李奎——大电流数字测量仪设计

1、 巢湖学院2015届本科毕业论文（设计） 本科毕业论文（设计）题 目 电流数字测量仪的设计 院（系） 机械与电子工程学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 李 奎 学 号 11028011 指导教师 刘 丽 职称 副教授 论文字数 7061 完成日期: 2015年5月30日 巢湖学院2015届本科毕业论文（设计） 巢湖学院本科毕业论文(设计)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人

2、完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期： 巢湖学院本科毕业论文 (设计)使用授权说明本人完全了解巢湖学院有关收集、保留和使用毕业论文 (设计)的规定，即：本科生在校期间进行毕业论文(设计)工作的知识产权单位属巢湖学院。学校根据需要，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业论文 (设计)被查阅和借阅；学校可以将毕业论文(设计)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业，并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业论文(设计)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 电流数字测量仪的设计摘

3、要随着经济的不断发展、科技的不断进步，电流数字测量技术的应用范围越来越广泛，譬如在科研技术实验和工业生产中经常涉及到电流测量问题的有：一是在电气化铁道和地铁等牵引系统中；二是在大功率电子学、核物理等科研实验中，利用测量到的大电流，可以实现保护、监视和计量等不同用途。对于我国化工、炼钢、电镀、电解、冶金等工业部门来说，用户最迫切希望解决的问题一直是电流测量的精准度。对应于这些部门来说，他们的生产都是直接依靠强大的电流，其测量的精准度将直接关系到用户对生产过程的控制和检测。本论文为电流数字测量仪设计，A/D转换器是其内部核心部件，该电流测量仪的准确率在很大程度上要受到转换器的精度影响。本设计采用A

4、DC0804作为A/D转换器来对输入的被测模拟信号量进行A/D转换，采用AT89C51 单片机读取A/D转换的数据并经过运算和处理，最后把从单片机输出的数值显示在LCD上，即测量到的电流值。关键词：单片机；电流数字测量仪；AT89C51；ADC08041The design of the large current digital measuring instrumentAbstractWith the continuous development of economy, the progress of science and technology, the application range

5、 of the large current digital measurement technology is more and more widely, such as scientific research and technology in the experiment and industrial production often involves large current measurement problems are: one is in the electrification railway and metro traction system; Second, in high

6、 power electronics, nuclear physics research experiment, such as using the measured large current, can realize the protection, monitoring and measurement etc. Different USES.For China's chemical industry, steel, electroplating, electrolysis, metallurgy and other industrial department, the user t

7、he most eager to solve the problem has always been a big current measurement accuracy. Corresponding to these departments, their production is directly rely on the strong current, its measurement accuracy will be directly related to the user control of the production process and testing.This paper d

8、esigned for large current digital measuring instrument, A/D converter is the internal core components, the accuracy of the apparatus used to measure current in large part to be affected by the precision of the converter. This design adopts ADC0804 as A/D converter to the input analog signal being me

9、asured by A/D conversion, AT89C51 microcontroller reads A/D conversion and after operation and data processing, the final output from the single chip microcomputer numerical display on the LCD, that is, to measure current value. Key Words：Microcontroller; current digital measuring instrument; AT89C5

10、1; ADC0804 1目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2课题研究现状12.方案设计22.1设计要求22.2设计思路22.3系统方框图23.硬件设计33.1单片机AT89C513 3.1.1芯片主要性能参数4 3.1.2芯片引脚功能43.2 ADC0804转换原理介绍5 3.2.1 A/D转换概念6 3.2.2 ADC0804引脚功能63.3 双运放LM35863.4 LM016L液晶模块7 3.4.1 LM016L液晶模块引脚功能7 3.4.2寄存器选择控制93.5 排阻RESPACK-893.6 系统硬件电路设计9 3.6.1复位电路和时钟电路9 3.6.2 信号采样电路103.6

11、.3量程切换电路113.6.4 显示电路123.6.5总电路134.软件设计155.调试16参考文献191 绪论在本章节中主要介绍的是本毕业设计研究的背景，以及电流数字测量仪设计的现状，并且从大体上介绍了本设计的主要内容。1.1课题研究背景 电流数字测量仪，顾名思义就是一种通过在LED显示器上将电流以数字的形式显示出来的数字仪器，适应了数字化时代发展的要求，打破了测量精度低、功能单一的传统指针式刻度电流表的局面。这种测量仪有效地避免了在各类工业测量、生活测量以及实验测量中所产生的必要的测量误差，在科研实验和生产生活中得到了非常广泛的应用。电流数字测量仪可以利用单片机来实现，这样就可以将连续的模

12、拟量转换成离散的数字量加以显示，从而实现测量精度高、运行速度快、抗干扰能力强、自动化程度高、可扩展能力强、集成方便等的要求。1.2课题研究现状随着我国科研技术和工业生产的快速发展，电流测量技术得到了一个前所未有的大发展，在科研实验和工业生产中的应用越来越广泛。到目前为止，由A/D转换器和各种类型的单片机构成的电流数字测量仪，已被广泛应用于各种电工及电子测量，同时该技术在实现智能控制系统和工业生产自动化中也都发挥着至关重要的作用，实现保护、监视和计量等不同用途。对于我国化工、炼钢、电镀、电解、冶金等这些工业部门来说，用户最迫切希望提高的问题一直是大电流测量的精准度。对应于这些部门来说，他们的生产

13、都是直接依靠强大的电流，其测量的精准度将直接关系到用户对生产过程的控制和检测。因此，我们对电流的数字测量作全面深入的了解是很有必要的。 2.方案设计2.1设计要求 本设计的设计要求如下：1、测量范围020A；2、量程可以切换；3、测量误差小于2%。2.2设计思路 本设计主要是通过小阻值采样电阻将被测的模拟电流信号量进行电阻分压，然后经过LM358放大器放大，送到ADC0804采样电路中采样，AT89C51单片机读取来自ADC0804芯片的数据，经过一定的处理转换成电流数值，并送到LCD显示器显示。设计思路框图如下：主控模块显示模块A/D转换模块图2-1 设计思路框图2.3系统方框图系统方框图如

14、图2-3所示：输入电路LCD显示器放大器单片机 ADC0804 量程切换 图2-3 系统方框图 在本设计中，采用ADC0804、AT89C51单片机、14脚的LM016L液晶模块、LM358运算放大器、档位调节按钮以及必要的继电器、三极管、晶振、电阻、电容等。3.硬件设计3.1单片机AT89C51AT89C51单片机的管脚分布图如下图3-1所示：图3-1 AT89C51管脚分布图3.1.1芯片主要性能参数1. 一个8031CPU；2. 一个时钟电路和片内振荡器，全静态工作频率024MHz；3. 4k字节可编程FLASH闪烁存储器；4. 128 byte片内RAM，128 byte特殊功能寄存器

15、区；5. 2个16位可编程定时/计数器；6. 128*8位内部RAM；7. 32条可编程I/O口线；8. 1个可编程串行通道；9. 6个中断源、2个优先级；10. 工作电压5V。3.1.2芯片引脚功能1.VCC：电源+5V;2.GND:接地3.P0.0P0.7：P0口的8位口线。P0口一般要外接上拉电阻。4.P1.0P1.7：P1口的8位口线。P1口是一个8位双向I/O口。5.P2.0P2.7: P2口的8位口线。P2口是一个8位双向I/O口。6.P3.0P3.7：P3口的8位口线。P3口是一个8位双向I/O口，此外除了具有通用的I/O口的功能之外，P3口的各个引脚都具有第二功能，第二功能表如

16、下表3-1。表3-1 P3口各位的第二功能7.RST：复位输入。单片机上电复位时，RST端的高电平持续时间要保持在两个机器周期。8.ALE/ ：地址锁存/定时端。9. ：选通信号，对外部程序存储器有效。当访问外部程序存储器地址时，信号在每个机器周期里均可以两次有效。但是，如果访问的是外部数据存储器时，将不会出现有效信号。10./VPP：当处于低电平时，会将内部锁定为RESET；此外，该引脚还可以接电源。11.XTAL1：内部时钟电路和反向振荡器的输入端。12.XTAL2：反向振荡器的输出端。3.2 ADC0804转换原理介绍3.2.1 A/D转换概念A/D转换，顾名思义就是将连续变化的量或模拟

17、量进行离散化（量化）处理，再按照一定的编码规则转换为相应的数字量。 A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。 抽样，是指在时间上将模拟信号进行离散化的过程； 量化，是指在幅度上将模拟信号进行离散化的过程； 编码，是指用一定的二进制代码来表示每个量化后的样值。3.2.2 ADC0804引脚功能：芯片的片选信号，在低电平情况下有效。：芯片的写信号输入端，在低电平情况下有效，每当此信号处于上升沿时，就可以启动一次A/D转换过程。：芯片的读信号输入端，在低电平情况下有效，即只要此信号是低电平时，ADC0804芯片就可以把转换完成的数据加载到DB数据端口，通过DB口

18、来读出本次的采样结果数值。VIN（+）和VIN（-）：这两个引脚分别与输入电压的正、负极相接。VREF/2：参考电源的输入端，输入信号电压（最大值）是所取的参考电压的2倍。CLKIN和CLKR：两个引脚都是时钟输入端，由于ADC0804芯片内部有时钟电路，因此如果要产生A/D转换所要求的时钟，只要在芯片外部“CLKR”和“CLKIN”的两端外接一对电阻和电容即可。 AGND和DGND：分别接模拟地和数字地。：输出信号端，只要每当ADC0804芯片完成一次A/D转换后，该引脚就会输出一个低脉冲，并且该低脉冲可以成为单片机的中断触发信号。DB0DB7：数据输出端口，一般与单片机的数据总线相连接。3

19、.3 双运放LM358LM358是双运算放大器，它既可以在双电源模式下工作，又可当做单电源（该单电源的电压范围很宽）来使用。其内部一般含有两个高增益、内部频率补偿并且相互独立的双运算放大器，通常若是在推荐的条件下工作，电源电压与电源电流之间是没有任何关系的。LM358的使用范围相当广泛，譬如在有使用直流增益模块、传感放大器的地方，甚至在只要有单电源供电的场合都会使用到LM358运算放大器。LM358引脚图如下图所示。图3-3 LM358引脚图LM358的特点：内部频率补偿；低输入电流；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(330V)；直流电压增益高（约100dB）；双电源(&#

20、177;1.5 一±15V)；输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。3.4 LM016L液晶模块3.4.1 LM016L液晶模块引脚功能LM016L引脚图如下图所示：图3-4 LM016L引脚图引脚功能说明如下表3-4-1：表3-4-1 LM016L引脚功能3.4.2寄存器选择控制表3-4-2 寄存器选择控制表3.5 排阻RESPACK-8图3-5 排阻RESPACK-8引脚图排阻，实质上是将若干个相同的电阻集中在一起，排成一排，再经过封装工艺而制成的。组成排阻的每个电阻的其中一个引脚是要连在一起的，作为公共端，这些电阻的的其余引脚正常引出即可。上图中的1端为公共端，一般接地或接

21、VCC。在数字电路上一般经常要用到排阻，譬如，用排阻作为某个并行口的下拉电阻或上拉电阻。在本设计中，排阻是作为上拉电阻，与单片机的P0口连接起来。3.6 系统硬件电路设计3.6.1复位电路和时钟电路AT89C51的复位电路和时钟电路如下图3-6-1所示：图3-6-1 AT89C51复位电路和时钟电路图 当单片机一上电，电阻R和电容C就立刻实现上电自动复位。取电容C=10uF，电阻R=10K。引脚XTAL1和XTAL2分别是51单片机内部高增益反相放大器的输入端和输出端，在其两端跨接一个晶振就构成了稳定的自激振荡器，此振荡器发出的振荡脉冲会直接送入到单片机内部的时钟电路。如上图3-6-2所示，本

22、设计采用的是内部方式时钟电路，晶振、电容C3和C4通过单片机内部的反相放大器的XTAL1和XTAL2这两个引脚连接起来，组成一个并联谐振电路，图中C3、C4均取22pF，振荡频率在212MHz之间。3.6.2 信号采样电路、和三个引脚分别与单片机P1口的P1.0、P1.1和P1.2引脚连接起来，数据端口DB0DB7的8个引脚分别与单片机P0口的8个引脚连接起来（见总电路图3-6-5）。ADC0804与AT89C51连接电路图如下图3-6-2所示：图3-6-2 ADC0804与AT89C51连接电路图信号采集电路：由上图3-6-3所示，信号采集电路主要由ADC0804芯片、采样电阻R10和电流输

23、入电路组成。电源开启后，系统功能初始化，电路中产生连续的电流信号，CLKIN和CLKR引脚的外接RC振荡电路产生时钟信号，当信号处于低电平时，信号先由高电平变成低电平，经过一定时延后，该信号变成高电平，即信号处于上升沿时，启动一次A/D转换，将连续的模拟量转换为离散的数字量，在下一个时钟沿信号到达之时，信号变成低电平，即信号此时处于下降沿，A/D转换结束，即采样一次。当经过一定时延，时钟沿信号再次到达之时，信号由低电平变成高电平，再次启动A/D转换。照上述一直反复下去，所测电流就可以被A/D转换芯片很好的采样出来。3.6.3量程切换电路量程切换电路图如下图3-6-4所示：图3-6-3 量程切换

24、电路图3-6-3中的RL1是继电器元件，它的工作原理是用小电流去控制大电流的一种“自动开关”，通常在自动控制电路中有着广泛的应用，起着转换电路、自动调节、安全保护等作用。本设计中利用单片机驱动继电器RL1来实现量程自动切换，由于单片机I/O口P3.7输出的电流很小，不能驱动继电器，所以要在该电流的输出口与继电器之间加上三极管，利用三极管的特性来将该小电流进行放大处理，继而驱动继电器。当采样电流大于一定数值，譬如数值超过0A10A或10A20A范围时，单片机的P3.7端口输出高电平，三极管导通，从而驱动继电器，实现量程的自动切换的设计指标。3.6.4 显示电路为了简化电流数字测量仪的电路设计，在

25、LCD驱动电路上，利用51单片机P0口外接上拉电阻实现，P0口分别与LCD上的数据端D0D7对应相连。RS与P2.0引脚相连，RW与P2.1引脚连接，E引和P2.3引脚相连接，VEE接地，VSS和VDD外接电源电路，给液晶模块供电，电路图如下图所示：图3-6-4 显示电路接通电源，通过信号采集电路完成对模拟电流量的采样，当信号处于低电平时，将信号由高电平变成低电平，经过一定时延，ADC0804芯片把转换完成的数据加载到DB数据端口，通过DB口读出本次的采样结果并送到单片机P0口，由单片机对采样值完成数模转换，将转换后的数值显示在LCD上。3.6.5总电路本设计的总电路是采用AT89C51芯片和

26、ADC0804芯片来制作一个简单的大电流数字测量仪，能够准确的测量出020A的电流值。该总电路的实现原理是首先将C源程序加载到单片机中，当系统通电开始运行时，系统先开始初始化，然后通过C源程序运行，使处于低电平，处于上升沿状态，启动A/D转换程序，ADC0804开始采样，此时通过串联在电路中的一个较小阻值的采样电阻R10来对模拟电压进行采样（这里取R10=0.02），经过双运放LM358放大电路，送至ADC0804进行一次A/D转换，经过一定时延，=1，一次A/D转换结束，然后通过程序启动读A/D数据子程序（=0，=0），ADC0804芯片就可以把转换完成的数据加载到DB数据端口，通过单片机读

27、取来自DB口的本次采样结果数值，并计算出电流数值，如果数值在0-10之间，则切换到低档位；如果数值在10-20之间，就切换到高档位，最后通过P0口送到LCD显示。总电路图如下图所示：图3-6-5 总电路图例如，如何实现10A电流的测量。首先调节档位调节开关，使输入电流为10A，经过电路中串联的采样电阻R10对输入的电压进行采样，实现电阻分压，再送到放大电路，然后进行A/D转换（ADC0804对VIN（+）引脚输入的电压值进行正确的采样），把采集到的模拟量转换成数字量送到AT89C51，这时单片机的自激振荡器发出脉冲直接送入内部的时钟电路使单片机开始工作，单片机通过P1口和P3口读取ADC080

28、4芯片数据并进行处理，转换成电流值，送到LCD显示出10A（在误差范围内允许有一定的误差）。4.软件设计软件系统的总体设计图如下图4-2所示：开始系统初始化启动A/D转换A/D采样是否切换到低挡切换到高挡010A？单片机计算电流显示数值图4-2 软件系统的总体设计图系统上电，系统开始初始化，单片机通过P1.0端口片选A/D转换器，发出信号启动A/D转换器，A/D转换器开始对模拟量进行采样，把采集到的模拟量数据通过DB口送到单片机，通过单片机进行运算和处理，转换出电流值，若数值在0-10之间，则量程切换到低挡位，然后把数值由P0口送到LCD显示；若数值在10-20之间，则切换到高档位，然后把数值

29、送至LCD显示。5.调试在Keil u Vision中利用C语言进行程序编制与调试，对于单片机控制程序来说，首先建立一个工程文件，用工程文件来管理源程序文件（C程序）、头文件等。在Keil中设计单片机程序的基本步骤如下：（1）、创建一个工程文件；（2）、选择目标器件；（3）、将单片机初始化程序添加至工程文件；（4）、创建源程序文件并编制程序代码；（5）、将源程序文件添加至工程文件；（6）、编译调试工程文件，生成目标代码文件（HEX文件）。首先在Proteus软件中画好总电路图，然后为了可实现联调，在Proteus软件和Keil软件均配置联调选项，同时运行Proteus和Keil，把单片机源程序

30、加载到总的硬件电路中，点击档位调节开关，可以改变输入电流，得到不同的输出电流，得到的一组数据如下图所示：图5 仿真图记录测量到的被测电流值，并计算测量误差，如表5：表5 测量结果被测电流（A）显示结果（A）误差2.993.031.3387.087.150.98910.911.071.56015.515.580.51619.519.600.513通过上面的计算，测量误差均小于2，符合设计要求。;参考文献1 胡汉才. 单片机原理及接口技术M.北京：清华大学出版社，2010(6):87-35.2 周坚. 单片机C语言轻松入门M.北京：北京航空航天大学出版社.2006.7.3 谢维成. 杨加国.单片机

31、原理与应用及C51程序设计J.北京：清华大学出版社，2006(8):107-43.4 张申科.崔葛瑾. 数字电子技术基础M.北京：电子工业出版社，2005.5 胡辉. 单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，2007.6 张靖武. 单片机原理、应用于Proteus仿真J.北京：电子工业出版社，2009.7 蒋辉平. 基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例.北京：机械工业出版社，2009(5):56-58.8 罗先觉. 电路.5版.北京：高等教育出版社，2006.9 徐建军.MCS-51系列单片机应用及接口技术M.北京：人民邮电出版社，2003.10 韩志军.单片机应用系统设计：入门

32、向导与设计实例J.北京：机械工业出版社，2005 （1）：132-147.11 杨长春.论数字技术J.成都：四川科学技术出版社M. 2002（12）：45-56.附录#include<reg52.h>#include <intrins.h>#include<math.h> #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit E=P22;sbit RW=P21;sbit RS=P20;sbit tlc5615cs=P25;sbit tlc5615sclk=P26;sbit tlc5615din=P2

33、7;sbit up=P14;sbit down=P15;sbit k1=P16;sbit k2=P17;sbit qh1=P37;/ADC0804端口定义sbit cs=P10; /芯片选择信号,控制芯片的启动和结果读取,低电平有效sbit rd=P11; /读数据控制,低电平有效sbit wr=P12; /AD转换起动控制,上升沿有效sbit intr=P13; /AD转换结束输出低电平#define ad0_7 P0 /AD数据口uchar code show_0="TESTING. " ;uchar code show_3="DIANLIU: "

34、; uchar code show_4="0123456789." ; uchar code show_5="A " ;uchar bj; float shedindy; uint shuchudy; float lsdy;float xianshidy;uchar js,zt;float dl;uchar dl1;void delay(uint ms) /毫秒延时子程序uint i,j;for(i=ms;i>0;i-)for(j=112;j>0;j-);void Delay_Us(uint us) /微秒延时子程序uint j;for(j=

35、us;j>0;j-);void cmd_w(uchar cmd) /lcd写指令 RW=0; RS=0; E=1; P0=cmd; delay(1); E=0;void dat_w(uchar dat)/lcd写数据 RW=0; RS=1; E=1; P0=dat; delay(1); E=0;void clear(void) /lcd清屏 cmd_w(0x01); cmd_w(0x02); void init(void) /lcd初始化 cmd_w(0x38); cmd_w(0x0d); void gotoxy(uchar x,uchar y) /光标定位 if(x=1) cmd_w(0x80+