精品基于单片机的简易数字电流表设计Word文档下载推荐.docx
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所谓数字电流表就是能将测得的模拟电流量经过A/D转换转变为数字量,并在液晶显示屏上直接显示电流读数的电流表,相比针式电流表有着测量数据准确明了,读数精度高的特点,类似数字式万用表,有着相当的实用性。
本次电流表设计主要由电流信号采样电路、A/D(ADC0804)转换电路以及LCD显示电路组成,其中采样电路包括0.1欧姆的采样电阻和100倍的差分缩小电路,以及由芯片MC34063组成的反向电路(给运算放缩小器提供-5V电压)。
本次设计的电流表可直接检测带有负载的回路中的电流0-200Ma,超过200Ma时电路上的红色报警灯会亮,且在实际电路中示数与标准电流值基本相等,有时略有偏差。
关键词:
数字电流表,电流采样,ADC0804,单片机
1.概述
1.1设计意义
通过课程设计,掌握电子设计的一般步骤和方法,锻炼分析问题解决问题的能力,学会如何查找所需资料,同时复习以前所学知识并加深记忆,为毕业设计打好基础,也为以后工作作准备。
通过对选题的分析设计,学习数字电流表的工作原理、组成和特性;
掌握数字电流表的校准方法和使用方法;
学会分流电路的连接和计算;
了解过压过流保护电路的功用。
1.2系统主要功能
A、利用AD转换芯片和精密电阻测量0~200mA电流
B、系统工作符合一般数字电流表要求
2.硬件电路设计方案及描述
2.1设计方案
如下图;
→→→→
↓
←→
2.2硬件电路描述
先从题目本生分析,首先想到要求所用到的单片机,出于合理选取及实例分解,根据单片机的特点,选取了AT89S52作为设计用单片机。
主要考虑到AT89S52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
其次,电流测量中,电流是模拟量,而单片机只负责处理数字信号,所以要用到A/D转换芯片,通过筛选,选取了ADC0804作为设计用A/D转换芯片。
A/D转换概念:
即模数转换(AnalogtoDigitalConversion),输入模拟量(比如电压信号),输出一个与模拟量相对应的数字量(常为二进制形式)。
例如参考电压VREF为5V,采用8位的模数转换器时,当输入电压为0V时,输出的数字量为00000000,当输入的电压为5V时,输出的数字量为11111111。
当输入的电压从从0V到5V变化时,输出的数字量从00000000到11111111变化。
这样每个输入电压值对应一个输出数字量,即实现了模数转换。
ADC0804引脚功能:
CS:
芯片片选信号,低电平有效。
即=0时,该芯片才能正常工作,高电平时芯片不工作。
在外接多个ADC0804芯片时,该信号可以作为选择地址使用,通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片,从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
WR:
启动ADC0804进行ADC采样,该信号低电平有效,即信号由低电平变成高电平时,触发一次ADC转换。
RD:
低电平有效,即=0时,DAC0804把转换完成的数据加载到DB口,可以通过数据端口DB0~DB7读出本次的采样结果。
VIN(+)和VIN(-):
模拟电压输入端,单边输入时模拟电压输入接VIN(+)端,VIN(-)端接地。
双边输入时VIN(+)、VIN(-)分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时,可在VIN(-)接一等值的零点补偿电压,变换时将自动从VIN(+)中减去这一电压。
VREF/2:
参考电压接入引脚,本次设计运用了TL431稳压管构成的一个稳压电路,为的是给该端口提供稳定的直流电压,提高转换精度。
CLKIN和CLKR:
外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号,时钟频率CLK=1/1.1RC,一般要求频率范围100KHz~1460KHz。
AGND和DGND:
分别接模拟地和数字地。
INTR:
转换结束输出信号,低电平有效,当一次A/D转换完成后,将引起=0,实际应用时,该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连(如51单片机的,脚),当产生信号有效时,还需等待=0才能正确读出A/D转换结果,若ADC0804单独使用,则可以将引脚悬空。
DB0~DB7:
输出A/D转换后的8位二进制结果。
另外ADC0804片内有时钟电路,只要在外部“CLKIN(引脚4)”和“CLKR(引脚19)”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟,其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为:
R=10KΩ,C=150PF,fCLK≈640KHz,转换速度为100μs。
另外就是采样电流信号的采样电路,参考了相关的资料,设计的电路主要由两个OP07运算放大器组成的差分放大电路,放大倍数约为一百倍,为了减少运放的失真,还专门设计了有MC34063构成的一个反向电路,用来给运放提供-5V电压,然后就是利用的一个0.1欧姆的水泥采样电阻来把电流信号转换成电压信号,输入到运放中,因为ADC0804只能输入电压信号。
最后电路显示部分采用的LCD1602液晶显示。
3.电路工作原理
整个电路正常工作时,电流信号首先流过采样电阻,转换成电压信号经过100倍差分放大电路放大后,进入ADC0804芯片,经过A/D转换后,单片机P2端口接收到0804转换出来的数字信号,经过单片机内部的处理后再将电压值在LCD上显示出来,因为前面电压信号进过了放大,所以程序中需要除以相关的值(本次为10)还原电流值,才能送到lcd显示出来。
其中须判断电流值是否超过200毫安,若超过应该亮红灯,正常时亮红灯。
由于是8位ADC,当单端输出时,数字输出D的范围是0-255,这时的公式应为:
D=V/VREF*256,参考电压VREF设置的是2.56V,假设采样的电流为bA,实际显示应该为1000b毫安经过采样电阻后转换成0.1bV,,经过100倍放大后变成10bV,再根据ADC0804的量化公式D=V/VREF*256,D的值便为1000bV,刚好与要显示的毫安级别的电流值相等,就不需要在程序中再次进行数值处理和还原了。
4.电路图
A/D转换和显示电路
反向电压产生电路
采样电路
AD转换器参考电压稳压电路
5.元器件清单
元件清单
名称
型号
封装形式
数量
单片机
AT89S52
DIP-40
1个
A/D转换器
ADC0804
DIP-20
液晶显示器
LCD1602
DIP-16
晶振
12M
XTAL-1
电阻排
10kX8
SIP-9
滑动变阻器
1K
VR-5
电阻
100K
AXIAL-0.4
2个
按键
SW
ANJIAN
1K
采样电阻
0.1欧姆
电解电容
470uf
RAD-0.2
电容
470pF
10K
4个
运算放大器
0P07CP
DIP-8
电阻
330欧姆
反向电路芯片
MC34063
DIP-20
限流电阻
0.22欧姆
电感线圈
33uh
XIAL0.3
稳压管
TL431
SIP3
发光二极管
led
SIP2
220欧姆
电容
150pf
电解电容
10uf
3个
30pf
6.程序流程图
NO
YES
7.源程序代码
主程序:
#include<
reg52.h>
intrins.h>
#include"
LCD1602.h"
sbit_RD=P3^7;
sbit_WR=P3^6;
sbit_INTR=P3^3;
sbitLED1=P1^3;
sbitLED2=P1^4;
unsignedcharADC_Datshow[16]={"
current:
000Ma"
};
unsignedcharADC_Dat=0;
unsignedcharGet_Adc0804(void)//A/D转换函数,内部自动量化
{
unsignedchardat=0;
//定义一个字符变量
_WR=0;
//拉低写端口
_nop_();
//延时两个机器周期
_WR=1;
//在拉高写端口,启动A/D转换
while(_INTR==1);
//等待A/D转换完成
_RD=0;
dat=P2;
_RD=1;
returndat;
}
voidmain(void)
LCD_Int();
LCD_WriteStr(0,1,"
DigitalAmmeter"
);
//第一行显示数字电流表
LCD_WriteStr(0,2,ADC_Datshow);
//显示初始电流值
while
(1){
ADC_Dat=Get_Adc0804();
LCD_WriteCom(0xc0+9);
LCD_WriteDat((ADC_Dat/100)+0x30);
//显示电流值第一位
LCD_WriteDat((ADC_Dat%100/10)+0x30);
//显示电流值第二位
LCD_WriteDat((ADC_Dat%10)+0x30);
//显示电流值第三位
if(ADC_Dat>
200){
LED1=0;
LED2=1;
}
else{
LED1=1;
LED2=0;
delay_ms(100);
}
LCD驱动程序:
//包含_nop_()函数定义的头文件
voiddelay_us(unsignedintz)
while(z--)
{
_nop_();
voiddelay_ms(unsignedintz)
unsignedchari=0;
while(z--){
for(i=112;
i>
0;
i--);
}
/*****************************************************
函数功能:
将模式设置指令或显示地址写入液晶模块
入口参数:
dictate
***************************************************/
voidLCD_WriteCom(unsignedchardictate)
{
Rs=0;
//根据规定,RS和R/W同时为低电平时,可以写入指令
delay_us(5);
Rw=0;
En=0;
//E置低电平(根据表8-6,写指令时,E为高脉冲,
//就是让E从0到1发生正跳变,所以应先置"
0"
LCD_Dat=dictate;
//将数据送入P0口,即写入指令或地址
delay_ms
(2);
En=1;
;
//E置高电平
//当E由高电平跳变成低电平时,液晶模块开始执行命令
指定字符显示的实际地址
x
voidLCD_WriteAdr(unsignedcharx,unsignedchary)
{
switch(y){
case1:
LCD_WriteCom(x|0x80);
break;
//显示位置的确定方法规定为"
80H+地址码x"
case2:
LCD_WriteCom(x|0xc0);
default:
break;
}
将数据(字符的标准ASCII码)写入液晶模块
y(为字符常量)
voidLCD_WriteDat(unsignedchardat)
Rs=1;
//RS为高电平,RW为低电平时,可以写入数据
//E置低电平(根据表8-6,写指令时,E为高脉冲,
LCD_Dat=dat;
//将数据送入P0口,即将数据写入液晶模块
voidLCD_WriteStr(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*s)
40H+地址码x"
while(*s!
='
\0'
)
LCD_WriteDat(*s);
s++;
对LCD的显示模式进行初始化设置
voidLCD_Int(void)
delay_ms(5);
//延时15ms,首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间
LCD_WriteCom(0x38);
//显示模式设置:
16×
2显示,5×
7点阵,8位数据接口
delay_ms(5);
//延时5ms
LCD_WriteCom(0x38);
//3次写设置模式
LCD_WriteCom(0x0c);
显示开,有光标,光标闪烁
LCD_WriteCom(0x06);
光标右移,字符不移
LCD_WriteCom(0x01);
//清屏幕指令,将以前的显示内容清除
8.调试
利用实验室的直流稳压源电压输出端和一个36欧姆的电阻以及设计的电流表连成一个回路,电流表的其它元件单独供电,调节稳压源输出电压,观察液晶显示的电流值与稳压源上的电流值相比较,并调节参考电压的滑动变阻器,这时电流显示值发生变化,调节到与稳压源上电流值一样,但是始终有一定的误差。
改变稳压源输出电压,观察液晶显示的电流值,变化基本正常。
9.总结
这次的单片机设计,是把硬件和软件结合起来的设计,这也是我们第一次做这样的硬软件结合的设计。
在这次设计中,其硬件电路是比复杂的,需要足够的耐心加细心,同时也需要一定的硬件知识基础。
只有这样才能保证电路的成功。
而且在这次设计中硬件是基础,只有把基础打好才会有更高的设计。
硬件工作完成了就是解决程序设计的问题,程序设计是一个很灵活的东西,它反映了我们解决问题的逻辑思维和创新能力,它是一个设计的灵魂所在。
要设计一个成功的电路,必须要有耐心,要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中,花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上,如在多种方案的选择中,我们仔细比较分析其原理以及可行的原因。
这就要求我们对硬件系统中各组件部分有充分透彻的理解和研究,并能对之灵活应用。
通过这次实训,我在书本理论知识的基础上又有了更深层次的理解。
此次课程设计,学到了很多课内学不到的东西,比如独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高,都受益非浅。
参考文献
[1]康华光主编.数字电子技术基础(第五版).高等教育出版社,2006年
[2]万文略主编.单片机原理及应用技术.重庆大学出版社,2004年
[3]康华光主编.模拟电子技术基础(第五版).高等教育出版社,2006年
[4]实用电子电路手册(数字电路分册)
[5]XX搜索:
简易数字电压表设计
[6]纪纲主编.C程序设计实用教程.中国铁道出版社,2009年
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