频率-电压-电流转换实验装置的设计.doc

1、摘 要单片机在信号检测和控制系统中有非常广泛的应用，电压、电流、频率信号转换测量对于很多工业生产具有很现实的意义。本文设计了一种简单的电压、电流频率信号转换测量系统。系统使用AD694、MAX472、LM331作为主要的信号转换芯片,以TLC1549作为AD转换芯片，以51系列单片机作为控制核心来构建系统。该系统具有信号转换、测量和显示功能，在工业和农业等领域有广泛的应用。本文详细的描述了电压、电流和频率信号转换测量系统的系统设计方案、硬件电路设计和软件设计，并对部分硬件电路和开发的C语言程序进行验证。系统在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文最后一章对本

2、次设计作了总结，并提出了不足之处，为系统以后进一步开发奠定了基础。本次设计的电压、电流、频率转换测量系统能够实现电压、电流、频率信号之间的相互转换并进行测量，解决了现实中的某些困难，对工业和农业，以及我们生活具有非常大的意义。关键词：转换测量；51单片机 ；TLC1549 ； MAX472 ； AD6941Abstract Microcontroller has a very wide range of applications in signal detection and control system, voltage, current, frequency measurement sig

3、nal conversion for many industrial production with a very real sense. This paper describes a simple voltage, current frequency signal conversion measurement system. System uses the AD694, MAX472, LM331 chip as the main signal conversion to AD conversion chip TLC1549 as to 51 computers to build the s

4、ystem as the control core. The system has a signal conversion, measurement and display functions, and enables the serial output in industry and agriculture and other fields have a wide range of applications. This paper describes in detail the voltage, current and frequency measurement signal convers

5、ion system design solutions, hardware and software design, and part of the hardware and development of the C language program for validation. Analyzing the feasibility of the system, based on the reliability, with reference to engineering design, to establish a structured design ideas. This last cha

6、pter of this design are summarized and presented inadequacies of the system laid the foundation for the further development of the future. The design of the voltage, current, a frequency converter for voltage measurement system, current, frequency conversion between the signal and measured, to solve

7、 some of the difficulties of the display in the industry and agriculture, as well as a very large we live significance.Key words: Convert and measure; 51SCM；TLC1549；MAX472；AD6942目 录引言11 绪论11.1 课题背景11.2 研究的意义22 电压-电流-频率转换测量的方案设计22.1 课题设计要求22.1.1课题主要功能指标要求22.1.2设计要求22.2 频率电压电流转换系统结构23 电路设计与论证43.1 设计分析

8、43.2 系统总方案53.3 各个模块方案53.3.1单片机选择53.3.2 A/D采样系统选择83.3.3 显示部分选择103.3.4 单片机与PC机通信电路设计133.3.5电流-电压转换选择133.3.6电压电流转换选择143.3.7AD694电路原理164 理论分析及电路设计174.1 系统总体设计与框图174.2 实际电路174.2.1单片机系统174.2.2 A/D转换电路194.2.3 LCD1602显示电路设计194.2.4 单片机与PC机通讯电路204.2.5电源电路设计204.2.6电压电流转换电路设计214.2.7电压频率转换电路设计224.2.8电流电压转换电路设计22

9、4.2.9电流频率转换234.2.10频率电压转换234.2.11频率电流转换245. 系统软件设计245.1 系统软件设计总体流程图2415.2 测量转换系统软件设计255.3 LCD1602软件设计275.4 电压转换测量模块软件设计276. PCB板的制作286.1 原理图与PCB的制作286.2 电路板到印制和焊接287. 调试与性能分析297.1 调试297.2 性能30 7.3误差分析308. 总结与思考31谢 辞33参考文献34附录352引言随着电子技术和计算机技术的迅速发展和进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域中，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正

10、在大量应用。但是很多传感器只提供420mAH或者05V的直流模拟信号输出，比如我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入15mA或者2001000Hz的模拟信号，所以一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。此外，随着现在电子产品的种类越来越多，工作的信号源也不同，还有很多场合需要实现电压、电流、频率这三个信号之间能相互转换。而购买专用的转换装置不仅价格昂贵，而且因为对设备原理不甚了解，维护不方便。而实际上自己设计制作的转换电路同样也可以实现信号转换测量功能，也方便工作人员对设备的维护。本设计就是一种以单片机为核心，以MAX472、AD6

11、94和LM331为主要转换器件，并用TLC1549作为A/D转换器件的电压、电流、频率转换实验装置。1 绪论1.1 课题背景对于电压当要较远距离传输信号的时候，用电压传输的话会有比较大的压降，这个时候如果换成电流传输的话，压降情况就会好很多；一般的高频，宽带运放，如果上了一定频率的话，都免不了要使用电流运放的形式。现在绝大多数的提供电量的多是电压源，所以在某些场合必须要将电压转换成电流；在现在电路设计中，通常需要知道某一个未知电流源信号的值，而普通测量电压的方式是采用万用表直接测量，但是有时候需要时时监测电流，并将测量到的电流值输入电脑进行处理，这时万用表测电压显然不适用了；现在采用单片机为核

12、心来时时检测电流的值，需要进行AD转换，而AD转换芯片的输入信号是电压值，所以需要将电流信号转换成电压信号；此外，在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号，需要先将其转换成电压信号，以便送给各类设备进行处理。在现在的电子产品中有很多的产品的驱动信号源是频率信号，而我们常用的信号源是电压信号，所以有必要将电压信号转换成频率信号。此外，现在还有很多电子器件输出的信号是频率信号，而有些电子器件的输入信号是电压或者电流，实现频率转换成电压或者电流就显得十分有意义。111.2 研究的意义在现代电子技术飞速发展的情况下，需要电压、电流、频率相互转换的情况越来越来越多，而对于一些小企业，买专门的转换器需要花

13、费大量的经费，而且后期维护相对复杂。而本次研究就实现了很多企业的需求，而且成本相对低廉，维护方便，为很多的企业节约了经费。2 电压-电流-频率转换测量的方案设计2.1 课题设计要求2.1.1课题主要功能指标要求： （1）供电电源：12V。 （2）主机显示器件：LCD。（3）功能：电压频率转换测量、电压电流转换测量、电流频率转换测量。（4）指标：电压测量范围0V5V；测量精度0.4V。电流测量范围0A3A；测量精度0.04A。频率测量范围0Hz10kHz；测量精度1Hz。电压、电流、频率三者可相互转换。（5）供电电源：子机3V5V；主机12V。 2.1.2设计要求 （1）拟定完整合理的技术方案。

14、设计完整的系统电路。 （2）制作、调试可供测试的试验电路板。 （3）能通过实物检测。（4）要求完成的硬件简洁、美观。2.2 频率电压电流转换系统结构电压电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随着负载的变化而变化。而用电流作为信号传输相比电压传输有很多优点。电压传送过程中会有电压损失，信号容易受到干扰。而电流方便远距离传输，而且其值不受负载的影响，相比电压传输稳定。正是电流传输具备这样的有点，有时候必须将电压转换成电流。电压频率转换，即V/F转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的频率信号，并

15、实现输出。其用于信号处理或者控制技术，常见于FM解调，电机变频控制领域。它输出的频率与负载没有关系，只与其电压值的大小有关系；电流频率转换，即I/F转换，是将输入的电流转换成频率信号，并实现输出；虽然电流传输和频率传输都能避免电压传输所引起的信号干扰和衰减，但是有些电子器件工作的信号源是频率信号，所以在传输过程中需要将电流信号转换成频率信号。而电流电压转换，即是将输入的电流信号转换成电压信号，并实现输出；频率电压转换是将输入的电压信号转换成频率信号，并实现输出；频率电流信号是将输入的频率信号转换成电流信号并实现输出。 信号转换系统一般由信号转换电路、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器组成。系统框图如图2-1表示。A/D转换电路微处理器信号调理电路信号转换电路 图2-1 系统框图其中信号调理电路，它是信号源与A/D之间的桥梁，也是控制系统中重要的组成部分，信号调理的主要功能是：（1） 某些测量信号可能是非电压量，入热电阻等，这些非电量信号