数字电流表设计

1、淮南师范学院电气信息工程系自动化专业电子课程设计报告自动化专业电子课程设计报告题 目： 数字电流表设计 姓名学号 指导教师： 评阅成绩等次： 电气信息工程系2010-2011 第二学期目 录摘要 3 前言 41设计的任务和要求 5 1.1 设计任务 5 1.2 设计要求 52设计原理与结构框图 5 2.1 设计原理和功能 5 2.2 结构框图 53 硬件电路设计方案 6 3.1 i/u转换电路原理 6 3.2 at89c51 单片机 6 3.3 tlc549 模数转换芯片 83.4 内接时钟部分 83.5 显示部分 93.6 上拉电阻部分 103.7 数字电流表仿真电路图 104软件设计 11

2、4.1 程序框图 114.2 仿真控制原理及仿真图 125设计结果分析 125.1 结果分析 125.2 主要元器件清单 12 5.3 误差分析 136设计总结 136.1 设计小结 136.2 设计体会与收获 13致谢 14参考文献 14摘 要本设计是基于51系列的单片机进行的数字电流表设计，可以进行电流的数字计数，并在液晶显示器上显示。数字电流表的设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。硬件部分主要由at89c51单片机，tlc549模数转换器，液晶显示器电路，以及电流采样电路等组成。程序采用c语言编写，可移植性强。关键字电流采样，a/d转换器，放大器，at89c51单片机。前 言随着微电子

3、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at89c51单片机定时器以及tlc5

4、49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、设计的任务和要求1.1 设计任务at89c51单片机可以设计并实现数字电流表的设计及其相关功能。通过本次设计了解并掌握51系列的单片机的结构及其使用方法，同时掌握keil c51和proteus的结进行单片机系统的软件设计和硬件的仿真调试以及增强自己对工程项目的设计能力。1.2 设计要求 1、测量电流范围在0ma12ma。2、通过改变输入电压值来改变电流大小。2、设计原理与结构框图2.1 设计原理和功能8路数字电流表主要利用a/d转换器，其过程如下：先用a/d转换器对各电流值进行采样，得到相应的数字量，再按数

5、字量与模拟量成比例关系运算得到相应的模拟电流值，然后把模拟值通过数码管显示出来。设计时假设待测的输入电流为8路，电流值的范围为012ma,要求能在lcd数码管上显示。 i/u转换电路2.2 结构框图 如图2.2所示 tlc549 单片机at89c51 lcd数码显示 图2.23、硬件电路设计方案3.1 i/u转换电路原理ui被检测电流通过opa07转换放大成05v的电压值，通过电压跟随器稳定电压送入a/d转换模块，由数据测得u-i的对应关系：k=u/i，其中u的单位为v，i的单位为ma。转换模块如图3.1所示：图3.1 i/u转换电路3.2 at89c51单片机 at89c51是一可编程可擦除

6、只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压微处理器，俗称单片机。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at89c51是一种高效微控制器。at89c单片机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。其引脚结构如上图3.2所示: 管脚说明： 图3.2 at89c51单片机 vcc供电电压。gnd接地。p0口p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位

7、。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p

8、2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。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c52的一些特殊功能口，如下所示:p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2/

9、int0（外部中断0）p3.3/int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器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）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。ale/prog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

10、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。/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/psen信号将不出现。/ea/vpp当/ea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

11、期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。3.3 tlc549模数转换芯片 tlc549芯片共有8个引脚，如图3.3所示。图3.3 tlc549芯片在图3.3中，4、8脚为电源输入和接地，没有标出。2脚ain连接可调电位器rp2的滑动端，实现模拟采样电压的输入；1,3脚为参考电压输入，其中1脚ref（+）连接+5v，3脚接地；5脚cs为片选信号，连接单片机的rd引脚；7脚为时钟信号输入，连接单片机的t1引脚；6脚为转换后的串行数据输出，连接单片机的wr引脚。3.4 内接时钟部分图3.4 内接时钟部分系统采用内部时钟方式。51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1、

12、xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器x1、及两个22pf的电容c1、c2连接起来并接地，就构成了内部自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，连接方式如图3.4所示：3.5 显示部分 图3.5 lmo16l显示器1602字符型lcd通常有14条引脚线或16条引脚线的lcd，多出来的2条线是背光电源线vcc(15脚)和地线gnd(16脚)，其控制原理与14脚的lcd完全一样.1 vss 一般接地 2 vdd 接电源（+5v） 3 v0 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

13、整对比度）。4 rs 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。 5 r/w r/w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。 6 e e(或en)端为使能(enable)端，下降沿使能。 7 db0 低4位三态、 双向数据总线 0位（最低位） 8 db1 低4位三态、 双向数据总线 1位 9 db2 低4位三态、 双向数据总线 2位 10 db3 低4位三态、 双向数据总线 3位 11 db4 高4位三态、 双向数据总线 4位 12 db5 高4位三态、 双向数据总线 5位 13 db6 高4位三态、 双向数据总线 6位 14 db7 高4

14、位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag） 15 bla 背光电源正极 16 blk 背光 电源负极 3.6、上拉电阻部分采用respack-8做上拉电阻，respack-8是由一系列相同阻值（或等差或等比阻值）的电阻排列在一起，一端联接成公共端其它端各自引出；或串接一起，各接点分别引出的排电阻；排阻也叫网络电阻。respack-8的结构及内部结构分别如图3.6a、图3.6b所示： 图3.6a respack-8引脚结构 图3.6b respack-8的内部结构3.7 数字电流表仿真电路图proteus仿真图如图3.7所示：图3.7 proteus仿真图4、软件设计4.1

15、 程序框图开始1、序设计流程图如图4.1所示：调用lcd初始化子程序 a/d转换值清零设置lcd ddram地址，调用写入指令数据到lcd子程序调用延时子程序lcd上显示：“adc:” 图4.1 主程序设计流程图4.2仿真控制原理及仿真图电路左边为模拟电流采样电路。模拟电流进入tlc549模数转换器后，由模拟量转换为数字量。数字信号被送往51单片机内 ，做过处理后在lcd显示器上显示出来。调试仿真图如图4.2所示：图4.2 仿真图5、设计结果分析5.1 实验结果 本设计是一个数字电流表，它采用基本量程时电流为0ma12ma，此时就是满量程。5.2 主要元器件清单元件名称类型数量51单片机at8

16、9c511模数转换器tlc5491lcd显示器lmo16l1电阻respack-81放大器opa072电压源battery15.3误差分析1、 被测电流回路接入测量点会产生一定的误差，导致测量电流小于实际值；2、tlc549进行模数转换的过程中，采集的模拟数据转换为数字量时并不是一一对应的关系，部分数据可能丢失，从而产生一定的系统误差；3、低电流测量精度受一系列会对测量精度造成影响的误差源决定。电流表都会产生一些小的电流源，即使在输入端开路时也是。这些偏置电流能够通过打开仪器电流抑制部分地消除。外部的电流泄漏是附加的误差源；因此，适当的防护或屏蔽是很重要的。被测器件的源内阻也会影响到电流表的噪

17、声性能。另外，测试系统里还有一些外部生成的电流会加到被测电流上，引起误差。6、设计总结6.1 设计小结本设计以at89c51单片机为控制核心，通过集成摸数转换芯片tlc549将被测信号转换成数字信号，经单片机内部程序处理后，由液晶显示器lcd数码管显示测量结果。仿真测试表明，系统性能良好，测量读数稳定易读、更新速度合理，测量电流范围在0ma12ma，改变输入电压值改变电流大小。满足任务指标要求。但是，该系统存在一定程度的不足。6.2 设计体会与收获在本次设计中，我从开始的几乎什么也不懂到设计出此次课程设计的过程中学到了大量单片机等相关知识。刚开始通过各种途径搜索了大量相关资料，然后再对这些资料

18、进行学习，才总结出自己设计数字电流表的思路和流程。最后通过proteus仿真软件设计出数字电流表的硬件基础，通过keil软件开发出数字电流表的软件基础。单片机在现实生活中有很大的的实用价值，学好这们课程非常关键，可以让自己的知识储备更加丰富，而这次课程设计正好提供了一个很好的机会加深对单片机知识的掌握。通过这次课程设计，我对proteus以及keil等软件的使用掌握的更加熟练，对c语言程序有了跟深层次的理解。 因为现在是大三，各方面事情都比较多所以这次课设显得很仓促，做得很不完善，在制作和调试过程中由于对程序和电路没有设计好出了不少问题，这给我提供了很好的经验教训，对自己以后的毕业论文很有帮助。不过总体上来说这次课设还是比较成功的，自己懂得了不少东西，制作的数字电流表也很有价值。增长了自己的知识受益匪浅。致谢在本次课程设计中，学到了很多知识，也获得了许多帮助。其中.老师对我们的悉心教导和认真指导，给我们的学习带来了积极的影响，对我们提出的问题总是细心解答，使我们对相关的知识有了更深的理解，对完成此次课程设