二：CD4051
模拟开关CD4051相当于一个单刀8掷的开关，开关接通哪个通道，是用输入的三位地址码ABC确定。“INH”是禁止进入的口，当它等于1时，每个通道就都不能接通。
假如，若这个模拟单刀8掷开关提供电源VDD=+5V，数字信号地VSS=0V,
当VEE= —5V时，只要对此单刀八掷开关加以0-5V的控制的数字信号，就可以控制幅
度范围为-5V-+5V的模拟信号。
图3-2 CD4051芯片管脚分布
三：程控模块原理如下图3-3显示。
图3-3程控放大器模块
程控放大器模块的工作原理：被测交流电压信号经过射极跟随器把前后的电路隔离开，隔离后的信号经过单刀8掷开关(起初的开关最大档位有效，也就是BA:10)把信号经过集成运算放大器之后放大到下级电路的必须范围之中，使后级电路能工作正常。
3.2 真值有效值转换电路的设计
一般数字电压表只可测量直流电压。但是要测量交流电压，必须有交流变直流的转换电路。因为本设计是测量交流有效值，所以要对交流信号进行真值有效值的转换。
真值有效值方法检测电流、电压的重中之重是TRMS/DC转换器，这类转换电路已经能够实现集成化。考虑到精确度、带宽、功率、输入信号的电平、稳定时间等因素本系统采用了AD公司的转换元件AD637。它拥有反应速度快，反应时间短并且和信号的幅度无关等优点。根据他的特性曲线，AD637在输入电压在0.2-2V范围时此时频率响应最好，故电路的输出信号电压的增益一定要在这个范围内。AD637是一块精确度高的TRMS/DC转换器，并且能够计算不同的复杂波形的真有效值。
AD637采用了峰值系数补偿，在信号测量系数达到10时候加入的误差仅为1%，带宽在2V输入时可以达到9MHz。AD637制作技术非常先进，采用了激光改正，通常不要加其他调整器件。唯一的外围器件是平均电容，是用作设定平均的时间常数，并且确定了低频的精确度、输出的波纹大小和稳定的时间。AD637内部具有自己的缓冲放大器，可以作为输入缓冲器使用，也可构成有源滤波器来减小波纹，提高测量的精确度。此外，AD637内部输入端有保护电路，当电路输入电压大于电源电压，通常也不会对芯片造成损伤。
AD637的内部结构图如图3-4，包含了、缓冲器、滤波电路、平方/除法器和有源整流器组成。如图3-4，输入电压经过整流器之后变换为单极性的电流I1，然后被加到平方/除法器的一个输入端。平方/除法器的输出电流的有关系为：
(3-1)
利用I4的驱动A4和CAV组成了低通滤波器，U0通过外面供给了一个电流I3，再经过A3返回到平方/除法器，就完成了下面的有效值计算公式：
(3-2)
(3-3)
图3-4 AD637A内部结构图
理论验证：根据美国模拟公司提供的资料研究，可以算出在理想情况下的AD637的频率响应。当UIN=100mV的时候，频率最高能达到300KHz;UIN=200mV时，频率上限为600KHz;UIN=1V时，频率最高能达到8MHz.。完全能满足本系统的要求。
图3-5 AD637频率响应图
AD637的运算方程为：
(3-4)
其中,T是Ui的周期。
输入电压UI通过AD637中的绝对值电路变为单极性电流，加到平方/除法器的其中一个输入端，然后通过低通滤波放大器在AD637的9号引脚输出直流电压U0。
图3-6 AD637的外围电路
综上所述，AD637组成的转换电路具有很高的精确度，具有很好稳定性，测量速度非常快的优点，可以测量各种波形的有效值，并且带宽很宽，所以适合本设计所有要求。
3.3 A/D转换电路的设计
A/D转换电路设计的中心是双积分4个半位A/D转换器ICL7135，ICL7135是满量程是2.0000V，精确度为±1个字精度较高的A/D转换芯片，它拥有自动调零能力，也就是在输入是0的时候读数为0。
ICL7135芯片内部包含数字电路和模拟电路2个部分。模拟电路包含缓冲器、过零检测器、比较器、积分器、极性触发器和4组模拟开关。A/D转换周期可分为4个阶段：
图 3-7 A/D转换周期
这中间的零积分阶段是ICL7135新增加的一部分。它的目的是当超过了量程的时候，能快速让积分器归0。
ICL7135的引脚功能还有一些特殊性能：
图3-8 ICL7135芯片
ICL7135芯片的功能：
ICL7135是4个半位双积分的转换器，28个引脚。它的引脚功能是：(1)脚V—是—5V的电源端;(2)引脚VREF基准电压输入端;(3)引脚AGND模拟地;(4)引脚INT是积分器的输入端，接积分电容;(5)引脚AZ比较器和积分器反向输入端，接自零电容;(6)引脚BUFF缓冲器输出端，接积分电阻;(7)引脚CREE+J基准电容正端;(8)引脚CREE—基准电容负端;(9)引脚IN—是被测信号的负输入端;(10)引脚IN+被测信号正输入端;(11)引脚V+是+5V电源端;(12)引脚、(17)、(18)(19)、(20)引脚(D1-D5 )位的扫描输入端;(13)、(14)、(15)、(16)引脚(B1-B4)BCD码输出端;(21)引脚BUSY忙状态输出端;(22)引脚(CLK)时钟信号输入端;(23)引脚POL负极性信号输出端;(24)引脚DGND数字信号地;(25)引脚R/H运行/读数控制端;(26)引脚STR数据选通输出端;(27)引脚OR超量程状态输出端;(28)引脚UR欠量程状态输出端。
ICL7135的主要功能特点：
输入阻抗无限大高于100亿欧姆，对被测的电路基本没有干扰;
能自动调零;
差分输入电路较为精确;
能自己判断信号的极性;
有超出还有欠压得输出信号
使用位扫描和BCD码输出;
ICL7135A/D转换原理
ICL7135采用的方法是高阻抗和差分输入，总失调电压不到10毫伏,其中ICL7135A/D转换器采用双积分式的，有4个阶段如下图3-9。
图3-9ICL7135芯片A/D转换过程
从上图可以看出，ICL7135在对输入信号积分的时候，其中BUSY信号线从低向高跳变并且一直是高的电平，直到标准信号反向积分时才会跳到低电平。在这个过程中对输入信号的积分通常保持在1W零一个脉冲，但是在满量程的状况下，反向标准积分值为 2W零1。对于不同的模拟信号输入，ICL7135反向标准积分脉冲数不相同。BUSY信号的高电平带宽也不尽相同，而且反向积分的脉冲数与输入信号成正比，和测量的结果一个对应一个。在转换过程中，ICL7135有引脚POL作为判断极性来使用，当被测信号的正输入端、负输入端为正的时候，POL引脚就为高电平，而当它俩为负值时，POL引脚就为低电平。
ICL7135和51单片机的串行连接
通过ICL7135工作原理可以知道，它通过脉冲计数的方法来得到测量结果，而且只要3条控制线CLK、POL、BUSY。Microchip推出的51系列的单片机拥有强大的驱动能力，受干扰影响较小，价格低廉等优点。51单片机有2-16K的闪存，1个16为的定时器，2个CCP捕捉/比较模块，大于22个I/O口，但是没有符合ICL7135的采样时钟，所以考量到通信和隔离模拟变送输出，本设计采用了16MHz的晶振，使用16位定时器T1用作7135的同步脉冲计数，BUSY接51单片机上的CCP1引脚工作方式为捕捉方式，用来测量脉冲的宽度大小。但是ICL7135的时钟引脚CLK，利用CPU的晶振接到高速反相器上面，再经过过分频的方法取出，因考虑到采样的速度对电源的抗干扰会造成影响，以及对温度变量惯性大的特点，取出CLK=250千赫兹，采样速度大约为4次每分钟。系统的硬件连接如下图3-10：
图 3-10A/D转换电路
稳定A/D电压测量的一些方法
ICL7135采用的是双积分原理，基准电压源是否稳定对它的影响较大，本系统采用了NE555做电压基准，NE555的电压温度系数只有0.0000003V/℃，温漂的影响非常小，稳定性好，噪声电压较低等特点。
ICL7135选择外部的时钟信号频率非常重要，但是只要选择时钟信号频率的时候让它恰巧等于50赫兹的整数倍，能抑制掉电网串墨的干扰，但是电网频率并不是基本稳定的，一破坏了整数倍的关系，就会造成显示非常不稳定，会出现跳字，所以我们可采用锁相技术使时钟频率和电网频率保持一致，那样电压表的读数就能稳定显示。
3.4 单片机最小系统的电路设计
单片机也可称为微控制器，它具有储存器、输入输出电路、中央处理器为一体，可完成各种复杂的计算等功能。从下图可看出典型的单片机系统包括晶振电路、复位电路、电源系统的输入输出、还有其他外围电路等。
单片机的工作过程，就是在时钟的作用下，一一执行储存器中的程序。
单片机时钟电路由外接的一个晶振和两个起振电容，以及单片机自己内部包含的时钟电路构成，晶振的频率高，那么单片机相应的出来数据的速度就会快，从而系统的功耗也会增加并且稳定性也会相应的下降。单片机常用的晶振频率一般为6M赫兹、11.0952赫兹、12M赫兹等，本系统采用的是11.0592的晶振。电容使用的是30PF或者22PF。
系统刚通电的时候，单片机内部的程序还没开始执行，得需要一段时间来准备，也被称为复位。一个稳定的单片机系统必应拥有复位电路。当程序跑飞或者死机的时候，也要复位。复位电路如图所示。对于复位电阻和电容的选择，图中的只是一个参考，实际制作的时候可用同一个数量级代替。
因为现在单片机内部的闪存容量很大，因此一般从内部的储存器读取程序，不要外接ROM来存储程序，因此EA引脚必须接高电平。
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最小系统就是单片机在发挥测控功能时最少部分的组件。下图是最小系统的方框图：
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1 8 2 7 3 6 4 5 |
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图3-11 单片机最小系统
根据设计方案的分析，设计这样的系统，可以选择带EPROM的单片机，应用程序之间储存在片内，不需要外部的ROM，电路就可简单点。因特公司的51系列的8051、80C51、8751芯片都可以选用。基于STC系列的芯片在烧录的时候一般比较简单，为了使写入程序更加简便，我们选用STC中的89C51单片机。这个51单片机基本没有外围的元件就可完成串口的下载，不仅简单易行，而且价格便宜。可以写入多次，便于调试。
STC89C51芯片采用的是DIP-40封装，引脚配置如图3-12所示：
图3-12 STC89C51芯片
40引脚按其功能来分，可以分为三类：
电源及时钟引脚：Vcc、GND;XTAL1、XTAL2。
控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET。
I/O引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
STC89C51芯片引脚功能介绍：
电源引脚：
Vcc 40引脚：接+5V电源。GND20引脚：接地。
时钟引脚：
XTAL1 19引脚：外接晶体的1个引脚。该引脚的内部是一个反相放大器的输入端这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，这个引脚应该接地。
XTAL2 18引脚：接外部晶体的另一个脚，在这个引脚内部接到内部反相器的输出端。若采用外部时钟振荡器时把此信号直接接到内部发生器的输入端。
控制引脚：
RST/VPD 9引脚：RST是复位信号的输入端，当处于高电平时才能有效。
VPD：备用电源的输入端。
ALE 30引脚：地址锁存允许信号，当单片机通电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。
PSEN 29引脚：程序储存器允许输出的控制端。
EA 31引脚：内部程序储存器选择控制端。当EA引脚为高电平的时候，单片机访问内部程序储存器，但是在PC值超过0FFFFH，将自动转到执行外部储存器内的程序。
I/O口引脚：
P0口：双功能的8位3态并行口。端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构。0口可以用作地址/数据总线也可作为通用的I/O口。
P1口：单功能的I/O口，当作读引脚时必须先向锁存器写入1。
P2口：双功能口，高8位时能作地址总线，也能做通用的I/O口。
P3口：内部有上拉电阻，不存在高阻抗输入状态，为准双向口。P3口具有第二功能，不过常用作第一功能I/O口使用。
单片机工作的时间基准是通过时钟电路提供的。在单片机ATAL1和XTAL2个管脚，接一只晶振和两只电容构成了单片机的时钟电路，如图3-13所示：
图3-13 单片机时钟电路
单片机复位电路中，电容C1和C2对振荡频率都有微调作用。石英晶体选择6M赫兹或者12M赫兹都可以，只是机器周期不同而已，影响计数器的计数刚开始的数值。设计中用的是30pF电容,石英晶体采用11.0592赫兹。
单片机的RST管脚为是一个外部复位信号输出端口，高电平时有效，高电平的持续时间为2个机器周期以上。
单片机复位方式有2种，一个是通电复位、手动复位。图3-14所示是51系列单机常用的通电复位和手动复位组合电路。
图 3-14 单片机复位电路
复位之后单片机中各个部分都恢复到刚开始的状态，如下表3-1
3-1 复位后芯片内各寄存器的状态
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IN_ |
3.5 液晶显示电路设计
液晶显示器(LCD)是一种低功耗的显示元件。它使用非常广泛，例如液晶显示屏、数码产品显示器等。液晶显示具有很多有点，越来越受欢迎，应用的地方也越来越广泛。本系统使用的就是一款1602液晶显示器。
LCD是被动显示的，自己不会发光，他只能经过条件光的亮度来达到显示的结果。LCD主要利用液晶的详列效应，也就是液晶牛却来做成的，是一种电效应的利用。
根据现实屏内容的不同可分为几个模块分别是：点阵图形模块、数显模块、点阵字符模块。
液晶显示器有下面几个优点：
显示画面质量高
由于液晶显示器每一个点在收到信号后只能一直保持色彩和亮度，一直发亮。所以，液晶显示器画面质量高且不会闪烁。
数字式接口
液晶显示器都是显示数字的，和单片机系统的接口简便可行，操作简单。
更加轻便。
液晶显示器显示的方式是通过显示屏上的电极控制液晶分子状态从而显示数字，在一样的面积上液晶显示器比传统的显示器轻便的多。
功耗低
相对而言，液晶显示器的功能耗损失主要消耗在液晶显示器内部的电极和驱动IC上，因而消耗电量比其它显示器要更少。
LCD1602使用的是标准的16个引脚的接口，如下图：
表 3-2管脚说明
LCD1602内部的字符发生储存器已经储存了160个不同的点阵字符字形，这些字符有：数字、大小写的英文字母、常用的符号等，每个字符都有自己的代码，如大写的英文字母B自己的代码是01000011B(42H)，显示的时候显示地址41H用点阵字符图形显示出，然后就能看到字母B。
LCD1602内部控制器拥有11条控制的指令，如表3-3所示：
表 3-31602的控制命令表
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明：1为高电平、0为低电平)
指令1：清除显示，指令代码01H,光标复位到地址为00H的位置。
指令2：光标复位，光标返回到地址为00H的位置上。
指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平会向右移，然而低电平会向左移 S:屏幕上所有的文字是否左移或者是否右移。当是高电平的时候表示有效，然而当是低电平时表示无效。
指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开和关，高电平表示显示打开，低电平表示显示关闭 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标的闪烁，高电平表示闪烁，低电平表示不闪烁。
指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：功能设置命令 DL：高电平时表示有4位总线，低电平表示有8位总线 N：低电平时表示单行显示，高电平表示会双行显示 F: 低电平时表示显示的是5x7的点阵字符，高电平时表示显示的是5x10的点阵字符。
指令7：字符发生器RAM地址设置。
指令8：DDRAM地址设置。
指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，如果为低电平表示不忙，表示能接受命令和数据，高电平表示忙。
指令10：写数据。
指令11：读数据。
图3-15 1602液晶显示和51单片机的连接图
3.6 稳压电源的设计
稳压电源输出的电流和电压只是相对的稳定，会有一定的变化因此我们需要把这个变化保持在一个较小范围内，保持相对的稳定。引起电压不稳定的因素有非常：输入电压的不稳定;负载自身受到影响之后的变化;元件受温度、环境的影响;都能造成电压的输出不稳。
稳压电源的工作原理为：集成稳压的原理与晶体分离管稳压电源相同，是由基准电、误差放大器、调整元件、取样电路和比较电路等几个部分构成，框图如3-16所示。但集成稳压源充分利用集成技术的优点，例如电路的偏置、电流源电路、基准电压源电路等。
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V+ |
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考量到以上的不稳定因素，电源模块设计了2套直流稳压电源，一套为单片机和其他外设工作提供电源，另一套为大功率三极管及其他电源负载和A/D模块供电，两套电源分开，可以大大增加设计工作的稳定性能。
第一：为单片机系统提供电源的直流稳压源
图3-16是这个直流稳压源的电源电路的原理图，本电路是由集成稳压器构成的。可分为3个部分：滤波整流部分、稳压部分、电源变压部分。
图3-17 单片机稳压电源
电源工作的过程：变压器把交流220V的电压变压为11V的电压，11V的电压经过桥式整流电路变为10V的电压，直流10V电压当作CW7805的输入电压，CW7805输出电压为+5V的电压。图中的D2为桥式整流桥，它是由4个整流的2极管连接成电桥形式。C3是滤波电容，C1用作抵消输入端较长接线的电感效应，还可防止自我振荡，还可抑制电源的高频率脉冲的干扰，一般只有0.1μF-1μF。CW7805为三端固定的输出集成稳压器，它的输出和输入都是不变的值，它的输入电压为+10V，输出电压为+5V，C2和C4用来完善负载的瞬态响应，消除电路的高频率噪声，并且能消除振荡。
第二：为其他负载提供功率的电源
下图3-17为集成直流稳压电路的原理图，本电路是由集成稳压器组成的。电路分为3个部分：电源稳压部分、变压器部分、整流滤波部分。
电源工作的过程：本模块包含了—5V的电源和±15V的电源，—5V的电源是—15V电源通过稳压电源芯片7905后转换出来的。本电源中电容起到了滤波作用。
这一系列芯片的简介：
78XX系列的是三端固定为正电压输出的集成稳压电源，这个系列的稳压电源有过载保护的电路。7805和7815芯片是78XX系列电源稳压芯片该芯片分别输出的为5V和15V的稳压电压。
79XX系列是三端固定负电压输出的集成稳压电源，它和78XX相似，主要是输出不同，它为负电压，且引脚不同。7905和7915输出为-5V和-15V。
图3-18为负载提高功率的电源
