZI）。具体内部转换过程如图所示

图4 ICL7135 数字输出图

由于数字部分以DGNG端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参

考点。基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。

5.与单片机系统的串行连接
在ICL7135与单片机系统进行连接时，使用并行采集方式需要外部的时钟信号，在实际应用系统中，经常采用外接RC振荡器的方式，这样可以根据积分时间确定振荡频率。为了使电路具有抗50HZ串模干扰能力，A/D转换的积分时间应选择积分时间等于50HZ工频的整数倍。当时钟频率fclk=125kHZ时，则每个时钟周期为1/fclk，所以A/D转换的积分时间为To=40002*（1/fclk）=320ms 即当时钟频率为125kHZ时，每秒约转换3次。

积分电阻Rint 和积分电容Cint的选择是非常关键的。Rint应选择精密电阻，积分电阻是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，充
电电流的常规值为20uA，积分电阻的精确值可由下式得到

在ICL7135的实际应用中，最常用的时将输入电压范围接为最大即+2～-2V，此时基准

接法。 Cint 积分电容的计算公式为电压应为1/2满量程电压即+1V，

Cint=(10000*(1/fclk)*20uA)/积分器输出电压的摆动幅值
由于积分电容和积分电阻的乘积由给定的最大电压波动选择，而最大电压波动不超过积分器允许范围（接近正负电源的0.3V）。所以，满量程积分器输出电压的摆动幅值控制在±3.5V～±4V的电压范围较为理想。如果电源电压取±5V，ICL7135的模拟地端接0V，则积分器输出电压的摆幅取±4V就是合适的。此时的电容为
Cint=10000*(1/125)*(10^(-3))*20*（10^(-6)）/4=0.4uF
在实际应用中考虑到可靠性，应使积分器的输出电压摆幅稍小一些，所以常取
Cint=0.47uF。此外积分电容一个很重要的特性是当它只有很小的介质吸收系数时，才可

阻止过冲翻转。通常选聚丙烯电容器或聚碳酸酯电容器作积分电容。

自动调零电容Caz的大小对系统的噪声有些影响，选用较大容量的电容可以减小噪声，典型值为1uF。

基准电容Cref应大到足以使结点对地的寄生电容可以被忽略为止，典型值为1uF。积

分输出端串接一个二极管D和电阻R=100kΩ，是为了消除ROLLOVER误差，根据要

求接上即可。

ICL7135的并行方式在实践中的应用效果很好。与串行方式相比，其突出的优点是结构

简单、程序简洁、占用单片机的资源少、可提高抗干扰能力，同时可提高仪器的检测可

靠性，并且可在不添加任何扩展口线器件的情况下使系统的成本得到降低。

ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，

它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳

定及价格低廉等优点.ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器.

CD4066是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个的能控制数字及模拟信号传送

的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通

端（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。

使用时选通端是不允许悬空的.

输入衰减器、程控电压放大电路

设输入衰减器的传输系数为A1，放大器的增益为A2。⑴输入衰减器和放大器增益控制

①200mV 量程总增益为A200mV=UO/UI=2/0.2=1×10=A1A2，②2V量程总增益A2V=UO/UI=2/2=1×1=A1A2，初步确定采用同相比例放大器，200mV
由于A/D转换器满度输入电压即放大器的输出电压UO=2V，所以

换。

⑤700V量程总增益A1000V=UO/UI=1/1000=(1/1000)×1=A1A2。

在20V、200V两档由继电器J1、J2接入A1=1/100的输入衰减器，配合A2=10或1实现量程转换，1000V量程由J1、J2接入A1=1/1000的输入衰减器，配合A2=1实现量程转换。

⑶电路参数计算：运放A1选ICL7650斩波稳零运放。

R1、R2、R3组成输入衰减器，D1、D2、D3、D4、R4、R5、R6组成输入保护电路，A1、R8、R9组成高阻同相放大电路，J1、J2、S1组成量程转换电路。S2与R10等组成输入通道自检电路。（J1、J2继电器、S1、S2电子开关CD4053）。

ICL7650运放的输入电阻远大于10MΩ（Ri=1012Ω），所以R1+R2+R3=10MΩ。

因为R3/(R1+R2+R3)=1/1000，所以R3=(R1+R2+R3)/1000=10MΩ/1000=10kΩ
因为(R2+R3)/(R1+R2+R3)=1/100，所以R2+R3=(R1+R2+R3)/100=10MΩ/100=100kΩ
R2=100-R3=90kΩ，R1=10MΩ-(R2+R3)=10MΩ-100kΩ=9.9MΩ
因为Au=1+R8/R9=10即R8/R9=9，取R9=1kΩ，则R8=9×R9=9kΩ；
D1、D2选用开关二极管1N4148，R4为限流电阻，设流过D1、D2的最大电流为10mA， PR4≈UIMAX2/R4=10002/100=10W，由于ICL7650最大则R4≈UIMAX/IDM=1000/0.01=100kΩ，
允许输入电压为：VCC+0.3V和VEE-0.3V，所以，使用4V的稳压二极管将A1同相端电位在±4.7V。R5为直流平衡电阻，其值应等于运放同相端到地的电阻（约为100kΩ）。

I/O 口分配

四软件设计
1时钟频率的确定
⑴单片机时钟：时钟频率高运算速度快，但耗电量增加、抗干扰能力变差。本设计对

速度要求不高，也无串行通信功能，故对时钟无特殊要求，选fosc=6MHz。

⑵ A/D的时钟：如果正向积分阶段的时间（10000×TCP）是干扰信号周期的整倍数时对此干扰抑制效果很好，如50Hz工频干扰的周期为20mS，取正向积分时间为80mS，则80000μS=10000×TCP，即TCP=80000μS/10000=8μS，fCP=1/TCP=1/8μS=125kHz。ICL7135完成一次A/D转换需要40002个时钟周期，当TCP=8μS时，转换周期为T≈40000×8μS=320mS。A/D转换速度约每秒3次。

2监控程序设计
⑴RAM地址分配
附表5-1 RAM地址分配表

⑵量程状态转换表：

(P3)=0BFH，量程开关置自检状态
0EH=05H，置量程指示寄存器1组R6为自检
(SP)=4FH

(2BH)=10H，置小数点应在字位码（万位）
(2DH)=00H，请各个位标志
（一）主程序流程图:

开始

开机自检

有故障 F1<1

F0=1?

F1=1?
1.

（二）开机自检

开机自检

ROM 自检 RAM 自检 输入通道故障

显示缓存区E1 显示缓存区E2 显示缓存区E3

清除F1

量程F1(F1?1)

系统初始化

（三）ROM 自检流程图:

ROM自检

清零A,B

A?读ROM

B?A异或B指向下一单元

A=B?

清零

置位

返回

（四）显示子程序:

显示子程序

置显缓存区首址,置位码

关显示,取显示数,查段码

百位?

十位=1?

显缓区地址减1

加DP修改位码

加符号

延时1ms

最后一位

返回

ICL7135 每一分钟完成3次据的采集工作，1/3秒完成后向CPU 申请中断,CPU这时暂停工作，为中断服务.中断响应后关中断，将PSW、ACC压栈，判断是否首次中断，如果是首次中断，则将正负号标志位置入60H，再把百位置入61H中，如果不是首次中断，则跳到NEXT处，如果是第二次中断，则将十位数置入62H中，如果是第三次中断，再将个位数置入63H中，第五次中断则将小

数点位置入H中，同时个位置入H中。同时清除中断次数寄存器30H中的值，完成中断后将

ACC、PSW出栈，开中断。

消隐的思想：每次电压采集后，CPU将数据送到LED显示，将可能出现以下几种需要消隐的情

况。

例如：750V档量程：

此时百位的值‘0’不符合人们的视觉习惯，需要把百位的值消隐掉，编程是将#20H送入百位，使其在

LED中不显示任何字符即可。同样的情况如下：

2000V档量程：

200V档量程：

个是零。例如750V档量程，-01.9V，在2次中断时判断档位是750V档，第1位是零，消隐第2位

个位。

五、程序清单

……………………………………………………………………………（一）主程序
…………………………………………………………………………… T1: ACALL DISPLY
ACALL TROM
JB 20H.0,E1
ACALL TRAM
JB 20H.1,E2
ACALL TCH

MOV 2BH,#06H
AJMP FF
E2: MOV 2CH,#79H
MOV 2BH,#5BH
AJMP FF
E3: MOV 2CH,#79H
MOV 2BH,#4FH
AJMP FF
FF: SETB F1
AJMP INI
INI: ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INT0
MAIN: MOV SP,#4FH
MOV IE,#81H
SETB IT0
MOV P2,#1FH
MOV P3,#03H

HH: ACALL DIS1 JNB F0,GG MOV 14H,#05H

AJMP T1
II: CLR P3.3
AJMP HH
RET
END

……………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………

（二）ROM自检

……………………………………………………………………………

TROM MOV DPTR,#0FFFH

PUSH DPH PUSH DPL

MOV B，#0
LP1: CLR A
MOV A,@A+DPTR
XRL B,A
POP ACC
MOV R1,A
CJNE A,DPL,LP3
POP ACC
MOV R2,A
CJNE A,DPH,LP2
AJMP LP4
LP2: MOV A，R2
PUSH ACC
LP3: MOV A，R1
PUSH ACC
INC DPTR
AJMP LP1
LP4: MOV DPTR,#0100H
CLR A

XRL A,B JNZ LP5
END

……………………………………………………………………………

（三）RAM自检

……………………………………………………………………………

TRAM: MOV R1,#00H
LOOP: MOV @R1,#55H
MOV A,@R1
CJNE A,#55H,AA
MOV @R1,#AA
MOV A,@R1
CJNE A,#0AAH,AA
INC R1

AA: SETB 20H.1
END

……………………………………………………………………………

（四）输入通道自检

……………………………………………………………………………..

TCH: MOV 14H,#05H
SETB P2.5
ACALL delay
MOV A,26H
CJNE A,#00H,BB
MOV A,25H
CJNE A,#9,CC
CLR C
MOV A,24H
SUBB A,#7
JC EE
DD: CLR 20H.2

EE: RET SETB 20H.2 RET

JC EE
AJMP DD
RET
CC: AJMP DD
RET
delay: MOV R7,#10
DL3: MOV R6,#200
DL2: MOV R5,#248
NOP
DL1: DJNZ R5,DL1
DJNZ R6,DL2
DJNZ R7,DL3
RET
END
（五）LED显示自检（显示4 位“0“和4位数字“8”
）
……………………………………………………………………………

DISPLY: NOP
CLR R5
MOV R5, #4
MOV R2, #100
DISPLY1:
SETB P3.3
ACALL DL1
DJNZ R2, DISPLY1
MOV R2, #100
CLR P3.3
DISPLY4:

MOV	R0,	#2CH
MOV	R3,	#01H

DISPLY2:
MOV A, R3
MOV P2, A
CLR A
MOV DPTR, #TAB1
MOVC A, @A+DPTR

ACALL DL1 INC R0
MOV

AJMP DISPLY2
DISPLY3:

DJNZ	R2,	DISPLY4
MOV	R2,	#100
MOV	R1,	#2CH

DISPLY5:
MOV A, #80H