单片机测电压电流

1、基于单片机的直流电压电流检测的设计一设计要求用单片机做一个电压，电流检测装置。（1）电压的围：DC10-36V,要求精度1%以。（2）电流DC 0. 1-3A,要求精度1%以。（3）用液晶显示电压，电流值（4）通过按键可切换电压，电流显示。（5）每组做一个实物，实物要求用通用板焊接完成，单片机自选。二设计简介：利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块，按键选择等的结合构建直 流电压电流表。由于单片机的发展己经成熟，利用单片机系统的软硬件结合, 可以组装出许多的应用电路來。此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基 准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D） 转换芯片通过按

2、键选择模块将被测量电压或电流输入端所采集到的模拟电 压或电流信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编 程，使单片机系统能按规定的时序来釆集这些数字信号，通过一定的算法计 算出被测量电压或电流的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压电流值 按一定的时序送入显示电路模块加以显示。三. 单片机简介及本设计单片机的选择在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块一一单片机系统模块, 而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32 位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计己经是绰绰有 余了，但将用哪一种类8的单片机呢。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算

3、机系统，具有一个完整 计算机所需要的大部分部件：CPU,存，总线系统等。而目前常用的单片机 的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。应用最广的8位单片机还是intel的51系列单片机。51系列单片机 的特点是：硬件结构合理，指令系统规，加之生产历史悠久，世界有许多 芯片公司都买了 51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得 芯片的运行速度变得更快，性价比更高。AVR单片机是atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性 能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。有 专门的I/O方向寄存器。虽然有转强的驱动电压，但I/O 口使用不比51单 片机方

4、便。PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片 机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在性格方 面比51单片机要高，也有专门的I/O方向寄存器，I/O 口使用不比51单 片机方便。MSP430系列单片机是美国仪器（TI） 1996年开始推向市场的一种16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多 个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提 供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪 表中。51系

5、列和msp430系列有学过，比较熟悉，其他的比较陌生，因此优先 考虑51系列和msp430系列。方案一：釆用TI公司的msp430fl49单片机，该单片机是超低功耗的16位自带ADC, 含丰富的外设。片有12位的ADC,分表率高，可满足1%的精度要求。该单片机的工作电压是1.8v-3. 3vo需要电源转换电路。msp430fl49最小系 统电路。将转换电路的输出接到msP430fl49的P6 口，该端口是ADC转换器 的模拟输入通道。MSP430F149自带12位AD,无需外接AD转换器，很方便，编程也相对简 单，但是市场上只有贴片芯片，焊接很困难，且价格比较贵。方案二：釆用Inntel生产的

6、89C52。釆用51系列的AT89C52,它是低电压、低功耗、高性能的CM0S8位单 片机，片含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存 储器，32个I/O 口线，3个16位定时/计数器，片振荡器及时钟电路，并与 MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行 及存储数据的任务，一方面，它将A/D转换器、显示器和语音芯片等通过 I/O 口地址线和数据线连接起来。芯片没有AD转换部分，需要外接AD转换 芯片。89C52我们比较熟悉，价格便宜，直插式，方便焊接，且符合实验要求。 对比考虑下，我们选择51系列的89C52芯片。四. 模数（A/D）转换芯片的

7、选择在本设计中，模数（A/D）转换模块是一个重要的模块，它关系到最后 数电压电流值的精确度。所以，A/D芯片的选择是设计过程中一个很重要的 环节。1. 常用的A/D芯片简介常用的A/D芯片有AD0809, AD0832, TLC2543C等几种。下面简单介绍 一下这三种芯片。AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、 一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路 开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。些A/D转换器是的待点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟 量变化大快，必须在输入之前增加釆样电路。AD083

8、2也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通 道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作; 可用地址逻辑多路器选通各输入通道。TLC2543C是12位开关电容逐次逼近A/D转换，每个器件有三个控制输 入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换 数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模 拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。综合上述几种A/D转换芯片的特点，前两种芯片的性能和精度都不如第 三种芯片。在本设计中，我们的目标是设计精度1%以的高精度电压电流测 量，因此在此，我们选择精度为12位的TLC25

9、43芯片。2. 模数（A/D）芯片TLC2543的资料综合本设计的各方面考虑，我们选了 TLC2543模数转换芯片。下面就介 绍此芯片的各方面资料。AINOEAIN1 AIN2 AIN3EAIN4AIN5：AIN6EAIN7EAIN8EGND：TLC2543芯片的封装引脚图和引脚说明如下：WcJEOCI/O CLOCKDAT A INPUT DAT A OUT CSREF+ REF_ 1AIN10JA1N9引脚说明:引脚号名称10说明1-9, 11, 12AIN0-AIN10I模拟输入端。15、csI片选端。17Data inputI串行数据输入端。16Data out0用于A/D转换结果输也

10、的3态串行输出 端19EOC0转换结束端10GND接地端18I/O elkI输入/输出时钟端14REF+I正基准电压端13REF-I负基准电压端20vcc正电压端各引脚的使用详细介绍。1. AIN0-AIN10这11个模拟信号输入由部多路选器选择。对4. 1MHZ的I/O elk,驱动源阻抗必须小于或等于50欧并且能够将模拟电压由60PF的电 容來限制其斜率。2. 在CS端的一个由高低低变化将复位部计数器并控制使能data out, data input和I/O clko 一个由低至高的变化将在一个设置时间禁止data input 和 I/O elk.3. 串行数据输入端data input是

11、一个4位的串行地址选择下一个即将被转 换的所需的模拟输入或测试电压。串行数据以MSB为前导并在I/O elk 的前4个上升沿被移入。在4个地址位被读入地址寄存器后，I/O elk将 剩下的儿位依次输入。4. Data out在CS为高时处于高阻抗状态，而当CS为低时处于激活状态。 CS 一旦有效，按照前一次转换结果的MSB/LSB值将data out从高阻抗状 态转变成相应的逻辑电平，I/O elk的下一个下降沿将根据下一个 MSB/LSB将data out驱动成相应的逻辑电平，剩下的各位依次移出。5. E0C在最后的I/O elk下降沿之后，从高电平变为低电平并保持低直到 转换完成及数据准备

12、传输。6. GND端是部电路的地回路端，除加有说明外，所有电压测量都相对于GND7. I/O elk端串行输入并完成以下四个功能：第一，在I/O elk的前8个 上升沿，它将8个输入数据信键入输入数据寄存器。在第4个上升沿之 后为多路器的地址。第二，在I/O elk的第4个下降沿，在选定的多路 器的输入端上的模拟输入电压开始和电容器充电并继续到I/O elk的最 后一个下降沿。第三，它将前一次转换的数据的其余11位移出data out 端。在I/O elk的下降沿时数据变化。第四，在I/O elk的最后一个下 降沿它将转换的控制信号传送到部的状态控制位。8. REF+端通常接VCC,最大输入电

13、压围取决于加于本端与加于REF-端的电 压差。9. REF-端通常接地。五. 液晶显示器的选择方案一采用1602液晶芯片1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602 液晶模块部的字符发生存储器已经存储了 160个不同的点阵字符图形，这些 字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名 等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时 序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。方案二釆用12864液晶芯片12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可 以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中

14、文汉字和一些简单的 图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱 动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。在本设计中，我们只需要显示最后电电压或的数字值，综合上面各种显 示器件的特点：而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相 对也较多。也不是理解的显示器件。所以在本设计中，我们考虑用液晶显示 器件，虽然12864液晶比1602液晶的功能强，不过在价格方面却贵了好多。 而1602液晶也足够满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602 液晶显示器件。2. 1602液晶的参数资料我们选择了 1602液晶做为本设计的显示模块的显示器件。以下是1602 液晶

15、的各方面参数：1.接口信号说明:编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端6E使能信号8-14D0-D7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极2.基本操作时序:1. 读状态：输入：RS二0, RW二1, E二1。输出：D0-D7为状态字2.写状态：输入:RS二0, RW=0, D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无3.读数据：输入：RS二1, RW二1,E二1。输出：D0-D7为数据。页脚4.写数据：输入:RS二1, RW=0, D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无3.状态字说明STA7STA6STA5S

16、TA4STA3STA2STA1STA0STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止 0：允许4.指令的说明。显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据口显示开/关及光标设置指令码功能00001DCBD二1开显示；D二0关显示C=1显示光标；C=0不显示关标B二1光标闪烁；B二0光标不显闪烁000001NSN=1当读写一个字条款后地址指针加 一，且光标加一。N=0当读或写一个字符后地址指针减 一，且光标减一。S二1当写一个安条款，整屏显示左移(N=l)或右移(20),以得到光标 不移动而屏幕移动的效果。S二0当写一个字符，整屏显示不移动。数据控

17、制:指令码功能80H+地址码(0-27H, 40H-67H)设置数据地址指针01H显示清屏：1,数据指针清02,所有显示清002H显示回车：数据指针清0六硬件总体设计：1设计方案：根据上述，我们选择单片机与A/D转换芯片结合的方法实现本设计。 使用的基本元器件是：AT89C51单片机，TLC2543模数转换芯片，1602液晶显 示器，开关，按键，电容，电阻，晶振，标准电源等等。设计的基本框图如下：七. 硬件电路系统模块的设计1.单片机系统单片机最小系统包括晶振电路，复位电路，电源。其原理图如下:C11293119灯2P皿DOP02/ADIZ Pg虫旳 PO.WAdl口砂用PNME pz.w/e

18、 P22AU P23*AALEF 乙 WA-E颐PZSfX-QP1DTZP2SAUP2.?/AP3D-RXDP1.1fT2EP3.in7=PP12P13paaTWTTPI.*P3.raPISP35fT1PISP3AOT1CPI.?P3.7TOF3 CT-转换电路模块根据设计要求，要检测直流电压电流并显示。直流电压是10v-36v,电流是0. 1A-3AO这些都不满足ADC对模拟量的要求，故要通过转换电路转换后输入到 ADC中去。转换电路如下：1.直流电压转换电路该电路通过串联两个高精度的电阻分压、再通过低通滤波器滤波后连接一个 电压跟随器。待测量进入ADC或者单片机之前必须要滤波处理，提高抗干

19、扰性。 若前级的电阻精度不高,导致被ADC采集的数据与待测的数据有误差，加上ADC 转换、显示等的误差，这样就综合误差较大，可能不能达到百分之一的精度要求。 故这两个电阻需要一定的精度。电阻选用精度为千分之一的精密电阻51k和 4.7ko电容选择lOOuf的袒电容，运放选择LM358=4.7K * (10V - 36U) /(4.7K + 51K) = 0.84V -3.03V这个电压围满足ADC的要求。0.1A-3A的直流电流需要先转换成直流电压，通过取样电阻转换成小电压信号， 取样电阻选择为0.010。这里转换后的电压由于过小，所以需要采取一些抗干扰 措施，比如在电源的引入端加电源退耦电容

20、，或在输入端加低通滤波器。对于这 个小电压信号，可采用隔离放大器7840隔离后再将信号放大，这种放大器能隔 离放大器是一种输入电路和输出电路之间电气绝缘的放大器，对模拟信号进行隔 离，并按照一定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真 要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。对被测对象和 数据采集系统予以隔离,从而提高共模抑制比，同时保护电子仪器设备和人身安 全。不过这种放大器成本比较高，这里不釆用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它具有高共模抑制比、高输入阻抗、 低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据 釆集、传感器信号放大

21、中使用比较多。运放Al, A2为同相差分输入方式，同相 输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输 入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后 级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这个仪表 放大器可以通过三个运放外接一些电阻來实现。成本低乂能满足要求，故采用这 种方式。仪表放大器的放大倍数是；A = 200K*(l + 2*20K/10K)/10KUo = -AUi由以上两式可算得Uo=0.1v - 3v满足ADC的要求。若要电路的抗干扰性能更高, 还可以在两个差分的运放的反馈回路加高频消燥电容。也可以釆用电

22、阻來分流，将0.1A-3A的电流分成0.1A-1A和1A-3A的两个量 程的电流，然后通过小电阻转换成电压，对于小电压信号可以釆用运放放大，大 电压信号经滤波后输入到ADC中去。由于这样不能实时采集信号，需要更换通 道，故在这里釆用仪表放大器来实现。由于3A的直流电流比较大，可能会发生 过流对人和电路有损害，需要考虑加过流保护装置。一般的过流保护釆用成本比 较低的保险幺幺，采用普通熔丝的保护电路，其过电流反应是较迟钝的，因而不能 作为灵敏的保护装置。电子保护电路具有高速断流、恢复容易的特点，可应用于 任何直流电路中作过流保护装置。这里考虑当过流时需要切断电路而乂能快速恢 复电路使测试能继续进行

23、。釆用电子保护电路。其电路图如下：Q1电子保护电路如所示。当微动开关K接通时，单向晶闸管SCR导通，直流电路 也导通。当用电量增大到超过规定的允许值时，检测电阻R 1上的电压大于0. 7 V时，晶体管BG导通，此时晶体管集电极C和基极b间的电压下降到低于维持 电压，BG, SCR关断，切断供电电路。元件选择：当电路两端电压W1OOV时，BG用3DD15C,单向晶闸管SCR可 用6 A /400Vo R 1的阻值是根据电源所允许的电流确定的，即R 1 =0.7/3 （3 为电源允许电流）。若电路的耗电是5 W, R2阻值为0.35Q的线绕电阻，允许 通过的电流为3 A。两个转换电路的输出接到AD

24、C的模拟通道。通过按键选择不同的通道来实现对 电压或者电流的釆集。3. A/D转换芯片与单片机的连接此设计中选择的是A/D转换芯片的通道0和1, A/D芯片的数据输入口连接 单片机的P1.3 口，数据输出口连接单片机的P1.4 口，芯片使能端连接单片机的 P1. 5 口，脉冲端连接单片机的P1.6 口。模块连接如下图所示。4. 1602液晶与单片机连接此模块液晶的RS, RW和E端分别连接单片机的P2.0, P2. 1和P2.2 口;液晶的 数据各端口连接单片机的P0 口。具体如下图所示。3 5p-po.r/Aor PO Z27AD2 PO.SyADG ROPO.C/ADG po.e/AceP

25、2.OAe pz.pg P2.2/V-1O P.S/A-1-1S3LCD1L.MO32L.越昼些歩荼3 s z s s莒呂吕占5. 键盘与单片机的连接如下该键盘的功能：当键盘1被按下时，选择电压测量；当键盘2被按下时，选择电 流测量。八. 系统软件的设计主程序设计包括以下方面： 按照硬件电路对单片机位定义。编写延时模块程序。编写驱动1602液晶显示模块程序。编写驱动A/D转换模块程序。编写键盘扫描切换模块程序。主程序的总体流程如下图：九. 程序清单：1.用按键选择调用子函数的方法实现电压电流测量的切换。按键一选择电 压测量，按键二选择电流测量。# iiiclude# iiicludedefin

26、e uchai unsigned chardefine umt unsigned mtuchai code SbO=”WELCOME TO USE”;/预定义宏uchai code tabl=MPRESS KEY CHOOSE：uchai code tab2=MVOLTAGE IS”；uchai code tab3=MVH;uchai code tab4=MCURRENT IS”；uchai code tab5=MAM;long float dat;sbitrs=P2A5y/1602液晶写命令/数据标志,0时写命令sbkrw=P2/6;1602液晶写入/读出标志,0时写入数据sbit ep=P

27、2A7;sbit mput=PlA3;sbit output=PlA4;sbit cs=PlA5;sbit clk=PlA2;sbit kevl=P3A2;J1sbit kev2=P3 八3;J7void delay(iiit z)延时函数int x,y;for(x=z;x0;x)fdr(y=10;y0;y-);void write_(uchar )往1602液晶写命令函数rs=O;P0=;delay(5);ep=l；delay(5);ep=0;void wiite_dat(long float dat)/往 1602 液晶写数据函数rs=l;PO=dat;delay(5);ep=l；dela

28、y(5);ep=0;void imt_1602()对1602液晶的初始化函数rs=O;nv=0;wnte_(0x38);/显示模式设置write_(0x0c);delay(l)；wiite_(0x06);delay(l)； write_(0x01);delay(l)；wiite_(0x80+0xl 0);delav(l)；void displav(uchar x.uchai- yjiint dnt)/显示电压值的函数,x行y列开始显示 uiiit add;uchar i、a5;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break;a

29、dd=add+y;write_(add);fbr(i=O;i5;i+)ai=dat%10;dat=dat/10;write_dat(a4+0x30);write_dat(a3+0x30);wiite_dat(,);write_dat(a2+0x30);write_dat(al +0x30);write_dat(a0+0x30);void display_zifu(uchar x,uchai y,uchar *st【)显示字符函数、x 行 y 列开始显示 uiiit add;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break;add

30、=add+v;wiite_(add);wlule(*str!=rO,)write_dat(*str); str+; umt read_AD(uchai- con_way)/读取 AD 转换值操作函数 uiiit dat=O;uchar i;cs=O;clk=O;con_way=4;fbr(i=0;i12;i+)con_way=l; mput=CY;dat=l; if(output) dat=dat|0x01;delay(2); clk=l; delay(5); clk=O; cs=l; return dat; umt readVvalueO/电压的数值处理 long float dq;long

31、 float dat_V;dq=wad_AD(0);dat_V=(62250*dq)/4096; dat=dat_V;return dat;umt read_AvalueQ/电流的数值处理long float dq; long float dat_A; dq=read_AD(l); daCA=(5000*dq)/4096; dat=dat_A;retuin dat; void test()电压电流按键选择切换子函数函数 mt N=50;mtj;long float sum = 0;if(keyl=0)delay(lO);if(keyl=O) uut_1602();delay(lO);foi(j

32、=OjN;j+)/平均值滤波去干扰sum+=read_VvalueQ;dat=(sunizN);display_zifii(0,0,tab2);display(h5.dat);display_zifii( 1,12,tab3);if(key2=0)delay(lO);if(key2=0) iiiit_16020；delay(lO);for(j=Oj=Nj+)/平均值滤波去干扰 sum+=read_ATalue();dat=(sunizN);display_zifii(0,0,tab4);display(h5.dat);display_zifii(l, 12,tab5); void main()

33、/主函数imt_1602(); delay(lO);display_zifu(0,1 ,tabO); display_zifu(l 5O.tab 1); wlule(l) testQ；2. 用中断方法实现电压电流测量的切换。按键一外部中断0选择电压测量，按 键二外部中断1选择电流测量。# iiiclude# includedefine uchai unsigned chardefine umt unsigned mtuchai code SbO=”WELCOME TO USE”;/预定义宏uchai code tabl=MPRESS KEY CHOOSE；uchai code tab2=MVO

34、LTAGE IS;uchai code tab3=MVH;uchai code tab4=MCURRENT IS”；uchai code tab5=MAM;long float dat;sbitrs=P2A5y/1602液晶写命令/数据标志,0时写命令sbitrw=P2/6;1602液晶写入/读出标志,0时写入数据sbit ep=P2A7;sbit mput=PlA3;sbit output=PlA4;sbit cs=PlA5;sbit clk=PlA2;sbit kevl=P3A2;J1sbit kev2=P3 八3;J1void delay(iiit z)延时函数mt x,y;fbr(x=

35、z;xO;x ) fbr(y=10;y0;y-);void wiite_(uchai)/往1602液晶写命令函数rs=O;P0=; delay(5); ep=l； delay(5); ep=0;void write_dat(long float dat)往 1602 液晶写数据函数rs=l; PO=dat; delay(5);ep=l； delay(5);ep=0;void imt_1602()对1602液晶的初始化函数rs=O;i、v=0;wnte_(0x3 8);/显示模式设置 write_(0x0c);delay(l);wiite_(0x06);delay(l);write_(0x01)

36、;delay(l);wiite_(0x80+0xl 0);delay(l)； void displav(uchar x.uchai- y.uint dat)/显示电压值的函数,x行y列开始显示umt add;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break;add=add+y;write_(add);fbr(i=0;i5;i+)ai=dat%10;dat=dat/10;write_d at(a 4+0x3 0);write_d at(a3+0x3 0);wiite_dat(,);write_d at(a 2 +0x3 0);wr

37、ite_dat(al +0x30);write_d at(a 0+0x3 0);void display_zifii(uchar x,uchai y,uchar *stQ显示字符函数、x 行 y 列开始显示 uiiit add;switch(x)case 0:add=0x80;break;case 1:add=0x80+0x40;break;add=add+v;wiite_(add);wlule(*str?=0,)write_dat(*str);str+;umt read_AD(uchai- con_way)/读取 AD 转换值操作函数int dat=O; uchar i; cs=O;clk=O; con_way=4; for(i=0;i12;i+) con_way=l; mput=CY;dat=l;if(output) dat=dat|0x01;delay(2); clk=l;delav(5); clk=O;cs=l;retuin dat; umt wad_Vvalue()电压数值处理函数 long float dq;l