交直流数字电流表设计.docx
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交直流数字电流表设计
西安邮电大学
毕业设计（论文）
题目：
院别：
自动化
专业：
班级：
学生姓名：
导师姓名：
职称：
讲师
起止时间：
2012年3月8日至2012年6月20日
毕业设计（论文）诚信声明书
本人声明：
本人所提交的毕业论文《电流测量模块的设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；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注明并表示感谢。
本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。
论文作者签名：
时间：
年月日
指导教师签名：
时间：
年月日
西安邮电大学
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
指导教师
职称
院系
自动化学院
专业
自动化
题目
电流测量模块的设计
任务与要求
1、设计一个电流测量模块，可对直流或交流的电流大小进行测量，测量范围为0-10A，测量结果可显示或以标准接口方式输出；
2、硬件模块设计；
3、完成毕业设计论文；
开始日期
2012-3-8
完成日期
2012-6-20
学院主任（签字）
2012
年
1
月
8
日
西安邮电大学
毕业设计（论文）工作计划
学生姓名指导教师职称讲师
院系自动化学院专业自动化
题目电流测量模块的设计
工作进程
起止时间
工作内容
第1周通过书籍和网络搜集相关电流测量的资料
第2周至第4周对大电流测量的原理进行分析，对合理性进行论证
第5周至第7周硬件电路设计及修正
第8周至第11周程序设计及实验
第12周软硬件联调及程序优化
第13周至第14周书写毕业论文
主要参考书目（资料）
主要参考书目（资料）
《单片机C语言编程与实例》
《传感器技术与应用》
《模拟电子技术》
相关网站等
主要仪器设备及材料
计算机、配套软件和相关硬件设施。
论文（设计）过程中教师的指导安排
除每周定时具体指导外，学生有问题也可随时联系指导。
对计划的说明
如有特殊原因可是当调整，否则按计划执行。
西安邮电大学
毕业设计（论文）开题报告
自动化学院自动化专业08级01班
课题名称：
电流测量模块的设计
学生姓名：
学号：
指导教师：
报告日期：
2012年3月18日
1.本课题所涉及的问题及应用现状综述
研究问题：
设计一个电流测量模块，可对直流或交流的电流大小进行测量，测量范围为0-10A，测量结果可显示或以标准接口方式输出。
主要技术指标：
供电电压：
220V（+_10%）测量范围：
0—10A
设计拟采用电流耦合器，把大电流转变为小电流，然后再对其采样。
控制器可采用其它AT89C52单片机或其它高级处理器。
国内外发展状况:
85C1电流表经过多年来的发展，在国内已经形成完整成熟的产业链，上下游厂家近万家。
对85C1的生产和发展提供了良好的氛围。
据目前统计来看国内生产厂家有近千家，大都完成了技术改造。
由单一走向全面。
CS5460A是美国Crystal公司推出的一款用于测量电压、电流、功率、能量的集成芯片，该芯片的主要特点是精度高、性能强、成本低且无需微控制器也可独立运行，它是CS5460的增强版。
C8051F310是美国SiliconLabs公司推出的一款具有8051内核的高性能单片机，它的运行速度为普通8051单片机的12倍，主要特点是高速率、低功耗、外围器件少、可靠性高。
现代工业仪器仪表的发展，不但取决于产品技术水平，而且涉及工程应用技术。
近年来，不少测控设备生产企业以及火电、石化、冶金等应用部门的科技型企业和工程公司在应用软件开发和系统集成技术等方面有了相当进展，通过承担国外控制系统和产品的工程应用，掌握了一批大型工程和装置的自控应用技术。
但随着国外现场总线、SOLUTION、MIV、EPC等技术和工程总成方式的发展，我国自控系统及现场仪表进入大型工程的困难将进一步增加。
与国外相比有如下差距：
差距一：
产品可靠性差。
现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性，我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正是在这方面。
例如，我国自行研发的分散型控制系统（DCS）和电磁流量计，这些产品的基本性能和功能已接近国际水平，但在可靠性和工程应用能力等方面尚有一定差距。
差距二：
数字化、智能化、集成化水平低。
现代工业仪器仪表的技术特点和趋势是数字化、智能化、网络化和集成化，而我国产品一般常规品种居多，智能型产品刚刚起步。
以核电控制系统及仪表集成为例，由于基础较弱，进入数字控制技术时代以后，差距更大。
差距三：
高新技术差。
国外的智能执行器已采用变频调速、新型电机、低工耗、微型压电陶瓷I/P转换器、蓝牙通信技术、智能化和现场总线等新技术，而国内才开始起步。
差距四：
产品精密度低。
以质量流量计为例，国外的测量精度分为4个档次，精度最高并能测量气体的为0.1级，最普遍的为0.15级，而国内目前只能达到经济型的0.2级和适用型的0.5级。
再如我国在加油站的计量仪表一般是0.5%的精度，但是国外30万吨的油轮到我国交货的精确度要到0.1%
2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
需要重点研究的关键问题是：
A、直流电流测量电路的设计。
B、模数（A/D）转换与数字显示电路。
解决的思路：
A、直流电流的测量
测量电流是根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。
如图2.1
图2.1直流电流测量电路
B、交流电流的测量电路
数字万用表中交流电压、电流测量电路是在分压器或分流器之后串入了一级交流—直流（AC--DC）变换器，如图（2.2）所示。
图2.2交流电流的测量电路
C、模数（A/D）转换与数字显示电路
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。
；
显示电路方面采用了LCD1602。
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。
总结：
本设计是基于SAT89C52单片机开发平台和自动控制原理的基础上实现的一种数字电流表系统。
该系统采用单片机作为控制核心，通过发射极实现被测电流的数据采样；使用系列比较器检测输入电流的范围，并通过A/D转换实现了输入量程的自动转换；由LCD1602将电流信号显示出来。
3.完成本课题的工作方案
（1）通过书籍和网络搜集了解AT89C52、PCF8951及相关器件的相关知识（第一周）；
（2）学习各种配套软件的原理和应用，确定需要器件的型号。
（第二周至第四周）；
（3）设计硬件电路，编写程序控制。
（第五周至第七周）；
（4）搭建硬件电路，并进行反复调试。
（第八周至第十一周）；
（5）调试成功，实现设计的目的，完成设计。
（第十二周）；
（6）撰写毕业论文，准备答辩（第十三周至第十四）；
4．指导教师审阅意见
指导教师（签字）：
年月日
说明：
本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。
西安邮电大学毕业设计（论文）成绩评定表
学生姓名
性别
男
学号
06081010
专业
班级
课题名称
电流测量模块的设计
课题
类型
科研题目
难度
难
毕业设计（论文）时间
2012年3月8日～6月20日
指导教师
（职称：
讲师）
课题任务
完成情况
论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；
其它（含附件）：
指导教师意见
分项得分：
开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分
指导教师审阅成绩：
指导教师（签字）：
年月 日
评
阅
教
师
意见
分项得分：
选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；外文翻译分
评阅成绩：
评阅教师（签字）：
年 月 日
验收小组意见
分项得分：
准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分
验收成绩：
验收教师（组长）（签字）：
年 月 日
答
辩
小组
意
见
分项得分：
准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分
答辩成绩：
答辩小组组长（签字）：
年月日
成绩计算方法
（填写本系实用比例）
指导教师成绩20（％）评阅成绩30（％）验收成绩30（％）答辩成绩20（％）
学生实得成绩（百分制）
指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评
答辩委员会意见
毕业论文（设计）总评成绩（等级）：
系答辩委员会主任（签字）：
系（签章）
年月日
备
注
西安邮电大学毕业论文（设计）成绩评定表（续表）
摘要
传统电流测量一般采用电流表和万用表，但随着嵌入式技术与传感器技术的发展，数字电流测量实用日益广泛。
本论文描述了交直流数字电流测量系统的设计，系统包括微控制器最小系统模块、电流采集模块、AD转换模块、显示模块、电源管理模块等。
通过输入电路把交、直流模拟信号送给ADC0809转换为数字信号再送至AT89C52单片机，通过P0口经LCD1602显示出测量值；其中交流信号通过单向桥式整流电路将交流信号转换成直流信号在通过ADC0809转换器。
论文还详细阐述了与系统硬件相应的系统软件设计。
本系统经测试，运行良好，具有一定的实用价值和推广价值。
关键词：
单片机数字电流表A/D整流电路
Abstract
Thetraditionalcurrentmeasurementgenerallyusetheammeterandmultimeter,butwiththedevelopmentofembeddedtechnologyandsensortechnology,digitalcurrentmeasurementutilityisincreasinglywidespread.
ThispaperdescribesthedesignoftheDCanddigitalcurrentmeasurementsystem,thesystemincludingtheminimumsystemmoduleofthemicrocontroller,thecurrentacquisitionmodules,ADconvertermodule,displaymodule,thepowermanagementmodule.ThroughtheinputcircuitACandDCanalogsignalissenttotheADC0809intodigitalsignalsandthensenttotheAT89C52microcontroller,theLCD1602displaythemeasuredvaluethroughtheP0port;ACsignalthroughtheone-waybridgerectifiercircuitoftheACsignalintoaDCsignalbytheADC0808converter.Thepaperalsoelaboratesthecorrespondingsystemsoftwaredesignandsystemhardware.
Thissystemhasbeentestedandrunswell,hassomepracticalvalueandpromotionalvalue.
Keywords:
single-chip,digitalammeter,A/D,rectifiercircuit.
1引言
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，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AT89C52单片机定时器以及ADC0808模/数转换芯片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。
1.1课题研究问题
设计一个电流测量模块，可对直流或交流的电流大小进行测量，测量范围为0-10A，测量结果可显示或以标准接口方式输出。
主要技术指标：
供电电压：
220V（+_10%）测量范围：
0—10A
设计拟采用电流耦合器，把大电流转变为小电流，然后再对其采样。
控制器可采用其它AT89C52单片机或其它高级处理器。
1.2课题背景及意义
85C1电流表经过多年来的发展，在国内已经形成完整成熟的产业链，上下游厂家近万家。
对85C1的生产和发展提供了良好的氛围。
据目前统计来看国内生产厂家有近千家，大都完成了技术改造。
由单一走向全面。
CS5460A是美国Crystal公司推出的一款用于测量电压、电流、功率、能量的集成芯片，该芯片的主要特点是精度高、性能强、成本低且无需微控制器也可独立运行，它是CS5460的增强版。
C8051F310是美国SiliconLabs公司推出的一款具有8051内核的高性能单片机，它的运行速度为普通8051单片机的12倍，主要特点是高速率、低功耗、外围器件少、可靠性高。
直流大电流测量技术的意义直流大电流测量技术在工业生产和科研实验中有着较广泛的应用,如:
在地铁和电气化铁道等直流牵引系统中;电力工业中的高压直流输电系统也有直流大电流的测量问题;在核物理、大功率电子学等科研实验中常常涉及到大电流测量问题。
对于测量到的大电流,也有计量、监视、控制及保护等不同的用途,它们对测量准确度指标的要求也不完全一致。
对于计量用的测量互感器的准确度要求最高,对保护和控制用的互感器要求次之,对监视用的互感器要求最低。
直流大电流的测量,已成为电磁测量技术领域中不可缺少的独立部分。
2背景知识介绍
2.1单片机发展详细介绍
1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。
特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。
单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。
它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。
到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.SoC单片机（SystemOnChip），单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
2.1.1单片机的工作原理
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
2.1.2单片机的基本特点
单片机的基本特点：
（1）高集成度，体积小，高可靠性。
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
（2）控制功能强。
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品。
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
（4）易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性能价格比
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。
2.2A/D转换器的介绍
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小
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