基于51单片机的数字电流表设计及基于555时基电路的方波信号源

单片机课程设计任务书一、设计题目：基于单片机的数字电流表设计二、设计要求：数字电流表在平常工作环境中能良好工作能测0——1000mA电流，至少能达1%的精度要求掌握I/V信号转换，A/D转换器的使用和数据采集系统的设计电流表能数字显示，且由单片机处理采集数据并驱动LED显示

摘要本设计是通过采样电阻及信号放大电路将待测的电流信号I转换成0—1V电压信号,由A/D转换器采集电压信号，并将电压转换的数字信号传输给单片机，由单片机完成对采样信号的处理、分析，最后输出信号驱动LED显示器，显示被测的电流值。

一、功能要求1、数字电流表在平常工作环境中能良好工作2、能测0——1000mA电流，至少能达1%的精度3、要求掌握I/V信号转换，A/D转换器的使用和数据采集系统的设计4、电流表能数字显示，且由单片机处理采集数据并驱动LED显示二、原理及方案论证1、数字电流表工作原理1.1采样电阻网络原理如下图所示，输入被测电流通过量程转换开关S1——S4，流经采样电阻R1——R4，由欧姆定律可知：U=I*R，因而转换输出电压为0V——0.1V的电压，输出电压可再经后续放大电路放大处理。1.2高共模抑制比放大电路如下图，由双运放组成的同相输入高共模抑制比放大电路，其闭环输出可表示为：为使共模输入为0，可令R1/R2=R4/R3,此时电路的差动闭环增益为Kd=1+R1/R2,U0=Kd(U1-U2);下图即Kd=11，U0=11(U1-U2);1.3通用A/D转换器ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点：◆8位分辨率；◆双通道A/D转换；◆输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；◆5V电源供电时输入电压在0~5V之间；◆工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；◆一般功耗仅为15mW；◆8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；◆商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为-40°Cto+85°C；芯片接口说明CS_片选使能，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。1.4AT89C52单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。主要性能参数·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容·8k字节可擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期·全静态操作：0Hz－24MHz·三级加密程序存储器·256×8字节内部RAM·32个可编程I／O口线·3个16位定时／计数器·8个断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式功能特性概述AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2、方案论证本设计采用精密采样电阻（9欧、0.9欧、0.09欧、0.01欧），电阻精度可达0.1%可忽略；八位A/D精度为5/256（V）;因而除去放大电路增益误差及线性误差，电流表精度约为（5/256）/11，约为1.7mA；对于1000mA的总量程精度可达0.1%，因而方案可达设计要求。华侨大学工学院课程设计专业班级：信息工程姓名：学号：指导教师：任务要求1.设计制作要求使用555时基电路产生频率为20kHz-50kHz的方波Ⅰ作为信号源；利用此方波Ⅰ，可在四个通道输出4种波形：每通道输出方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600欧姆。2.五种波形的设计要求（1）使用555时基电路产生频率20kHz-50kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波Ⅰ；（2）使用数字电路74LS74，产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波Ⅱ；（3）使用数字电路74LS74，产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的三角波；（4）产生输出频率为20kHz-30kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的正弦波Ⅰ；（5）产生输出频率为250kHz，输出电压幅度峰峰值为8V的正弦波Ⅱ；方波、三角波和正弦波的波形应无明显失真（使用示波器测量时）。频率误差不大于5%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。4.测试要求要求预留方波Ⅰ、方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ和电源测试端子。负载每通道输出的负载电阻600欧姆应标清楚、至于明显位置，便于检查。总结：1、使用555时基电路产生频率20kHz-50kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波Ⅰ；2、使用数字电路74LS74，产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波Ⅱ；3、使用数字电路74LS74，产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的三角波；4、产生输出频率为20kHz-30kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的正弦波Ⅰ；5、产生输出频率为250kHz，输出电压幅度峰峰值为8V的正弦波Ⅱ；二、电路设计1、设计原理74ls74四分频：74LS74为双D触发器，将一个D触发器的Q非输出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOCK接时钟输入信号，遇到一次时钟信号D触发器将翻转一次，每两次时钟脉冲就会使D触发器输出一个完整的方波，即可实现二分频。把74LS74上的两个D触发器串联，将其中一个D触发器的输出作为另一个D触发器的时钟信号脉冲，则可以实现四分频。555多谐振荡器：电源接通时，555的3脚输出高电平，同时电源向电容c充电，当c上的电压到达2/3电源电压时，555的7脚让电容放电，3脚由高电平变成低电平。当电容的电压降到1/3电源电压时，3脚又变为高电平，同时电源再次向电容充电。这样周而复始，形成振荡。LM324:LM324为四通道运算放大器，当其与一部分电阻电容连接时可以形成积分电路、低通滤波器、带通滤波器，从而可以试验信号的运算处理。设计框图元件选择1）555多谐振荡器555电路要求R1、R2均应大于或等于1kΩ，但R1+R2应小于3.3MΩ。其输出信号的时间参数是：T=tw1+tw2tw1=0.7(R1+R2)*Ctw2=0.7R2*Cf=1/T所以调节R2的阻值，就可以调节所产生方波的频率，调节输出端的滑动变阻器就可以调节所产生方波的幅值。2）74ls74分频器用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计4个数就清零一次并输出1个脉冲。将Cp接时钟，Q=1,D=/Q=OUT,R=S=0(接地)，就是Q端接高电平，D端接Q非，值位复位端都接地。这就组成了一个二分频D触发器，两个D触发器串联，就构成了四分频器。3）积分电路积分电路开始必须先确定时间常数τ=RC：积分速度取决于τ的大小。然后再选择电路元件：当时间常数τ=RC确定时，再选择R和C的值，因为积分电路的输入电阻Ri等于R，R的值可以大一些。最后确定RP、Rf：RP是静态的平衡平衡电阻;在积分电容的两端并联一个电阻Rf，来预防饱和或截止现象。计算公式如下：f=1/（2πRC）Vo=-(Vs/RC)*t=-(Vs/τ)t4）低通滤波器低通滤波器是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的滤波装置。20kHz-30kHz的方波经过低通滤波器后可以将20kHz-30kHz正弦波过滤出来。其通带电压增益：Ao=Avf=1+Rf/R1f=1/（2πRC）5）带通滤波器带通滤波器的带宽为上限截止频率与下限截止频率之差。在有源带通滤波器的中心频率fo处：电压增益Ao=B3/2B1品质因数：3dB带宽B=1/（п*R3*C）根据设计确定的Q、fo、Ao值，求出各元件参数值。R1=Q/（2пfoAoC）R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC）R3=2Q/（2пfoC）。上式中，C为0.01Uf。三、系统功能、仿真测试1）555多谐振荡器由555定时器和外接元件R1、R2和C构成的多谐振荡器，2脚与6脚直接相连，电路没有稳态，只有两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向电容C充电，使电路产生震荡，电容在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放电，其仿真波形、实测波形如图。2）74ls74分频电路74LS74为双D触发器，将一个D触发器的Q非输出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOCK接时钟输入信号，遇到一次时钟信号D触发器将翻转一次，每两次时钟脉冲就会使D触发器输出一个完整的方波，即可实现二分频。把74LS74上的两个D触发器串联，将其中一个D触发器的输出作为另一个D触发器的时钟信号脉冲，则可以实现四分频。于是基本方波信号就被分频成了5kHz-10kHz的方波，然后经过分压电路，就得到5kHz-10kHz的方波幅值为1V的方波II。74ls74四分频电路原理如图所示，仿真效果、实测效果如图。3）积分电路用积分电路来进行方波到三角波的变换，为了使积分输出的波形更稳定，也为了使电路输出振幅符合题意要求，设置参考电压。参考电压为2.5V，由10V单电源供电，用5V稳压管，然后进行分压，从而得到2.5V参考电压，其电路如图所示。积分电路是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路，积分电路可将矩形脉冲波转换为三角波，积分电路原理如后图所示。4）低通滤波器低通滤波器由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。低通滤波器是容许低于截止频率的信号