直流数字电流表的设计.doc

班班 级级 0833108331 0 0 学学 号号 0833101008331010 0 0 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 直流数字电流表的设计直流数字电流表的设计 学学 院院 专专 业业 机械设计制造及其自动化 学生姓名学生姓名 导师姓名导师姓名 宋金茂 毕业设计（论文）诚信声明书毕业设计（论文）诚信声明书 本人声明：本人所提交的毕业论文 直流数字电流表的设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人 的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有 关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中 加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。 本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者： （签字） 时间：2012 年 5 月 20 日 指导教师已阅： （签字）时间：2012 年 5 月 20 日 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学生姓名 学号 08331010 指导教师 宋金茂 职称 高工 学院 专业 机械设计制造及其自动化 题目名称 直流数字电流表的设计 任务与要求： 一、任务 1. 学习单片机及数字电路方面的知识。2. 完成电路的整体设计。 二、要求 1. 编写单片机程序。 2. 完成硬件电路的安装及其调试。 3. 电流用 led 数码管显示。 开始日期 2012 年 1 月 5 日 完成日期 2012 年 5 月 24 日 院长（签字） 年 月 日 注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）工作计划毕业设计（论文）工作计划 学生姓名 学号 08331010 指导教师 宋金茂 职称 高 工 学 院 专业 机械设计制造及其自动化 题目名称 直流数字电流表的设计 一、毕业设计（论文）进度 起 止 时 间 工 作 内 容 2012.1.52012.2.5 学习单片机和数字电路的相关知识。 2012.2.52012.3.5 查阅文献资料，完成设计方案。 2012.3.52012.4.5 编写及调试单片机程序。 2012.4.52012.5.5 完成电路安装及调试。 2012.5.52012.5.24 撰写及完善论文，准备论文答辩 二、主要参考书目（资料） 1 吴金戌.8051 单片机实践与应用.北京：清华大学出版社，2002 2 余锡存 单片机原理及接口技术 西安电子科技大学出版社 2000 年 3 龙脉工作室51 单片机 c 语言应用开发技术大全 人民邮电出版社 08 年 9 月 4 余锡存 单片机原理及接口技术 西安电子科技大学出版社 2000 年 5 张国勋.缩短 icl7135a/d 采样程序时间的一种方法，1993 6 潭浩强 c 程序设计清华大学出版社 2003 年 三、主要仪器设备 计算机一台 四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式） 场地安排在物理实验中心，每周与学生会面两个下午，指导并解决毕业设计的相 关问题。 五、对计划的说明 注：本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印） 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）中期检查表毕业设计（论文）中期检查表 学学 院院专专 业业机械设计制造及其自动化 学生姓名学生姓名学学 号号 08331010 班班 级级 08331 导师姓名导师姓名宋金茂职职 称称高 工单单 位位理学院 题目名称题目名称直流数字电流表的设计 检检 查查 内内 容容检检 查查 结结 果果 题目是否更换及更换原因否 学生出勤情况 该生能经常与老师联系，积极学习相关知识，与 老师探讨相关问题，出勤情况良好。 进 度 评 价 （完成总工作量的百分比） 70% 质量评价、进度描述软件、硬件已做好 总 体 评 价 （按优、良、中、及格、不 及格五挡评价） 良 存在的问题与建议进一步完善软、硬件并抓紧撰写论文。 学 院 审 核（盖章） 检查组教师： 2012 年 4 月 15 日 注：此表由指导教师填写，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）成绩登记表毕业设计（论文）成绩登记表 学学 院院专专 业业机械设计制造及其自动化 姓姓 名名学学 号号 08331010 成成 绩绩 题目名称题目名称直流数字电流表的设计 指导教师指导教师宋金茂职职 称称高工 指导教师 评语及对 成绩的评 定意见 雷立磊同学能够按照毕业设计工作计划，在广泛阅读有关单片 机原理及 a/d 转换等相关参考文献的基础上，基于单片机和 c 语言 基本理论，利用实验方法系统地开展了对直流数字电压表的研究， 获得了比较理想的设计作品，对相关结论及存在问题进行了讨论、 分析，同时将有关实验测量结果进行了比较验证。 该同学在毕业设计期间，能按指导教师的要求认真开展工作， 出勤情况良好。毕业设计工作反映出作者在通信工程专业方面已掌 握了一定的基础理论和基本技能、具有一定的创新能力和解决相关 实际问题的能力。论文工作量饱满，写作认真，条理清晰，推理严 谨，图表曲线齐全。本论文已全面完成了毕业设计任务书的要求。 建议成绩为： 。 签名 年 月 日 评阅人评 语及成绩 评定意见 论文主要针对直流数字电流表进行了深入研究，选题具有实际应 用的现实意义，该项研究对于单片机的推广具有很强的应用价值， 对数字测量仪表的发展具有重要意义。论文主要包括以下内容： 1.掌握了单片机、数字电路方面的基本原理和基本理论。 2.具有分析和设计电路的基本技能和能力。 3.能够解决硬件设计和调试方面的实际问题。 4.在硬件设计和焊接方面具有一定的独立工作能力。 论文撰写认真，内容详细，逻辑严谨，条理清晰。从论文中可 以看出作者阅读了大量的国内外文献资料，在通信工程专业方面掌 握了坚实的理论基础知识和基本应用技能，具有一定的分析问题和 解决问题的能力。建议成绩为： 。 签名 年 月 日 答辩小组 意见 雷立磊同学毕业设计答辩逻辑严谨，条理清晰，内容详细。回 答问题正确，通过答辩体现了雷立磊同学掌握了机械设计制造及其 自动化专业方面的基本理论和基本技能，并能熟练的利用机械设计 制造及其自动化专业基本知识和单片机基本技能完成测量仪器方面 的应用工作。经过答辩组全体教师认真讨论，无记名投票同意该同 学毕业设计成绩为 。 签名 年 月 日 学院答辩 委员会 意见 答辩委员 会主任签名 （学院盖章） 年 月 日 注：学院、专业名均写全称；成绩登记表双面打印。 摘要 摘要 直流数字电流表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰 直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测 量误差事件。数字电流表是建立在数字电压表的基础上，让电压表与电阻串联， 其显示的是电流，数字电压表是把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、 离散的数字形式，并加以显示的仪表。数字电流表把电子技术、计算技术、自动 化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立 而完整的一个分支，数字电流表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代 电子测量技术的先河。本设计采用了以单片机为开发平台，控制系采用 at89c52 单片机，a/d 转换采用 adc0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便 进行 8 路其它 a/d 转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电流 测量电路由 a/d 转换、数据处理、显示控制等组成。 关键词：单片机 at89c51at89c51 a/da/d 转换 adc0809adc0809 数据处理 abstract abstract the birth of digital voltage meter to break the traditional mode of electronic measuring instruments and patterns. it shows the clear and intuitive, accurate reading, the use of advanced digital technology, greatly reducing the human factor due to measurement errors caused by the incident. digital voltmeter is the continuous analog (dc input voltage) into a non- continuous, discrete digital form and displayed in the instrument. digital voltage meter to electronic technology, computing technology, automation technology and precision electrical measurement results of the close combination of technology, as equipment, instruments and complete the field of a branch of the independent, digital voltage meter marks a revolution in the field of electronic devices also created a precedent for modern electronic measurement technology. this design uses a microcontroller as a development platform, the control system using at89c52 microcontroller, a / d conversion using adc0809. system in addition to ensure the required functionality, but also can facilitate the 8 other a / d conversion volume measurement, such as extended transmission distance measurement function. simple digital voltage measuring circuit from the a / d conversion, data processing, display control and so on. key words: scm at89c51 a / d converter adc0809 data processing 目录 目 录 第一章第一章引言引言.1 1.1引言.1 1.2课题研究的现状和发展趋势.1 1.3智能仪表目前发展状况.2 第二章第二章设计任务及可行性分析设计任务及可行性分析.5 2.1系统设计要求.5 2.2系统设计思路.5 2.3总体结构.6 2.3.1数字电流表的组成.6 2.3.2电路设计.6 2.3.310 倍放大器电路7 2.3.4a/d 转换电路.7 2.3.5电桥输入电路.8 2.3.6测量电路.9 第三章第三章元器件的选择元器件的选择.11 3.1单片机的选择.11 3.2a/d 转换器的选择.12 3.3led 显示电路的选择13 3.4所需元器件清单.14 第四章第四章数字式电流表的硬件设计数字式电流表的硬件设计.15 4.1硬件电路设计概述.15 4.2主要元器件的介绍.15 4.2.1单片机 at89s51.15 4.2.2主要性能参数.16 4.2.3at89s51 的引脚.16 4.2.4a/d 转换芯片 adc080922 4.2.5adc0809 内部逻辑结构22 目录i 4.2.6adc0809 的引脚23 4.2.7adc0809 的工作原理24 4.2.84 位一体 7 段 led 数码管24 4.3控制电路模块.25 4.3.1总电路.25 4.3.2at89s51 的复位电路和时钟电路.26 4.3.3a/d 转换电路.27 4.3.4显示电路.28 第五章第五章数字式电流表的软件设计数字式电流表的软件设计.29 5.1系统程序设计总方案.29 5.2系统子程序设计.29 5.2.1初始化程序.29 5.2.2a/d 转换子程序.29 5.2.3显示子程序.30 5.3系统程序代码.31 第六章第六章数字式电流表的调试数字式电流表的调试.35 6.1软件调试.35 6.2显示结果及误差分析.35 6.2.1显示结果.35 6.2.2误差分析.38 第七章第七章结结 论论.39 致谢致谢.41 参考文献参考文献.43 0直流数字电流表的设计 第一章引言 1.1 引言 传统的指针式刻度电流表功能单一，精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因 而不能满足数字化时代的需求。采用单片机的数字电流表，将连续的模拟量如直 流电压转化成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强， 可扩展性强、集成方便，还可与 pc 实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的 核心与基础。以数字电流表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪 表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和 a/d 转换器构成的数字 电流表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能 化测量领域。显示出强大的生命力。与此同时，由 dvm 扩展而成的各种通用及专 用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新的水平。因此对数字电 压表作全面深入的了解是很有必要的。 1.2 课题研究的现状和发展趋势 最近的十几年来，随着半导体技术、集成电路 (ic)和微处理器技术的发展， 数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电流表的日新 月异，并不断出现新的类型。 数字电流表从 1952 年问世以来，经历了不断改 进的过程，从最早采用继电器、电子管的型式发展到了现在的全固态化、集成化 (ic 化 。另一方面，精度也从 0.1%提高到了现在的 0.01%0.005%，而且从 实验中空用的“高价样品” 开始已发展到了现在为厂矿企业广所使用的的“廉 价型” ，进而出现了能够用于安装板上作指示仪表的“安装型” 。 目前，数字电 流表的内部核心部件是 a/d 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电流表的 准确度，因而，以后数字电流表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。 第一章 引言1 1.3 智能仪表目前发展状况 在自动化控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制 系统技术的发展的。常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求，它们以经 典控制理论和现代控制理论为基础，以控制对象的数学模型为依据。当今，控制 理论已发展到智能控制的新阶段，自动化仪器仪表的智能化就成为必然和必须。 本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器仪表研究、 开发热点做概要的分析与表述。作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的 进展，关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动发展，这对推进我国自动化技术 水平的进一步提高将是大为有益的。智能化的自动化仪器仪表应以智能控制理论 为基础，体现人的智能行为。人工智能是智能控制理论的基本组成部分之一，它 以知识为基础，它的目标是建造智能化的计算机系统，用来模拟和执行人类的智 力功能，如判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等等，进而用自动 机模仿人类的思维过程和智能行为。基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前 大致有几方面的进展: （1）专家控制系统(expert control system, ecs)是典型的基于知识控制系 统，它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它运用人工智能技术和计 算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模 拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。专家控 制器的结构按控制要求的不同而有所不同。典型的结构由知识库、推理机、人机 接口等组成。其中，知识的获取、知识库的建立是关键。人们已经总结出的方法 是领域专家和知识专家的有机结合，同时收集、归纳有经验的操作员方面的知识。 然后把获取的知识变成可用的规则，以期在推理过程中得到更高的命中率。专家 控制已在工业控制中得到广泛的应用。 （2）模糊控制器(fc-fuzzy controller)，也称模糊逻辑控制器(flc-fuzzy logic controller)。自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊逻辑在控制领域 中的应用产生了模糊控制技术。由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性 和模糊信息的能力，对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决 一些用常规控制方法不能解决的问题，因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛 的应用。模糊控制器一般由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等 2直流数字电流表的设计 几个部分组成。其中，模糊化、模糊决策、清晰化是主要和基本的部分， “模糊 化”将输入量(精确量)变为模糊量， “模糊决策”进行模糊运算，其过程是由推 理机进行预估输出推理，得到模糊量输出。 “清晰化”将模糊量输出转化为精确 量，提供给系统的驱动器定标后使用。当前，模糊控制技术在工业控制中得到广 泛的应用，尤其在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊控制技术的长处。 模糊控制器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。 （3）神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高 了系统的智能水平。所谓神经网络控制，简称神经控制，它是指采用神经网络这 一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当控制器，或优化计算，或进行推理， 或故障诊断等工作。由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有对 任意非线性关系的描述能力，具有通过训练学习归纳全部数据能力，使得它在控 制系统中被广泛灵活地应用。 数字电流表，作为智能仪表的一种，它是采用数字化测量技术，把连续的模 拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统 的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的 数字电流表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与 pc 进 行实时通信。目前，由各种单片 a/d 转换器构成的数字电流表，已被广泛用于电 子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的 生命力。 第一章 引言3 4直流数字电流表的设计 第二章 设计任务及可行性分析 2.1 系统设计要求 1、可以测量 0-5v 的 8 路输入电压值； 2、测量结果可在四位 led 数码管上轮流显示后单路选择显示； 3、测量最小分辨率为 0.019a； 4、测量误差约为+0.0av； 2.2 系统设计思路 1、 根据设计要求，选择 at89s51 单片机作为核心控制器件。 2、 a/d 转换采用 adc0809 实现。与单片机的接口为 p0 口和 p2 的高 四位引脚。 3、 电压显示采用 4 位一体的 led 数码管。 4、 led 数码管的段码输入，由并行端口 p1 产生；位码输入，由并行 端口 p3 低三位产生。 主控模块 显示模块 a/d 转换模块 图 2.1 设计思路框图 第二章 设计任务及可行性分析5 2.3 总体结构 2.3.1数字电流表的组成 图2.2 数字电流表的组成框图 数字直流电流表的核心是a/d转换器。按系统功能实现要求，决定控制系统 采用at89c51单片机，a/d转换采用adc0809。系统除能确保实现要求的功能外， 还可以方便地进行8路其他a/d转换量的测量和远程测量结果传送等扩展功能。数 字电流表系统设计方案框图如图2.3所示。 at89c5 1 p0 p 2 p 1 p3 adc0809 4 位 led 显示 上电复位 串口通信 电源电路 图 2.3 数字电流表系统设计方案框图 2.3.2电路设计 1、io 口资源分配 6直流数字电流表的设计 p3 口连接 adc0804 的 8 位数据口； p1.4 连接 adc0804 的 2、3 引脚，进行数据读取控制； p0 口连接 led 数码管段码 a-h； p2、0-p2、2 连接 led 数码管的位选驱动； p1.0,p1.1 连接按键,p1.2 连接 led 指示灯； 2.3.310 倍放大器电路 下图是一个最简单的 10 倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的 op07，利用它，可以把 0200mv 的电压放大到 02.000v。在使用的数字电流 表量程为 2.000a 时，特别有用。如果把它应用在基本量程为200.0ma 的数字电 流表上，就相当于把分辨力提高了 10 倍，在一些测量领域中，传感器的信号往 往觉得太小了，这时，可以考虑在数字流表前面加上这种放大器来提高分辨力。 图 2.4 倍放大器电路 2.3.4a/d 转换电路 在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流而是交流，这时候， 绝对不可以把交流信号直接输入到数字电流表去，必须先把被测的交流信号变 成直流信号后，才可以送入数字电流表进行测量。下图就是一个把交流信号转 换成为直流信号的参考电路。（说明：更好的交流转换成为直流的电路是一种 第二章 设计任务及可行性分析7 “真有效值”转换电路，但是由于其专用芯片价格昂贵，多应用在一些高档场合。 ） 本电路中，输入的是 0200.0mv 的交流信号，输出的是 0200.0mv 的直 流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身 具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行 acdc 的信号转换。因此， 这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有 2ma 左右， 在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。首先输入 3 位地址，并使 ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比 较器。start 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad 转换，之后 eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 ad 转换完成，eoc 变为高电 平，指示 ad 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 oe 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 图 2.5 ac-dc 转换电路 2.3.5电桥输入电路 在温度测量和其他物理及化学量的测量中，经常会出现“零点”的时候信号 不是零的情况，这时候，下面的“电桥输入”电路就被优先采用了。可以根据被 8直流数字电流表的设计 测信号的特点，用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两 个输入端也不再有接地点，作为一种典型的“差分”输入来使用了。 图 2.6 电桥输入（差分输入，比例输入）电路 2.3.6 测量电路 电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路，这是一个把 420ma 电流 转换为数字显示的电路。它的零点就是 4ma 而不是 0ma。当输入零点电流为 4ma 的时候，利用 in-上面建立起来的电压，抵消掉 in+由于 4ma 出现的无用 信号，使得数字电压表差分输入0,就实现了 4ma 输入时显示为 0 的要求。随 着信号的继续增大，例如到了 20ma，对数字电流表来说，相当于差分输入电 流为 20-4=16ma，这个 16ma 在 62.5r 电阻上的压降，就是数字电流表的最大 输入信号。这时候，把数字电流表的基准电压调整到与 16*62.51000mv 相等， 显示就是 1000 个字。 第二章 设计任务及可行性分析9 图 2.7 测量电路 简易数字电流表测量电路由 a/d 转换、数据处理及显示控制等组成。 a/d 转换有集成电路 adc0809 完成。adc0809 具有 8 路模拟输入端口，地 址线(第 23-25 脚)可决定对哪一路模拟输入作 a/d 转换。第 22 脚位地址锁存控制， 当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。第 6 脚位测试控制，当输入一个 2 宽高电平脉冲时，就开始 a/d 转换。第 7 脚为 a/d 转换结束标志，当 a/d 转换 结束时，第 7 脚输出高电平。第 9 脚为 a/d 转换数据输出允许控制，当 oe 脚为 高电平时，a/d 转换数据从端口输出。第 10 脚为 adc0809 的时钟输入端，利用 单片机第 30 脚嘚分频晶振频率，再通过 14024 二分频得到 1mhz 时钟。 单片机的 p1、p3.0-p3.3 端口作为 4 位 led 数码管显示控制。p3.5 端口用作 单路显示/循环显示转换按钮。p3.6 端口用作单路显示时选择显示的通道。p0 端 口用作 a/d 转换数据读入，p2 端口用作 adc0809 的 a/d 转换控制。 10直流数字电流表的设计 第三章 元器件的选择 3.1 单片机的选择 20 世纪 80 年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上 一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有 50 多个系列，数百个品种。目前 世界上较为著名的 8 位单片机的生产厂家和主要机型如下： 美国 intel 公司：mcs51 系列及其增强型系列 美国 motorola 公司：6801 系列和 6805 系列 美国 atmel 公司：89c52 等单片机 美国 zilog 公司：z8 系列及 super8 美国 fairchild 公司：f8 系列和 3870 系列 美国 rockwell 公司：6500/1 系列 美国 ti（德克萨司仪器仪表）公司：tms7000 系列 ns（美国国家半导体）公司：ns8070 系列 等等。 尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是 intel 公司的 mcs51 系列单片机和美国 atmel 公司的 89c52 单片机 mcs51 系列单片机包括三个基本型 8031、8051、8751 8031 内部包括一个 8 位 cpu、128 个字节 ram，21 个特殊功能寄存器（sfr） 、 4 个 8 位并行 i/o 口、1 个全双工串行口、2 个 16 位定时器/计数器，但片内无程 序存储器，需外扩 eprom 芯片。比较麻烦，不予采用 8051 是在 8031 的基础上，片内集成有 4k rom，作为程序存储器，是一个程 序不超过 4k 字节的小系统。rom 内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的， 出厂的 8051 都是含有特殊用途的单片机。所以 8051 适合与应用在程序已定，且 第三章 元器件的选择11 批量大的单片机产品中。也不予采用。 8751 是在 8031 基础上，增加了 4k 字节的 eprom，它构成了一个程序小于 4kb 的小系统。用户可以将程序固化在 eprom 中，可以反复修改程序。但其价格 相对 8031 较贵。8031 外扩一片 4kb eprom 的就相当于 8751，它的最大优点是价 格低。随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以 是大规模的。也不予采用。 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗、高性能 cmos 8 位单片机。图 1-6 和 1-7 分别为其实物图和内部总体结构图。at89s51 片内含有 4k 字节 flash 闪速 存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，看门狗(wdt)，两个数据指针，两 个 16 位定时/计数器,一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内 振荡器及时钟电路。同时,s51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选 的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器，串行 通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。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 at89s51 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。因此我选择 at89s51 为系统的控制器。 3.2 a/d 转换器的选择 a/d 转换器大致分有三类：一是双积分 a/d 转换器，二是逐次逼近式 a/d 转 换器，三是并行 a/d 转换器。 双积分 a/d 转换器通过两次积分将输入的模拟电压转换成时间或频率，然后 由定时器/计数器获得数字值。它的优点是分辨率高，抗干扰性好，价格便宜， 但转换速率低。 逐次逼近式 a/d 转换器是将采样输入信号与给定电压不断地进行比较，从逐 次逼近寄存器的最高位开始，顺序地对寄存器的每一位将输入电压与内置 d/a 转 换器输出进行比较，一个时钟周期完成 1 位转换，进过 n 次比较而得到数字值。 它的优点是精度、速度、价格适中、不存在延迟问题。适合于中速率而分辨率较 12直流数字电流表的设计 高的场合。 并行 a/d 转换器是内部有多个比较器，只需要作一次比较就可完成转换。优 点是它是所有 a/d 转换器中速度最快的，但价格也昂贵，分辨率却不是很高。 在转换精度、转换速率、以及经济上的考虑，该系统决定选用逐次逼近式 a/d 转换器的 adc0809 型。adc0809 是典型的 8 位 mos 型 8 通道逐次逼近式 a/d 转换器，每采集一次一般需 100s。 图 3.1 逐次逼近式 a/d 转换原理图 3.3 led 显示电路的选择 led 显示器是由 n 个 led 显示块拼接成 n 位 led 显示器。n 个 led 显示块有 n 跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段 选线控制显示字符的字型，而位选线为各个 led 显示块的公共端，它控制该 led 显示位的亮、暗。led 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。 （1）led 静态显示方式： led 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起 并接地（或+5v） ；每位的段选线（adp）分别与一个 8 位的锁存器输出相连。 所以称为静态显示。各个 led 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不 变，直到显示另一个字符为止。也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。这种 显示方式接口编程容易。付出的代价是占用口线较多，若用 i/o 接口，则要占用 4 个 8 位 i/o 口，若用锁存器接口，则要用 4 片 74ls373 芯片。如果显示器位数 增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采 用动态显示方式。 顺序脉冲 发生器 逐次逼近 寄存器 dac 电流 比较器 输入数字电流 输入电流 第三章 元器件的选择13 （2）led 动态显示方式： 在多位 led 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联 在一起，有一个 8 位 i/o 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共 阴极分别由相应的 i/o 线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个 8 位 i/o 口，而位选线占用一个 4 位 i/o 口。由于各位的段选线并联，段码的输出对 各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话， 4 位 led 将显示相同的字符。若要各位 led 能够显示出与本位相应的显示字符， 就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各 位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字节的段码。在确 定 led 不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定 的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。但也不能太长，因为毕竟要受 限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用 cpu 时间也越多，另外，显示位增多， 也将占用大量的 cpu 时间，因此动态显示实质是一牺牲 cpu 时间来换取元件的减 少。 所以，由于本系统涉及到 4 位显示输出，采用 led 动态扫描显示方式。 3.4 所需元器件清单 表 3.1 所需元器件材料表 器件类型器件名数值数量 单片机at89s51 1 a/d 转换器adc0809 1 数码管tseg-mp*4- cc-blue 1 开关按键开关 1 电容c1、c233uf 2 电解电容c310uf 1 电阻r11k 2 排阻rp1200 1 14直流数字电流表的设计 变阻器rv11k 1 晶振x11mhz 1 第四章 数字式电流表的硬件设计15 第四章 数字式电流表的硬件设计 4.1 硬件电路设计概述 硬件电路设计主要包括：at89s51 单片机系统，a/d 转换电路，显示电路。 测量最大电压为 5a，显示最大值为 5.00a。本实验采用 at89s51 单片机芯片配合 adc0809 模/数转换芯片构成一个简易的数字电流表。 硬件电路设计由 6 个部分组成; a/d 转换电路，at89c51 单片机系统，led 显 示系统、时钟电路、复位电路以及测量电流输入电路。硬件电路设计框图如图 1 所示。 时钟电路 复位电路 a/d 转换电路测量电流输入 显示系统 at89c51 p1 p 2 p2 p0 图 4.1 数字式电流表系统硬件设计框图 4.2 主要元器件的介绍 4.2.1单片机 at89s51 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗、高性能 cmos 8 位单片机。图 4.2 和 4.3 分别为其实物图和内部总体结构图。at89s51 片内含有 4k 字节 flash 闪速 16直流数字电流表的设计 存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，看门狗(wdt)，两个数据指针，两 个 16 位定时/计数器,一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内 振荡器及时钟电路。同时,s51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选 的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器，串行 通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。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 at89s51 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。 4.2.2主要性能参数 与 mcs-51 产品指令系列完全兼容； 4k 字节在系统编程(isp)flash 闪速存储器； 1000 次擦写周期； 4.05.5 v 工作电压范围； 全静态工作模式：0hz33mhz； 三级程序加密锁； 128 字节内部 ram； 32 个可编程 i/o 口线； 2 个 16 位的定时/计数器； 6 个中断源； 全双工串行 uart 通道； 低工耗空闲和掉电模式； 中断可从空闲模式唤醒系统； 看门狗(wdt)及双数据指针； 掉电标识和快速编程特性； 灵活的在系统编程 4.2.3at89s51 的引脚 at89s51 芯片为 40 引脚双列直插式封装，其引脚排列如图 4.2 所示。 第四章 数字式电流表的硬件设计17 图 4.2 at89s51 的引脚图 (1)vcc：电源电压； (2)gnd：接地； (3)p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路双向 i/o 口，每位引脚可驱动 8 个 ttl 逻辑门路。对 p0 口的管脚写“1”时，被定义为高阻抗输入。在访问外部数据 存储器或程序存储器时，它可以被定义为数据总线和地址总线的低八位。在 flash 编程时，p0 口作为原码输入口；当 flash 进行校验时，p0 输出原码，此 时 p0 外部必须接上拉电阻。 (4)p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口的输出 缓冲器可驱动 4 个 ttl 逻辑门电路。对 p1 口管脚写入“1”后，被内部上拉电 阻拉高，可用作输入。p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内 部接有上拉电阻的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为低八位地址接收。 p1 口还具有第二功能，如表 4.1 所示。 18直流数字电流表的设计 表 4.1 p1 口的第二功能 端口引脚第二功能 p1.5 mosi(用于 isp 编程) p1.6 miso(用于 isp 编程) p1.7 sck(用于 isp 编程) (5)p2 口：p2 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口的输出缓 冲器可驱动 4 个 ttl 逻辑门电路。对 p2 口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉 高，可用作输入。p2 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有 上拉电阻的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行 存取时，p2 口输出地址的高八位。在访问 8 位地址外部数据存储器时，p2 口线 上的内容，在整个访问期间不改变。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址 信号和控制信号。 (6)p3 口：p3 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 口的输出缓 冲器可驱动 4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口管脚写入“1”后，被内部上拉电阻拉 高，可用作输入。p3 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有 上拉电阻的缘故。p3 口除了一般 i/o 线的功能外，还具有更为重要的第二功能， 如表 4.2 所示。p3 口同时为 flash 编程和编程校验接收一些控制信号 表 4.2 p3 口的第二功能 端口引脚第二功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /into（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（定时器 0 外部输入） p3.5 t1（定时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） 第四章 数字式电流表的硬件设计19 (7) rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的 高电平时间。 (8) ale/rpog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储 器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 (9)/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将 不出现。 (10)/ea/vpp：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引 脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 at89s51 有 256 个字节的内部 ram，80h-ffh 高 128 个字节与特殊功能寄存 器（sfr）地址是重叠的，也就是高 128 字节的 ram 和特殊功能寄存器的地址是 相同的，但物理上它们是分开的。 定时器 0 和定时器 1： at89s51 的定时器 0 和定时器 1 的工作方式与 at89c51 相同。定时和计数功 能由特殊功能寄存器 tmod 的控制位 c/t 进行选择，这两个定时/计数器有 4 种操 作模式，通过 tmod 的 m1 和 m0 选择。其中模式 0、1 和 2 都相同，模式 3 不同。 定时器 2： 定时器 2 是一个 16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部 事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器 t2con 的 c/t2 位选择。定时器 2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发 生器方式，工作方式由 t2con 的控制位来选择。 定时器 2 由两个 8 位寄存器 th2 和 tl2 组成，在定时器工作方式中，每个 20直流数字电流表的设计 机器周期 tl2 寄存器的值加 1，由于一个机器周期由 12 个振荡时钟构成，因此， 计数速率为振荡频率的 1/12。 在计数工作方式时，当 t2 引脚上外部输入信号产生由 1 至 0 的下降沿时， 寄存器的值加 1，在这种工作方式下，每个机器周期的 5sp2 期间，对外部输入 进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为 1，而在下一个机器周期中采到的 值为 0，则在紧跟着的下一个周期的 s3p1 期间寄存器加 1。由于识别 1 至 0 的 跳变需要 2 个机器周期（24 个振荡周期） ，因此，最高计数速率为振荡频率的 1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的 时间，以保证输入信号至少被采样一次。 可编程时钟输出： 定时器 2 可通过编程从 p1.0 输出一个占空比为 50%的时钟信号。p1.0 引脚 除了是一个标准的 i/o 口外，还可以通过编程使其作为定时/计数器 2 的外部时 钟输入和输出占空比 50%的时钟脉冲。当时钟振荡频率为 16mhz 时，输出时钟频 率范围为 61hz4mhz。 uart： at89s51 的工作方式与 at89c51 工作方式相同。串口为全双工结构，表示可 以同时发送和接收，它还具有接收缓冲，在第一个字节从寄存器读出之前，可以 开始接收第二个字节。 （但是如果第二个字节接收完毕时第一个字节仍未读出， 其中一个字节将会丢失） 。串口的发送和接收寄存器都是通过 sfr sbuf 进行访问 的。写入 sbuf 的数据装入发送寄存器，对 sbuf 的读操作是对物理上分开的接收 寄存器进行访问。 该串口有 4 种操作模式（模式 0、模式 1、模式 2 和模式 3） ，在这 4 种模式