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摘 要2

關(guān)鍵詞2

1 概述3

1.1設(shè)計意義

    1.2系統(tǒng)主要功能

2 硬件電路設(shè)計方案及描述3

2.1 設(shè)計方案

    2.2 主要元器件的介紹

    2. 3控制電路模塊

    2.4 元件清單

3數(shù)字式電流表的軟件設(shè)計16

3.1系統(tǒng)程序設(shè)計總方案

   3.2系統(tǒng)子程序設(shè)計

4數(shù)字式電流表的調(diào)試

4.1軟件調(diào)試

    4.2顯示結(jié)果及誤差分析

5總結(jié)

附錄1.電路原理圖及仿真圖

附錄2. 程序代碼

參考文獻(xiàn)

摘要

數(shù)字電流表的誕生打破了傳統(tǒng)電子測量儀器的模式和格局。它顯示清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確，采用了先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù)，大大地減少了因人為因素所造成的測量誤差事件。數(shù)字電流表是建立在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，讓電壓表與電阻串聯(lián)，其顯示的是電流，數(shù)字電壓表是把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式，并加以顯示的儀表。數(shù)字電流表把電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動化技術(shù)的成果與精密電測量技術(shù)密切的結(jié)合在一起，成為儀器、儀表領(lǐng)域中獨立而完整的一個分支，數(shù)字電流表標(biāo)志著電子儀器領(lǐng)域的一場革命，也開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測量技術(shù)的先河。本設(shè)計采用了以單片機(jī)為開發(fā)平臺，控制系采用AT89C52單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809。系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)要求的功能外，還可以方便進(jìn)行8路其它A/D轉(zhuǎn)換量的測量、遠(yuǎn)程測量結(jié)果傳送等擴(kuò)展功能。簡易數(shù)字電流測量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示控制等組成。

1 .概述

1.1設(shè)計意義

通過設(shè)計，掌握電子設(shè)計的一般步驟和方法，鍛煉分析問題解決問題的能力，學(xué)會如何查找所需資料，同時復(fù)習(xí)以前所學(xué)知識并加深記憶，為設(shè)計打好基礎(chǔ)，也為以后工作作準(zhǔn)備。通過對選題的分析設(shè)計，學(xué)習(xí)數(shù)字電流表的工作原理、組成和特性；掌握數(shù)字電流表的校準(zhǔn)方法和使用方法；

A、利用AD轉(zhuǎn)換芯片和精密電阻測量0~20mA電流

   B、系統(tǒng)工作符合一般數(shù)字電流表要求

2 硬件電路設(shè)計方案及描述

硬件電路設(shè)計由6個部分組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路以及測量電流輸入電路。硬件電路設(shè)計框圖如圖2.1所示。

2.1數(shù)字式電流表系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖中多路模擬開關(guān)可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，并共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進(jìn)行鎖存與譯碼，如表所示。

ADC0809通道選擇表

(2)A、B、C：模擬通道地址線。這3根地址線用于對8路模擬通道的選擇，其譯碼關(guān)系如表4.3所示。其中，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。

(3)ALE：地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。

(4)START：轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為ST。

(5)D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。

(6)OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

(7)CLK：時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。

(8)EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。

(9)Vcc： +5V電源，GND：地。

(10)Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。

首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖�，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

（注意：ALE信號常與START信號連在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，圖為ADC0809信號的時序配合圖）。

              ADC0809信號的時序配合

本實驗的顯示模塊主要由一個4位一體的7段LED數(shù)碼管(SM410564)構(gòu)成，用于顯示測量到的電壓值。它是一個共陽極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的原理圖如圖4.5所示。每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收AT89C52的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。C1，C2，C3，C4引腳端為其位選端，用于接收AT89C52的P3口產(chǎn)生的位選碼。

圖4.5 一位數(shù)碼管的原理圖

  4位一體7段LED數(shù)碼管圖

本課題實驗主要采用AT89S51芯片和ADC0809芯片來完成一個簡易的數(shù)字電壓表，能夠?qū)�輸入�?～20ma 的模擬直流電流進(jìn)行測量，并通過一個4位一體的7段LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，測量誤差約為0.02 ma。該電流表的測量電路主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示控制模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0809來完成，它負(fù)責(zé)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片AT89S51來完成，其負(fù)責(zé)把ADC0809傳送來的數(shù)字量經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的顯示碼送到顯示模塊進(jìn)行顯示；另外它還控制著ADC0809芯片的工作。顯示模塊主要由7段數(shù)碼管及相應(yīng)的驅(qū)動組成，顯示測量到的電流值。數(shù)字式電流表的設(shè)計的總電路圖見附錄一。

AT89S51的復(fù)位電路如圖所示。當(dāng)單片機(jī)一上電，立即復(fù)位；另外，如果在運(yùn)行中，外界干擾等因素使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛”，就可以通過按鍵使其復(fù)位。復(fù)位也是使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常狀態(tài)的一種操作。

  復(fù)位電路和時鐘電路

電容C和電阻R1實現(xiàn)上電自動復(fù)位。增加按鍵開關(guān)S又可實現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。一般取C=10uF,R1=1KΩ。

單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時間節(jié)拍進(jìn)行，而這個時鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機(jī)的時序。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。

電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個系統(tǒng)中選擇了33uF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12MHz。

2.3.3A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換由ADC0809完成。ADC0809具有8路模擬輸入端口，地址線（23～25腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址控制，當(dāng)輸入為高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2μs寬高電平脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為ADC0809的時鐘輸入端，利用單片機(jī)AT89S51的30腳的六分頻晶振頻率再通過14024二分頻得到1MHz時鐘。AT89S51與ADC0809的連接電路原理圖如圖所示。

           AT89S51與ADC0809的連接電路原理圖

AT89S51與ADC0809的連接必須注意處理好3個問題：

(1)在START端送一個100μs寬的啟動正脈沖；

              (2)獲取EOC端上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志；

• 給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給OE端送一個地址譯碼器的輸出信號。
  

由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作[7]。如果驅(qū)動電路能力差，即負(fù)載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計是一個非常重要的問題。

為了簡化數(shù)字式直流電流表的電路設(shè)計，在LED驅(qū)動電路的設(shè)計上，可以利用單片機(jī)P0口上外接的上拉電阻來實現(xiàn)，即將LED的A-G段顯示引腳和DP小數(shù)點顯示引腳并聯(lián)到P0口與上拉電阻之間，這樣，就可以加大P0口作為輸出口德驅(qū)動能力，使得LED能按照正常的亮度顯示出數(shù)字。

系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式驅(qū)動4個數(shù)碼管工作，顯示電路與單片機(jī)的P1口相連來顯示采集到的電流值。

顯示電路原理圖

2.4 元件清單

所謂初始化，是對將要用到的c51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等。

3.2.3A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電流信號的采集測量，并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，其轉(zhuǎn)換流程圖。

   A/D轉(zhuǎn)換流程圖

顯示子程序采用動態(tài)掃描實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在70HZ左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔10ms對LED進(jìn)行動態(tài)掃描一次，每一位LED的顯示時間為1ms。

在本設(shè)計中，為了簡化硬件設(shè)計，主要采用軟件定時的方式，即用定時器0溢出中斷功能實現(xiàn)11μs定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。其轉(zhuǎn)換流程圖如圖5.3所示。

                       顯示子程序流程圖

4數(shù)字式電流表的調(diào)試

    軟件調(diào)試的主要任務(wù)是排查錯誤，錯誤主要包括邏輯和功能錯誤，這些錯誤有些是顯性的，而有些是隱形的。Proteus軟件可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進(jìn)行交互仿真。Proteus支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、PCB設(shè)計，更為顯著點的特點是可以與u Visions3 IDE工具軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試。

• 當(dāng)IN0口輸入電流為0ma時，顯示結(jié)果如圖所示，測量誤差為0ma。
  

2.當(dāng)IN0口輸入電流為10.50ma時，顯示結(jié)果如圖所示，測量誤差為0ma。

3. 當(dāng)IN0口輸入電流為5ma時，顯示結(jié)果如圖所示，測量誤差為0.01ma。

4. 當(dāng)IN0口輸入電壓流為15ma時，顯示結(jié)果如圖所示，測量誤差為0.02ma。

通過以上仿真測量結(jié)果可得到簡易數(shù)字電壓表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電壓表對比測試表，如下表

簡易數(shù)字電流表與“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字電流表對比測試表

這次的單片機(jī)設(shè)計，是把硬件和軟件結(jié)合起來的設(shè)計，，其硬件電路是比復(fù)雜的，需要足夠的耐心加細(xì)心，同時也需要一定的硬件知識基礎(chǔ)。只有這樣才能保證電路的成功。而且在這次設(shè)計中硬件是基礎(chǔ)，只有把基礎(chǔ)打好才會有更高的設(shè)計。硬件工作完成了就是解決程序設(shè)計的問題，程序設(shè)計是一個很靈活的東西，它反映了我們解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力，它是一個設(shè)計的靈魂所在。

要設(shè)計一個成功的電路，必須要有耐心，要有堅持的毅力。在整個電路的設(shè)計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計上，如在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因。這就要求我們對硬件系統(tǒng)中各組件部分有充分透徹的理解和研究，并能對之靈活應(yīng)用。通過這次實訓(xùn)，我在書本理論知識的基礎(chǔ)上又有了更深層次的理解。

此次設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機(jī)應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益非淺。

                          仿真圖

單片機(jī)源程序如下:

1. #include<reg52.h>
   
2. unsigned char code dispbitcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
   
3. unsigned char dispbuf[4];
   
4. unsigned int i;
   
5. unsigned int j;
   
6. unsigned char getdata;
   
7. unsigned int temp;
   
8. unsigned int temp1;
   
9. unsigned char count;
   
10. unsigned char d;
    
11. sbit ST=P3^0;
    
12. sbit OE=P3^1;
    
13. sbit EOC=P3^2;
    
14. sbit CLK=P3^3;
    
15. sbit P34=P3^4;
    
16. sbit P35=P3^5;
    
17. sbit P36=P3^6;
    
18. sbit P20=P2^0;
    
19. sbit P21=P2^1;
    
20. sbit P22=P2^2;
    
21. sbit P23=P2^3;
    
22. sbit P17=P1^7;
    
23. void TimeInitial();
    
24. void Delay(unsigned int i);
    
25. 
    
26. void TimeInitial()
    
27. { TMOD=0x10;
    
28. TH1=(65536-200)/256;
    
29. TL1=(65536-200)%256;
    
30. EA=1;
    
31. ET1=1;
    
32. TR1=1;
    
33. }
    
34. void Delay(unsigned int i)
    
35. {
    
36.   unsigned int j;
    
37.   for(;i>0;i--)
    
38.   {
    
39.   for(j=0;j<125;j++)
    
40.   {;}
    
41.   }
    
42. }
    
43. 
    
44. void Display()
    
45. 
    
46. {
    
47. P1=~dispbitcode[dispbuf[3]];
    
48. P20=1;
    
49. P21=0;
    
50. P22=0;
    
51. P23=0;
    
52. Delay(10);
    
53. P1=0xFF;
    
54. P1=~dispbitcode[dispbuf[2]];
    
55. P17=0;
    
56. P20=0;
    
57. P21=1;
    
58. P22=0;
    
59. P23=0;
    
60. Delay(10);
    
61. P1=0xFF;
    
62. P1=~dispbitcode[dispbuf[1]];
    
63. P20=0;
    
64. P21=0;
    
65. P22=1;
    
66. P23=0;
    
67. Delay(10);
    
68. P1=0xFF;
    
69. P1=~dispbitcode[dispbuf[0]];
    
70. P20=0;
    
71. P21=0;
    
72. P22=0;
    
73. P23=1;
    
74. Delay(10);
    
75. P1=0xFF;
    
76. }
    
77. void main()
    
78. {
    
79. TimeInitial();
    
80. while(1)
    
81. {
    
82. ST=0;
    
83. OE=0;
    
84. ST=1;
    
85. ST=0;
    
86. 
    
87. while(EOC==0);
    
88. OE=1;
    
89. getdata=P0;
    
90. OE=0;
    
91. temp=getdata*1.0/255*2000;
    
92. dispbuf[0]=temp%10;
    
93. dispbuf[1]=temp/10%10;
    
94. dispbuf[2]=temp/100%10;
    
95. dispbuf[3]=temp/1000;
    
96. Display();
    
97. 
    
98. }
    
99. }
    
100. 
     
101. void t1(void) interrupt 3 using 0
     
102. {
     
103.   TH1=(65536-200)/256;
     
104.   TL1=(65536-200)%256;
     
105.   CLK=~CLK;
     
106.   }
     

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