交直流数字电流表设计毕业论文.doc

电流测量模块的设计交直流数字电流表设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 课题研究问题11.2 课题背景及意义12 背景知识介绍32.1 单片机发展详细介绍32.1.1 单片机的工作原理42.1.2 单片机的基本特点52.2 A/D转换器的介绍62.2.1 A/D转换器的工作原理62.2.2 A/D转换器的基本特点73系统硬件设计83.1系统整体设计方案83.2主控制器模块设计93.3转换模块设计123.4数据采集模块的设计143.5显示模块设计163.6电流测量模块的设计系统仿真图194系统软件设计204.1系统主控程序设计204.2数据采集处理程序设计214.3显示模块程序设计225测量结果显示236调试与总结23致 谢24附录251 引言随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正引起测量、控制仪表领域新的技术革命。采用单片机作为测量仪器的主控制器，这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机与测量控制技术结合在一起，在测量工程自动化，测量结果所举处理以及功能的多样化方面取得了巨大的进步。基于单片机的智能综合仪表是基于智能化、数字化、网络化、新一代智能仪表的设计理念，采用智能调理、灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术、综合指示仪表、调节仪表、计算仪表与记录仪表功能。具有高测量控制精度、工可靠性稳定性的特点。通过数字电流表的设计方案,掌握了C语言的编程方法， 并熟练的运用AT89C52单片机定时器以及ADC0808模/数转换芯片将模拟电流量转变为数字量然后在液晶显示屏上直接显示数字的电流值。1.1 课题研究问题设计一个电流测量模块，可对直流或交流的电流大小进行测量，测量范围为0-10A，测量结果可显示或以标准接口方式输出。主要技术指标：供电电压：220V（+_10%）测量范围：010A设计拟采用电流耦合器，把大电流转变为小电流，然后再对其采样。控制器可采用其它AT89C52单片机或其它高级处理器。1.2 课题背景及意义85C1电流表经过多年来的发展，在国内已经形成完整成熟的产业链，上下游厂家近万家。对85C1的生产和发展提供了良好的氛围。据目前统计来看国内生产厂家有近千家，大都完成了技术改造。由单一走向全面。CS5460A是美国Crystal公司推出的一款用于测量电压、电流、功率、能量的集成芯片，该芯片的主要特点是精度高、性能强、成本低且无需微控制器也可独立运行，它是CS5460的增强版。C8051F310是美国Silicon Labs公司推出的一款具有8051内核的高性能单片机，它的运行速度为普通8051单片机的12倍，主要特点是高速率、低功耗、外围器件少、可靠性高。直流大电流测量技术的意义直流大电流测量技术在工业生产和科研实验中有着较广泛的应用,如:在地铁和电气化铁道等直流牵引系统中;电力工业中的高压直流输电系统也有直流大电流的测量问题;在核物理、大功率电子学等科研实验中常常涉及到大电流测量问题。对于测量到的大电流,也有计量、监视、控制及保护等不同的用途,它们对测量准确度指标的要求也不完全一致。对于计量用的测量互感器的准确度要求最高,对保护和控制用的互感器要求次之,对监视用的互感器要求最低。直流大电流的测量,已成为电磁测量技术领域中不可缺少的独立部分。2 背景知识介绍2.1 单片机发展详细介绍1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 3.SoC单片机(System On Chip)，单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。2.1.1 单片机的工作原理单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。2.1.2 单片机的基本特点单片机的基本特点：（1） 高集成度，体积小，高可靠性。 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强。 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能 力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品。 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V， 而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并 行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5）优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。2.2 A/D转换器的介绍模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。 A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。2.2.1 A/D转换器的工作原理随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号， 然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。 模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为 A/D 转换器，简称 ADC(Analog to Digital Converter)。 数字量转换成模拟量的过程称为数模转换， 简称 D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Analog Converter)。模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入 AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由 DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。为了保证数据处理结果的准确性， AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和 DA转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量 AD转换器和 DA转换器性能优劣的主要标志。模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数）,可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若VinVS,则保留这一位；若VinVS还是VinV来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。 间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。 模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。 用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。2.2.2 A/D转换器的基本特点A/D转换器的基本特点是：（1） 分辨率高。（2） 功耗低。（3） 价格低。（4） 需要外部计数电路共同完成A/D转换。3系统硬件设计3.1系统整体设计方案本设计主要完成电流测量模块的设计。硬件部包括数据采集模块、主控制器模块、显示模块、转换模块四大组成部分。其中，数据采集部分由交、直流输入电路组成；软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部功能。能够测量出010A的交、直流电流，并且通过数字显示。本系统由主控制器模块、数据采集模块、转换单元模块、显示模块组成。如图2.1所示： 数据采集模块显示模块主控制器模块转换模块 图 1 图 3.1电流测量模块的设计系统框图3.2主控制器模块设计3.2.1主控制器的选择选择单片机型号的出发点有以下几个方面：1、 单片机性能应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。2、 研制周期在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。AT89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。所以主控单元拟采用AT89C52作为主控制器。3.2.2 AT89C5289C52行输出操作时，CPU通过内部总线把数据写入锁存器。而89C51执行输入操作却有两种方式；当执行的是读锁存器指令时，CPU发出读锁存器信号，此时锁存器状态由触发器的Q端经锁存器上面的三态输入缓冲器1送入内部总线；如果执行的是读端口引脚，则CPU发出的是读引脚控制信号，直接读取端口引脚上的外部输入信息，此时引脚状态经锁存器下面的三态输入缓冲器2送入内部总线。在89C52无片外的扩展存储器的系统中，这四个端口都可以作为准双向通用IO口使用。P0口的输出级与P1-P3口的输出级在结构上是不同的，因此，它们的负载能力和接口要求也各不相同。P0口与其他口不同，它的输出级无上拉电阻。用作输入时，应先向口锁存器80H写1。把它当作地址/数据总线时，则无须外接上拉电阻。P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。P1-P3口的输出级接有内部上拉电阻，它们的每一位输出可驱动4个LS型TTL负载。作为输入口时，任何TTL或NMOS电路都能以正常的方式驱动89C52单片机的P1-P3口。由于它们的输出级具有上拉电阻，所以也可以被集电极开路所驱动，而无须外接上拉电阻。对于89C52单片机，端口只能提供几毫安的输出电流，故当作输出口去驱动一个普通晶体管的集极时，应在端口与晶体管基极间串联一个电阻，以限制高电平输出时的电流。P1-P3口也都是准双向口。电源引脚Vcc和Vss。Vcc（40脚）：电源端，为+5V。Vss（20脚）：接地端。3.2.2 AT89C52最小系统单片机最小系统包括：(1)复位电路、（2）晶振电路、（3）电源电路。（1） 复位电路：复位操作一般有两种基本形式，一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。复位电路接单片机的9管脚。（2） 晶振电路：单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。晶振电路接单片机的18、19管脚（3） 电源电路：单片机40管脚接电源，20管脚接地。AT89C52单片机最小系统设计如图3.1所示：图3.2 AT89C52单片机最小系统本系统89C52单片机的最小系统的复位电路采用上电复位，晶振电路采用内部时钟方式。40管脚连接5V电源。3.3转换模块设计3.3.1 A/D转换器的选择A/D转换原理：1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。 采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 o，与送入比较器的待转换的模拟量i进行比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 o再与i比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。2、双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量i，i采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分，时间到后，开关再接通与i极性相反的基准电压F，将F输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。i越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压i所对应的数字量，实现了A/D转换。以上分析可得A/D转换实现简单，可操作强。因此，首先考虑用常用的模数转换芯片ADC0809.ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。3.3.2 ADC08091.ADC0809的特点:（1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s（4）单个5V电源供电 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mW。2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图3.3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。图3.3 ADC0809内部结构3外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 3.3.2 ADC0809转换电路将采集到的信号输入到ADC0809芯片中，ADC0809会将接收到的模拟信号转化成数字信号，在输入到单片机中。转换电路图如图3.4所示： 图3.4 ADC0809转换电路图ADC0809转换电路设计。ADC0809的工作过程是：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。3.4数据采集模块的设计3.4.1 直流电流采集电路直流电流测量模块的数据采集模块的设计可通直流输入电路实现。利用电阻量具测量直流电流是最早采用的一种方法,它根据被测电流流过已知电阻而测量其电压降来确定被测电流的大小。直流电流输入ADC0809转换器电路，由于被测电流为010A，需通过并联电阻进行分流、采样，如图3.5所示：图3.5直流输入电路3.4.2 交流电流采集电路一交流电路输入电路的设计，首先考虑通过整流电路把交流信号转化为小直流信号，再输入ADC0808转换器进行模数转换，如图3.6所示：图3.6 交流输入电路通过整流电桥把交流信号转化为直流信号，再输入A/D转换器进行转换。3.4.2 交流电流采集电路二在硬件实现中，我们通过电流互感器，将交流电流转化成小电流的直流信号，在经过LM324运算放大器，在输入ADC0808转换器进行模数转换。 本系统采用电流互感器的型号为HTTA-23CE，规格为10A/10mA。电流互感器的作用是电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。将交流电流转换成可供仪表、继电器测量或应用的变流设备。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为10A的电流转变为10mA的电流。利用电流互感器设计的交流电流采集电路如图3.7所示:图3.7 交流电流采集电路 通过电流互感器把交流信号转换成直流信号。在经过放大电路输入A/D转换器。3.5显示模块设计方案一 LED显示 LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示器结构： 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等LED显示器与显示方式: LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。 LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。 图3.4 LED数码管显示方式方案二 LCD显示 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比LED要好的多，但是价钱较其贵。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。通过以上分析，本系统显示模块设计拟采用LCD1602进行数字显示。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。显示模块的工作原理是：单片机的P0输出数据通过排阻输送到LCD1602的D0D7管脚，1602接收到数据后进行显示。显示电路如图3.5所示：图3.5 1602显示电路单片机的P0管脚将信号从LCD的D0-D7管脚输入LCD进行显示。LCD的1管脚接地，2管脚接电源。36电流测量模块的设计系统仿真图电流测量模块的设计系统整体仿真图如图3.6所示：图3.6 电流测量模块的设计系统整体仿真图将数据采集模块采集到的信号输入ADC0809，转换器将接收到的模拟信号转化成数字信号，再通过输出管脚输入单片机中，单片机通过运算再送到LCD1602进行显示。4系统软件设计4.1系统主控程序设计系统主控程序实现的功能是：交直流电路采集到的电流信号经过ADC转换成数字信号再输入单片机中进行处理，最终在LCD中显示。开始系统初始化判断按键是否按下直流电流输入ADC转换89c52执行运算，Y交流电路输入N结束并将数据送LCD显示 图4.1 系统主控程序框图系统主控程序框图中的系统初始化包括：89c52初始化、LCD初始化、ADC初始化三大模块。通过按键分别将采集到的交直流电流输入到ADC0809中，ADC将采集到的模拟信号转化为数字信号，再输入单片机中进行处理并将结果送到LCD中进行显示。4.2数据采集处理程序设计数据采集处理程序主要实现的功能是：将采集到的模拟信号转化为数字信号。开始使能芯片产生时钟信号输入通道控制字将值送入相应寄存器字节数据校验读取字节数据结束图4.2 数据采集处理程序设计ADC0809的工作过程是：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4.3 LCD显示程序流程图否是开始初始化写指令写数据结束检测忙4.3显示模块程序设计显示模块程序主要实现的功能是:将单片机发送过来的信号进行显示。用户所编的显示程序开始必须进行初始化，否则模块无法进行显示。初始化方法有两种：一种是利用内部复位电路进行初始化；另一种是软件复位来进行初始化。本系统采用软件复位进行程序初始化。5测量结果显示输入直流电流系统显示结果如表5-1所示：表5-1 输入直流电流系统显示的结果直流输入（A）105421直流输出（A）9.964.983.932.001.00通过表5-1中的数据可以看出，本系统的精度达到了95%以上。输入交流电流系统显示结果如表5-2所示： 表5-2输入交流电流系统显示的结果交流输入（A）105421交流输出（A）9.544.753.631.951.00通过表5-2中的数据显示。本系统的精度达到了90%以上。6调试与总结调试中遇到的一些问题：第一：程序下载时，提示数据下载超时，经检查单片机型号以及电路连接都正常，最后确认是单片机芯片坏了。经过更换芯片，程序下载成功。第二：开始时直流电流仿真结果误差，经过反复调节滑动变阻器。显示结果慢慢接近真实值。总结：本设计是基于SAT89C52单片机开发平台和自动控制原理的基础上实现的一种数字电流表系统。该系统采用单片机作为控制核心，通过交、直流输入电路，把模拟的电流信号输入到A/D转换器ADC0808中。ADC0808将输入的模拟信号转换为数字信号。并输出到单片机中。由单片机送到显示器LCD1602中，进行数字显示。通过测量结果显示，我们设计的电流模块的测量系统精度还是比较高的。本文采用SAT89C52进行数据控制 、 处理,送到显示器显示 ,硬件结构简单 , 软 件采用C语言实现 , 程序简单可读写性强 ,效率高 。与传统的电路相比 ,具有方便操作 、 理速度快 、 定性高 、性价比高的优点 , 具有一定的使用价值 。致 谢首先要感谢杨春杰老师，是他在整个毕业设计过程中给我提供了毕业设计所需要的资料，帮助解答毕业设计中遇到的问题。其次，感谢所有对我毕业设计提供过帮助的老师和同学们，是他们的协助，让我顺利的完成了电流测量模块系统的设计。参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术M.第三版.北京.北京航空航天大学.2005，10 : 56-842 李升，陈亮.单片机原理及应用课程数字仿真教学探讨J.南京工程学院.2007，(11) : 1-33 胡红博.基于单片机控制的新型交流电压表系统J.遵义师范学院.2008，24(2 ) : 205-2084 王 良.基于低功耗单片机的智能综合仪表设计J.微计算机信息.2008，24(61) : 145-1625 晏剑辉，温 玉.基与AT89C51单片机的智能仪表设计与实现J .自动化与仪器仪表.2008，(1) : 66-706 GUO Gai-zhi.Design and Implementation of Digital Cymometer Based on CPLD.ournal of Inner Mongolia Normal University.2005，(31) : 1-707 CHEN Chi-feng.Optimal Design of the Uniform and Collimating LED Lamps for a Single LCD Panel Mini-Projector.Chinese Journal of Electron Devices.1997，(26) : 10-34附录系统程序清单主程序：#include #include #include #include system.h#include lcd.huchar dis_buff4;/显示缓冲区uchar led_721=0x80,0x9b,0x42,0x0a,0x19,0x0c,0x04,0x9a,0x00,0x18,0xff,/有点 0 1 2 3 45 6 7 8 9 灭 0xa0,0xbb,0x62,0x2a,0x39,0x2c,0x24,0xba,0x20,0x38;/无