基于单片机的数字电流表的设计说明

1、 电力职业技术学院毕业生论文 题目：基于单片机的数字电能表设计系 别电力工程系 专 业建筑电气工程技术班 级 建筑电气班 学 号 姓 名周 莉论文成绩指导教师答辩成绩主答辩教师综合成绩答辩委员会主任目录摘 要3关键词3一、工作原理41.1数字电流表的工作原理51.2电流采样电路的性能51.3显示电路与电流采样电路的逻辑关系51.4放大器51.5峰值保持电路101.6双积分型转换芯片131.7独立式非编码键盘的接口141.8 LED动态显示器接口与显示方式141.9 89C51单片机17二、 测量系统的总体结构设计202.1 系统框图202.2整机设计14三、程序流程图23四、实验结果26参考文

2、献27摘 要本电流表各模块之间使用标准信号进行传输的，这些标准信号都符合国际标准。国际电工委员会在1973年四月第65次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号标准，过程控制系统的模拟直流信号为4到20MA，模拟直流电压信号为1到5伏，我国的DDZ-3型电动单元组合仪表采用了国际的信号标准。关键词 电流采样，A/D转换，放大器，单片机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 ，正在引起测量、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 计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以与功能的多样

3、化方面都取得了巨大的进步。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、积算仪表与记录仪表功能具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。1、 工作原理1.1数字电流表的工作原理用单片机与其扩展的外部电路先做成一个理想电压表3，图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

4、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。图1数字电流表的基本原理1.2电流采样电路的性能峰峰值检波器本身具有采样保持的功能，由于A/D转换器的转换时间为100ms，所以峰峰值检波电路能够保证A/D转换器有足够的转换时间6。交流信号不只包括正弦波，对于其它规则的交流信号，也可以用本采样电路采样。档位选择需要将独立按键与放大器中集成运放的外围电阻组合在一块。独立按键不仅有选择档位的功能，还有复位等其它功能。由于负反馈放大器的输入电阻已达到10M

5、欧以上，所以有单片机构成的测量系统，可以看作一个理想电压表。通常所说的偏转式电流表是根据线圈的偏转程度线性刻画未测电流的大小，仿照此原理给待测电流加一个线性电阻，然后再用一个理想电压表测电流在电阻上的压降，然后适当选择放大器的放大倍数就可以做成多量程的电流表。1.3显示电路与电流采样电路的逻辑关系如果不用单片机，也可以做成一个电流表，不过这样的表功能单一，不能同时测量直流或者交流，而用单片机做成的电流表可以通过编程方便实现，规则交流波形的有效值测量2。1.4放大器目前集成运放有双列直插式和圆管封装式两种，若采用双列直插式的的A741集成运算放大器，其外引线排列图如图2所示。图2 A741外引线

6、排列图1）测试放大器的传输特性与输出电压的动态围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅当作运算放大器的最大动态围。其测试电路如图3图3运算放大器输出电压最大摆幅的测试电路图3中为正弦信号。当接入负载后，逐步加大输入信号的幅值，直至示波器上输出电压的波形顶部或底部出现削波为止。此时的输出电压幅度就是运算放大器的最大摆幅。若将送示波器的X轴，送Y轴，则可利用示波器的X-Y显示，观察到运算放大器的传输特性，并可测出的大小。与负载电阻有关，不同的，亦不一样。根据已知的和，我们可以求出运算放大器的输出电流的最大摆幅：=。 （1）运算放大器的除与有关外，还

7、与电源电压和输入信号的频率有关。随着电源电压的降低和信号频率的升高，将降低。如果示波器X-Y显示出运算放大器的传输特性是正常的，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。（2）测开环电压放大倍数开环电压放大倍数是指：运算放大器没有反馈时的差模电压放大倍数，即运放输出电压与差模输入电压之比。测试电路如图4。为反馈电阻，通过搁置电容和电阻R构成闭环工作状态，同时与、构成直流负反馈，减少了输出端的电压漂移。由图可知： （2） （3）此时信号源的频率应在运算放大器的带宽之，A741的带宽约为7Hz。图4测开环电压放大倍数电路（3）测输入失调电压输入失调电压的定义是：放大器输出为零时

8、，在输入端所必需引入的补偿电压。根据定义，测试电路如图5闭合开关S，令此时测出的输出电压为，因为闭环电压放大倍数 （4）所以，输入失调电压 （5）图5测的实验电路（4）测输入失调电流输入失调电流是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的差值，用表示。显然，的存在将使输出端零点偏离，且信号源阻抗越高，输入失调电流影响越严重。测试电路同图5只要断开开关S即可，用万用表测出该电路的输出电压，我们令它为，则 （6）5）测共模抑制比根据定义，运算放大器的等于放大器的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比，即： （7）测试电路见图6。运算放大器工作在闭环状态，对差模信号的电压放大倍数=,对共模信号的电压放大

9、倍数,所以只要测出和，即可求出： （8）为保证测量精度，必须使,否则会造成较大的测量误差。运算放大器的共模抑制比愈高，对电阻精度要求也就愈高。经计算，如果运算放大器的=80DB，允许误差为百分之五，则电阻相对误差:。 （9）图6测量的实验电路（6）测增益-带宽积运算放大器的重要交流参数是频率响应。由于运算放大器可以工作在直流状态，即零频率工作状态，因此其带宽等于截止频率响应，在截止频率处的输出电压增益，此直流时的输出电压增益低3DB。运放的增益-带宽积为常数A*BW=C该常数C决定与特定的放大器，开环时因增益太高，带宽很窄，很少使用。闭环时，增益,它的带宽与大小成反比。测试电路如图7，输入为正

10、弦信号。逐步增加的频率。由741集成运放和两个电阻组成一个负反馈放大器， （10）电路如图8所示。图7测量增益带宽积的电路图8741集成运放1.5峰值保持电路实用的峰值保持电路是半波整流电路、存储电容和缓冲放大器组成的闭环电路。在存储电容上还并联有一只复位开关。图9给出了同向型峰值保持电路。图中运算放大器具有半波整流结构， 组成电压跟随器，其输出电压，它在存储电容和输出负载之间起缓冲作用。图9同相型峰值保持电路当时，导通，截止，将误差电压放大，通过对C充电，使跟踪。时，导通，截止，存储电容C与的联系隔断，不再跟踪保持过去检出峰值。的导通是为提供反馈通路，防止当截止时，被深度饱和。当复位指令U出

11、现，场效应管V导通，C通过V放电，回到零。U消失后，V截止，又开始新的峰值保持过程。 这种电路由于的作用，使的反向电压大大减小，因而反向漏电流很小，增加了峰值保持事件。如果还要进一步增加保持时间，可选输入级为场效应管的运算放大器作为以提高放大器的输入阻抗。图中电容,是为了提高电路的稳定性和改善瞬态响应。R为保护电阻，防止电压突变损坏。前面介绍的是正向峰值保持电路，如果需要负向峰值保持，可以把正向峰值保持电路中的二极管与其它元件适当改接，就能实现。图10是一个反向峰值保持电路，图中二极管是否导通，完全取决于与的差值。当-0时，导通，电路处于跟踪状态；-0时，截止，电路处于保持状态。此电路的输入信

12、号应为负极性，而输出为正极性。其功能可等效为一个同相型负峰值保持电路加一个反相器。图10反相型峰值保持电路把正向峰值保持电路和负向峰值保持电路组合起来，就可以得到峰峰值保持电路。图11和12分别是峰峰值检波的组成框图和原理电路。图中，构成跟随器，作负峰值检波;构成跟随器，作为正峰值检波，其正、负峰值电压经差动运算放大器输出。集成组件峰值检波器国已有生产。如ZF020系列峰值检波器，适用于检测各种波形的峰值电压，输入信号可以是周期波，也可以是非周期的任意波形。以ZF002型组件为例，ZF022是正峰值检波器，检波精度，带宽10Hz-10kHz，输入电压幅度,输出电压幅度，输出电流，静态功耗，输入

13、阻抗，电源电压围。图是其典型接线。图中为复零开关，或其它形式的控制开关。图11峰峰值检波组成框图图12峰峰值检波原理电路1.6双积分型转换芯片双积分型转换器，转换精度高，但转换速度慢，因此常用于测量精度要求较高，但对测量速度要求很低的仪表中。ICL7135是一种双积分型转换芯片，其转换时间为100ms，模拟输入电压围-2到+2V，芯片的引脚图如图所示。在使用时需外接存储电容、积分电阻、积分电容与校零存储电容。单极性的参考电压和时钟信号由外部提供。可对双极性输入的模拟电压进行转换，并输出自动极性判别信号。它采用了自校零技术，可保证零点的长期稳定性。ICL7135的输出是位的BCD码，为了减少引出

14、线数目，它采用动态字位扫描输出的方式，即万、千、百、十、个各位数字BCD的码轮流出现在端上，并在各端上同步出现字位选通脉冲，这种输出使其数字显示电路非常简单。当使用转换芯片时，可采用以下方法提高转换分辨率：（1）当输入模拟电压小于转换电路的满刻度所对应的电压值时，应放大输入信号，使输入电压的最大值对应满刻度值，以充分利用转换电路的满刻度。（2）当输入电压在某一电压基值之上有小围的变化，而我们需要精确测量这个电压变化围时，应在电路中引入一个电压信号，它与上述电压基值大小相等，而方向相反，这样转换电路的满刻度将对应小围变化的电压增量信号，也就是只对电压增量信号进行转换。（3）有些芯片，如AD080

15、4具有差动输入端，即,只要将输入信号的基值加于端，输入电压围可以从非零伏开始，即从基值电压到最大输入电压，缩小了输入电压围，这样可提高芯片的分辨率。图13 ICL7135芯片图1.7独立式非编码键盘的接口当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0低电平，而平时该线为1高电平.而判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。这种键盘结构的优点是电路简单。图所示查询方式键盘的处理程序比较简单。程序中没有使用散转指令，并且省略了软件指令，并且省略了软件去抖动措施，只包括键查询、键功能程序转移。P0F-P3F为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节；PROM0-PROM3分别为

16、每个键的功能程序。1.8 LED动态显示器接口与显示方式单片机常使用7段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号与小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起称为共阴极显示器。一位显示器由8个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字型8的各个笔画，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被破坏，需外加限流电阻。以共阴极LED为例，如图，各LED公共阴极K0接地。若向各控制端a、bg、dp顺次送入11100001信号，则该显示7

17、字型。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（共阳）极公共端K分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。如14图所示为6位共阴极动态显示接口电路。图14六位LED动态显示接口电路由于6位LED所有段选线皆由一个8位控制，因此，在每一瞬间，6位LED会显示一样的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制口输出相应字符段选码，而位选则控制口在该显示位送入选通电平为共阴，故应送低电平。以保证该位应显示相应字符。例如，要求显示E0-20时，口1和口2轮流送入

18、段选码、位选码每送入一次后延时1ms，因人眼的视觉暂留时间为0.1s，所以每位显示的间隔不必超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。这种方式称为软件扫描显示如图15位89C51P0口和P1口控制的6位共阴极LED动态显示接口电路。图中，P0口输出端选码，P1口输出位选码，位选码占用输出口的线数决定于显示器位数，比如6位就要占6条。74352（7406）是反相驱动器（30V高电压，OC门），这是因为89C51P1口正逻辑输出的位空与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反，即当P1口位控线输出高电平时，点亮一位LED。7407是同相OC门，作段选码驱动器。图

19、15六只LED动态显示接口逐位轮流点亮各个LED，每一位保持1ms，在10到20ms之在一次点亮，重复不止。这样，利用人的视觉暂留，好像6位LED同时点亮一样。图16 LED结构图表1 LED显示字型编码表1.9 89C51单片机（1）89C51行输出操作时，CPU通过部总线把数据写入锁存器1。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送入部总线。在

20、89C51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一样。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89C51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

21、于89C51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。图17 89C51单片机结构图外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在89C51片它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若须采用外部时钟电路，则该引脚悬空。要检查89C51的振荡电路是够正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1(1

22、9脚)：接外部晶体和微调电容的另一端。在片，它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。控制信号引脚RST、ALE、。RST（9脚）脚：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此时输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。ALE（30管脚）：地址锁存允许信号端。当89C51上电正常工作后，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的六分之一固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确认89C51芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。若有脉冲信号输

23、出，则89C51基本上是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL负载。此引脚的第2功能在对片带有4KBFlashROM的89C51编程写入时，作为编程脉冲输入端。（29脚）：程序存储允许输出信号端。当89C51由片外程序存储器指令时，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。端同样可驱动8个LS型TTL负载。要检查一个89C51小系统上电后CPU能否正常工作，也可用示波器端有无脉冲输出。如有，则说明基本上工作正常。（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端固化编程电压输入端。当引脚接高电平时，CPU只访问片Flash ROM并执行片外程序存储器中

24、的指令：但当PC的值超过0FFFH，将自动转去执行片外程序存储器的程序。当输入信号引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM并执行片外程序存储器中的指令，而不管是否有片程序存储器。然而需要注意的是，如果位LB1被编程，则复位时在部会锁存端的状态。当端保持高电平时CPU则执行部程序存储器中的程序。 2、 测量系统的总体结构设计2.1 系统框图基于单片机的数字电流表的控制系统框图：负反馈放大电路峰峰值检波电路双积分型A/D转换器与其外围电路单片机LED数码管独立式按键分流电阻图18 基于单片机的数字电流表的控制系统框图2.2整机设计本设计由分流电阻、负反馈放大电路、峰峰值检波电路、双积分型A/D转换器

25、与其外围电路、单片机、独立式按键、LED数码管组成。放大器集成运放是A741集成运算放大器。A/D转换器主要部分是位A/D转换器。电流显示位数从各位到万位4。独立式键盘接到P3口上。峰峰值检波器是把同向型峰值保持电路和负向型保持电路组合起来，再加上一个差动运算放大器组成的。同相峰值保持电路的输出接差动运放的负向端，负相保持电路的输出接差动运放的正向端。同向型峰值保持电路的正相端与负相型峰值保持电路的正相端接在一起，通过一个电阻与集成运放的输出相连。六位LED显示器用共阴极接法动态显示方式，P0口通过一个同相门控制数码管的段选信号。P1口的六个管脚通过一个反向驱动器控制LED显示器的位选信号。决

26、定两个量程电阻是电流表电流采样系统的前端，当电键K接到某个量程电阻上时，待测电流在电阻上的压降便通过集成运放进行放大，放大的倍数取决于负反馈放大电路的两个外加电阻。本电流表各模块之间使用标准信号进行传输的，这些标准信号都符合国际标准。国际电工委员会在1973年四月第65次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号标准，过程控制系统的模拟直流信号为4到20MA，模拟直流电压信号为1到5伏，我国的DDZ-3型电动单元组合仪表采用了国际的信号标准5。本电流表所测交流信号的频率只能达到100KHZ左右。由峰值检波器组成的交流电压表的交、直流电压刻度是分开的，交流电压的刻度仍用正弦波的有效值刻度，即等于正弦

27、波的有效值刻度，即等于正选波的峰值除以波峰因数K=1.41。为测任意波电压时，电表指示没有直接意义，只有经过一定换算后，才能得到被测电压有效值。A/D转换器的输出有两万种结果，电流量程有2A和2mA两个，如果电流采样电路中的放大器根据根图8 RL和R的比列关系重新决定放大器的放大倍数，量程还可以有多个。测电流时要根据独立式按键的键值决定是调用那个子程序，即判断电流表是打在直流档还是交流档。按键电路是查询方式与单片机连接的。若为直流信号则去执行显示指令。若是正弦信号则执行一次波形换算程序，根据峰峰值与有效值的除法关系易知峰峰值除以得到有效值，考虑到编程方便与产品应用场合，可以吧A/D转换器得到的结果先乘以5再除以14就得出所测电流的有效值。再按下独立按键后单片机进行初始化，然后执行主程序。主程序是一个显示程序，没有输入时LED六个零。子程序包括中断处理程序和键盘查询，还有二进制转换成BCD数的程序，位A/D转换器数据采集程序，延时1秒程序等等。本电流表的基本量程是2A在此种情况