数字电流表设计(共35页)

1、I辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 数字电流表设计数字电流表设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2012013 3.06.24-201.06.24-2013 3.07.07.1212本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目数字电流表设计课程设计（论文）任务电流测量范围：05 A；测量精度：0.5

2、；量程自动切换；采用显示；可用现场提供的 220 V 交流。设计任务：设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 电流检测电路设计3. 显示电路及电源电路设计4 程序流程图设计及程序清单编写技术参数：技术参数：1电流测量范围 05 A，工作电源 220V2测量精度：0.5设计要求设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD 转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。进度计划第 1

3、 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 3-4 天 CPU 最小系统设计第 5 天电流检测电路设计第 6 天显示电路及电源电路设计第 7 天 程序流程图设计第 8 天 软件编写与调试第 9 天 设计说明书完成第 10 天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）III注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）IV摘 要 本设计主要采用 CC7106 双积分 A/D 变换器设计方案来完成一个简易的数字电流表，其实是一个电压表进行改装得到的，将电压表能够对输入的 05 V 的

4、模拟直流电压进行测量，并通过一个 4 位一体的 7 段 LED 数码管进行显示，测量误差约为 0.1 V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D 转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D 转换主要由芯片 CC7106 来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片CD331 来完成，其负责把 CC7106 传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着 CC7106 芯片的工作。显示模块主要由 LCD 液晶数码管及相应的驱动芯片)组成，显示测量到的电流值。 关键词：简易数字电流表；LCD 液晶数码管；CC7

5、106本科生课程设计（论文）V目 录第 1 章 绪论 .11.1 数字电流表的概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 设计原理与结构框图 .22.1 设计原理和功能 .22.2 结构框图.2第 3 章 硬件电路设计 .33.1 数字电流表的工作原理 .33.2 CPU 的选择 .43.3 过流、防反接保护 .43.4 放大器 .53.5 AD 转换器及外围电路计 .63.5.1 A/D转换器概述.63.5.2 内部结构.63.5.3 引脚功能（外部特性）.63.5.4 通道选择.63.5.5 极限参数.73.5.6 ADC0808的输出端注意.73.5.7 外围电路设计.73.6 量程

6、选择及量程显示 .93.7 LED 显示 .9第 4 章 测量系统的总体结构设计 .114.1 系统组成框图 .114.2 硬件图 .114.3 软件流程图 .124.4 程序清单 .14第 5 章 系统设计与分析 .27本科生课程设计（论文）VI5.1 系统原理图 .275.2 系统原理综述 .27第 6 章 课程设计总结 .28参考文献 .29本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 数字电流表的概况数字电流表表具有变送、LED 显示和数字接口等功能通过对电网中各参量的交流采样。经 CPU 进行数据处理。将三相电流参数、频率等电参量由 LED 直接显示，同时输出 05V、020mA

7、或 420mA 相应的模拟电量，与远动装置 RTU相连；并带有 RS-232 或 485 接口与微机进行数据交换；具有设置显示倍率、多路变送、多量显示的组合功能。按信号形式分：电流表、电压表、频率表、温度表、功率表。按被测量的数目：单点表、多点表。按功能分：单纯显示、显示报警表、显示变送表、显示通讯表、显示记录表、多功能表等，以满足不同用户的使用要求。1.2 本文研究内容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，

8、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 ADC0808 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。本科生课程设计（论文）2第 2 章 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

9、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 0100mA,要求能在 LED 数码管上显示。2.2 结构框图 输入电路ADC0808单片机 AT89C51LED 数码显示图 2.1 原理框图本科生课程设计（论文）3第 3 章 硬件电路设计3.1 数字电流表的工作原理用单片机及其扩展的外部电路先做成一个理想电压表3，图 3.1 中用 G 表示。由于通常所说的电流表是指灵敏电流计其量程太小，不能直接测量电流，仅用于检测有无电流和电流的方向，所以要想得到

10、一个有多量程或量程较大的电流表需要将一个理想电压表改装而成。本设计是用一个内阻视为无穷大的电压表并联分流电阻而成的数字电流表。待测电流 I 随搬动开关 K 的位置而流过 R1 或R2，因而本电流表的两个量程就取决于 G 的满量程电压和 R1、R2 的阻值，记 G的满量程电压为 Ug，根据欧姆定律 Ug=RgIg，若 Ug 和 Rg 已知则 Ig 就是电流表的满量程电流。VR11R2100图 3.1 电流表原理图本科生课程设计（论文）43.2 CPU 的选择AT89C51 是一可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only

11、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。AT89C51 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。 3.3 过流、防反接保护用熔断器及过流保护二极管做防反接保护。如图 2 所示。当通过电流过大时,熔断器中保险丝烧断;当电路反接时,电流无法通过二极管,从而保护电流表。图3.1 CPU的引脚图。EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0

12、.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189C51本科生课程设计（论文）5图 2 防反接保护电路图3.4 放大器放大部分的电路采用如图 3 电路,并在串一级低通滤波:图 3.4 放大器电路图本科生课程设计（论文）63.5 AD 转换器及外围电路计3.5.1 A/D 转换器概述A/D 转换部分本系统采用了 ADC0808 芯片. ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转

13、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 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 是 ADC0809 的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808 进行 A/D 转换，实际使用时采用 ADC0809 进行 A/D 转换。3.5.2 内部结构ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/D 转换器，它有 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 A/D 转换器。3.5.3 引脚功能（外部特性）ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：15 和 2628

14、（IN0IN7）：8 路模拟量输入端。 8、14、15 和 1721：8 位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。 7（EOC）： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 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。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 6

15、40KHZ。 12（VREF（+） ）和 16（VREF（-） ）：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路3.5.4 通道选择通道的选择如图 3.5.4 所示本科生课程设计（论文）7地址码23(ADDA)24(ADDB)25(ADOC)对应的输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图 3.5.4 通道选择图3.5.5 极限参数电源电压（Vcc）：6.5V 控制端输入电压：-0.3V15V 其它输入和输出端电压

16、：-0.3VVcc+0.3V 贮存温度：-65+150 功耗（T=+25）：875mW 引线焊接温度：气相焊接（60s）：215；红外焊接(15s)：220 抗静电强度：400V3.5.6 ADC0808 的输出端注意out8 为最低位-out1 为最高位，out8-out1 分别接单片机的 P0.0 到 P0.7 端。3.5.7 外围电路设计本科生课程设计（论文）8图 5 A/D 转换器及外围电路图 其中液晶显示采用 EDS801，将其各数码的字段及公共端与 ICL7106 相应端接。OSC1、OSC2 和 OSC3 是内部时钟的外接电阻和电容引脚；TEST 是数字逻辑地端；VRH 和 VR

17、L 是参考电压的输入端，参考电压决定着 AD 转换器的灵敏度，它是由 UDD 分压而来，调节PR分压比可调节灵敏度（调满） ；两个 CR脚是基准电容的外接引脚；COM 端是模拟信号公共端；AZ、BUF 和 INT 分别是自动调零端缓控制端和积分器输出端；U+和 U-为电源端；IN+和 IN-为待测信号输入端。R1、C1 分别为振荡电阻与振荡电容。R2 与电位器 RP 构成基准电压分压器，RP 宜采用精密多圈电位器，调整 RP 使UREFUM/2100.0mV，满量程即定为 200mV，二者呈 12 的关系。R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4 分别为基准电

18、容和自动调零电容。R4、C5 依次为积分电阻和积分电容。仪表采用220V 叠层电池供电，测量速率约 50 次秒。IN-端、UREF端与 COM 端互相短接。 对于 CC7106，OSC1 至 OSC2 为时钟振荡器的引出端，主振频率OSCf由外接11RC的值决定，即11f0.45/OSCRC，CC7106 计数器的时钟脉冲CPf是主振频率OSCf经4分频后得到的，因此11110.45ff44CPOSCRC，设 CC7106 一次A/D 转换所需时钟脉冲总数 N 为 200，而一次转换所需时间 T=1/50 次=0.02s。则时钟脉冲频率CPf由 T=N/CPf=4N/OSCf式可得CPf=N/

19、T10Khz，因本科生课程设计（论文）9而主振频率为OSCf=4CPf=40Khz，因此可以算出1R、1C的值。若取1C=100pF，则1R=(50/1C)OSCf112.5k，取标称值 120k。 积分元器件4R、5C及自动调零电容4C的取值分别为4R=56k5C=0.22F，4C=0.47F。2R和 RP 组成基准电压的分压电路。其中，RP 一般采用精密多圈电位器。改变 RP 的值可以调节基准电压REFV的值。3R、3C为输入滤波电路。电源电压取+220V，2C取 0.1F。3.6 量程选择及量程显示本系统量程的选择通过按键来实现:图 6 量程电路图通过判断按键的次数来选择量程,以及通过实

20、现发光二极管来显示当前量程。3.7 LED 显示本系统测量结果用 4 个数码管显示本科生课程设计（论文）10图 3.7 数码管示图本科生课程设计（论文）11第 4 章 测量系统的总体结构设计4.1 系统组成框图量程选择负馈放大电路采样A/D 转换器及其去外围电路单片机LED 数码管独立式按键图 4.1 系统组成框图4.2 硬件图本科生课程设计（论文）12图 9 系统硬件电路图4.3 软件流程图本科生课程设计（论文）13本科生课程设计（论文）14开始初始化读 键 值判断按键次数 n=4 则 n=1n=1?n=2?n=3?显示量程 1进入量程 1显示量程 2进入量程 2显示量程 3进入量程 3启动

21、 AD 转换数据处理，送数码管显示结束NNN 图 4.3 软件流程图4.4 程序清单 CLOCK BITP2.4;定义 ADC0808 时钟位 RS EQU P2.0 RW EQU P2.1 E EQU P2.2 ADCEQU35H;存放转换后的数据 ST BIT P3.2 EOC BIT P3.1 ORG 00HLJMP STARTORG000BHLJMPINT_T0START: MOVTMOD,#02HMOVTH0,#245MOVTL0,#00HMOVIE,#82HSETBTR0 LCALL INITlcall DISP_GALVANOMETER WAIT: 本科生课程设计（论文）15 C

22、LR STSETB STCLR ST;启动转换 JNB EOC,$ ;等待转换结束;允许输出MOV ADC,P1;暂存转换结果 ;关闭输出MOV A,ADCMOV B,#11;1.1 欧的数据处理DIV ABMOV 51H,BMOV B,#10MUL ABADD A,51HLJMP JIAOZHENG FANHUI:MOV B,#2DIV ABMOV ADC,AMOV 32H,B;小数位CLR C ;显示 100 以内 MOV A,ADCMOV B,AMOV A,#99SUBB A,BJC DISP_100MOV A,ADC;将 AD 转换结果转换成 BCD 码MOV B,#100DIV AB

23、MOV 35H,AMOV A,B本科生课程设计（论文）16MOV B,#10DIV ABMOV 34H,A MOV A,B MOV B,#10 MUL AB MOV B,#10 DIV AB MOV 33H,A LCALL Disp ;显示 AD 转换结果 AJMP WAITinit:lcall delay lcall delay lcall delay ; mov a,#38h ; lcall wrom ;定义成 5*7，16*2;mov a,#38h ; lcall wrom ;定义成 5*7，16*2;mov a,#38h ; lcall wrom ;定义成 5*7，16*2 mov a

24、,#38h lcall wrom ;定义成 5*7，16*2 lcall delay mov a,#01h lcall wrom;清屏? lcall delaymov a,#06h lcall wrom lcall delay mov a,#0Ch本科生课程设计（论文）17 lcall wrom lcall delay ; LCALLDISP clr e retwrom:clr rs clr rw mov p0,a setb e lcall delay clr e retwrdata:setb rs clr rw mov p0,a setb e lcall delay clr e retDIS

25、P_100: mov a,#0C5h;显示位置。 。从 85H 开始 lcall wrom mov a,#31h lcall wrdata mov a,#30h lcall wrdata mov a,#30h lcall wrdata mov a,#2eh lcall wrdata mov a,#30h lcall wrdata本科生课程设计（论文）18 lcall delay300ms ;0.3s delay LJMP WAITDISP_GALVANOMETER: mov a,#82h;显示 位置 lcall wrom mov a,#47h lcall wrdata mov a,#41h l

26、call wrdata mov a,#4Ch lcall wrdata mov a,#56h lcall wrdata mov a,#41h lcall wrdata mov a,#4Eh lcall wrdata mov a,#4Fh lcall wrdata mov a,#4Dh lcall wrdata mov a,#45h lcall wrdata mov a,#54h lcall wrdata mov a,#45h lcall wrdata mov a,#52h lcall wrdata retJIAOZHENG: CJNE A,#73,J1_1ADD A,#1LJMP FANHUI

27、J1_1:CJNE A,#72,J1_2本科生课程设计（论文）19ADD A,#1LJMP FANHUIJ1_2:CJNE A,#71,J1_3ADD A,#1LJMP FANHUIJ1_3:CJNE A,#70,J1_4ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_4:CJNE A,#69,J1_5ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_5:CJNE A,#68,J1_6ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_6:CJNE A,#67,J1_7ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_7:CJNE A,#66,J1_8ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_8:CJNE A,#6

28、5,J1_9ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_9:CJNE A,#64,J1_10ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_10:CJNE A,#63,J1_11ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_11:CJNE A,#62,J1_12ADD A,#2LJMP FANHUIJ1_12:CJNE A,#61,J1_13 ;ADD A,#2本科生课程设计（论文）20LJMP FANHUIJ1_13:CJNE A,#60,J1_14ADD A,#1LJMP FANHUIJ1_14:CJNE A,#59,J1_15ADD A,#0LJMP FANHUIJ1_15:CJNE A,#5

29、8,J1_16ADD A,#1LJMP FANHUIJ1_16:CJNE A,#57,J2ADD A,#2LJMP FANHUIJ2:CJNE A,#56,J3ADD A,#3LJMP FANHUIJ3:CJNE A,#55,J4ADD A,#3LJMP FANHUIJ4:CJNE A,#54,J5ADD A,#3LJMP FANHUIJ5:CJNE A,#53,J6ADD A,#3LJMP FANHUIJ6:CJNE A,#52,J7ADD A,#3LJMP FANHUIJ7:CJNE A,#51,J8ADD A,#3LJMP FANHUIJ8:CJNE A,#50,J9ADD A,#3LJ

30、MP FANHUI本科生课程设计（论文）21J9:CJNE A,#49,J10ADD A,#3LJMP FANHUIJ10:CJNE A,#48,J11ADD A,#3LJMP FANHUIJ11:CJNE A,#47,J12ADD A,#3LJMP FANHUIJ12:CJNE A,#46,J13ADD A,#3LJMP FANHUIJ13:CJNE A,#45,J14ADD A,#3LJMP FANHUIJ14:CJNE A,#44,J15ADD A,#3LJMP FANHUIJ15:CJNE A,#43,J16ADD A,#3LJMP FANHUIJ16:CJNE A,#42,J17AD

31、D A,#3LJMP FANHUIJ17:CJNE A,#41,J18ADD A,#3LJMP FANHUIJ18:CJNE A,#40,J19ADD A,#3LJMP FANHUIJ19:CJNE A,#39,J20ADD A,#3LJMP FANHUIJ20:CJNE A,#38,J21本科生课程设计（论文）22ADD A,#3LJMP FANHUIJ21:CJNE A,#37,J22ADD A,#3LJMP FANHUIJ22:CJNE A,#36,J23ADD A,#3LJMP FANHUIJ23:CJNE A,#35,J24ADD A,#3LJMP FANHUIJ24:CJNE A,

32、#34,J25ADD A,#3LJMP FANHUIJ25:CJNE A,#33,J26ADD A,#3LJMP FANHUIJ26:CJNE A,#32,J27ADD A,#3LJMP FANHUIJ27:CJNE A,#31,J28ADD A,#3LJMP FANHUIJ28:CJNE A,#30,J29ADD A,#3LJMP FANHUIJ29:CJNE A,#29,J30ADD A,#3LJMP FANHUIJ30:CJNE A,#28,J31ADD A,#3LJMP FANHUIJ31:CJNE A,#27,J32ADD A,#3本科生课程设计（论文）23LJMP FANHUIJ3

33、2:CJNE A,#26,J33ADD A,#3LJMP FANHUIJ33:CJNE A,#25,J34ADD A,#3LJMP FANHUIJ34:CJNE A,#24,J35ADD A,#3LJMP FANHUIJ35:CJNE A,#23,J36ADD A,#3LJMP FANHUIJ36:CJNE A,#22,J37ADD A,#3LJMP FANHUIJ37:CJNE A,#21,J38ADD A,#3LJMP FANHUIJ38:CJNE A,#20,J39ADD A,#3LJMP FANHUIJ39:CJNE A,#19,J40ADD A,#3LJMP FANHUIJ40:CJ

34、NE A,#18,J41ADD A,#3LJMP FANHUIJ41:CJNE A,#17,J42ADD A,#3LJMP FANHUIJ42:CJNE A,#16,J43ADD A,#3LJMP FANHUI本科生课程设计（论文）24J43:CJNE A,#15,J44ADD A,#3LJMP FANHUIJ44:CJNE A,#14,J45ADD A,#3LJMP FANHUIJ45:CJNE A,#13,J46ADD A,#3LJMP FANHUIJ46:CJNE A,#12,J47ADD A,#2LJMP FANHUIJ47:CJNE A,#11,J48ADD A,#2LJMP FAN

35、HUIJ48:CJNE A,#10,J49ADD A,#2LJMP FANHUIJ49:CJNE A,#9,J50ADD A,#3LJMP FANHUIJ50:CJNE A,#8,J51ADD A,#3LJMP FANHUIJ51:CJNE A,#7,J52ADD A,#3LJMP FANHUIJ52:CJNE A,#6,J53ADD A,#4LJMP FANHUIJ53:CJNE A,#5,J54ADD A,#4LJMP FANHUIJ54:CJNE A,#4,J55本科生课程设计（论文）25ADD A,#4LJMP FANHUIJ55:CJNE A,#3,J56ADD A,#3LJMP FANHUIJ56:CJNE A,#2,J57ADD A,#2LJMP FANHUIJ57:CJNE A,#1,J58ADD A,#1J58:LJMP FANHUIdisp: mov a,#0C5h;显示位置。 。从 85H 开始 lcall wrom mov a,35h add a,#30hlcall wrdata mov a,34h add a,#30h lcall wrdata mov a,33h add a,#30h lcall wrdatamov a,#2eh lcall wrdatamo