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基于单片机的电流电压测量系统设计

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基于单片机的电流电压测量系统设计

1前言

1.1电子测量概述

从广义上讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电子学中测量有关电量的量值。

与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：

①测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；②量程很广；③测量准确度高；④测量速度快；⑤易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；⑥易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。

随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。

微机的出现为解决上述问题提供了条件。

利用微机的记忆，存储，数学运算，逻辑判断和命令识别等能力，发展了微机化和自动测试系统。

近年来微机和大规模集成电路发展很快，价格大幅下降，同时在测试系统中还解决了通用接口母线标准化问题，使微机化仪器和自动测试系统得到了很大发展，正改变着电子测量的面貌。

1.2数字电压表的特点

1.读数直观、准确

电压表的数字化，是将连续的模拟量（如直流电压）转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。

这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

2.显示范围宽、分辫力高

指针表的分辫力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得很细，太细了视觉分辫也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从2（1/2）到10（1/2）。

3.输入阻抗

数字电压表的输入阻抗可高达（1~10000）M。

输入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。

4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强

由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形成大规模或超大规模集成电路。

这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。

目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。

5.可扩展能力强

直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等，还可以附加智能化。

例如:

计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。

1.3单片机的概述

单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM、EPROM）和各种输入、输出接口，这样一块集成电路芯片上具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机根据其基本操作处理的位数可分为：

1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。

并且其发展历史可分为以下四个阶段：

第一阶段：

单片机初级阶段。

因工艺限制，单片机采用双片的形势而且功能比较简单。

例如，仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8为CPU，64BRAM和2个并行口。

因此，还需加一块3851才能组成一台完整的计算机。

第二阶段：

低性能单片机阶段。

以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。

第三阶段：

高性能单片机阶段。

这个阶段推出的单片机普遍带有I/O口，多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。

这类单片机的典型代表是：

Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。

由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。

第四阶段：

8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。

此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。

2系统方案的选择与论证

2.1功能要求

使用AD/DC模数转换模块把模拟量转换成数字量，再采用AT89C52单片机进行电压、电流表的计算和显示，并将数据发送给PC机，要求进行硬件，软件系统设计。

1、4位电压、电流显示

2、8个档位自动调节

3、电压范围0——1000V

4、电流范围0——5A

5、能串口发送给计算机，并以适时波形显示

2.2系统的总体方案规划

本设计主要由五大模块组成：

量程自动转换模块、A/D模数转换模块、单片机控制模块、显示模块和通信模块。

按系统功能实现要求，控制模块采用AT89C52单片机，通过程序来进行电压、电流的计算等数据处理，及其功能控制；量程自动转换模块包括电压衰减和8个档位自动换档，采用纯硬件搭建；A/D转换模块采用ADC0809芯片；显示模块采用四个LED数码管静态显示电压、电流值。

通信模块采用串口通信将数据发送给PC机。

使用MAX232芯片，实现电平转换功能，使单片机的TTL电平与RS232的电平实现匹配。

如图2.1所示：

图2.1系统总体框图

2.3各模块方案选择与论证

2.3.1控制模块

中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。

对中央处理器的选择多种多样，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机作为主控制器。

它支持ISP在线可编程写入技术！

串行写入、其频率高达33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

稳定性更好。

AT89S52高性能8位单片机是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

2.3.2量程自动转换模块

方案一、采用软件编程技术。

特点：

硬件简单，但编程复杂。

方案二、采用纯硬件搭建技术。

利用一些廉价的元器件组成量程自动转换电路，特点：

所用硬件多，但成本低，且不需要复杂的软件编程及调试。

考虑到本次设计所需硬件较少，且所用元器件容易购买，成本低。

故采用方案二

2.3.3A/D转换模块

方案一、采用双积分A/D转换技术。

特点是：

精度高，抗干扰能力强。

但高精度的双积分A/D芯片，价格较贵，增加了单片机系统的成本。

方案二、采用比较型A/D转换器（ADC1210）。

特点是：

测量速度快（最高可达每秒100万次以上），电路比较简单，但抗干扰能力差。

方案三、采用逐次逼近型A/D转换器（ADC0809）。

特点是：

价格便宜，容易购买，但精度较低。

ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。

带8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器。

考虑到成本低，因而选用方案三。

2.3.4显示模块

方案一、采用LCD显示。

特点：

显示内容丰富，采用数字式接口，体积小、重量轻，功率消耗小，但编程复杂，且成本相对LED较高。

方案二、采用LED并行动态显示。

即一位一位地轮流点亮各位显示器。

对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。

其硬件电路简单，但同样的功率驱动下，显示亮度不及静态显示，且占用I/O口较多。

方案三、采用LED串行静态显示。

即显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止，这种方式每一个显示位都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，但仅占用控制器串口的两个I/O口，软件实现简单，显示亮度高，成本低。

LED数码管显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为7段LED显示器，因为LED数码管显示成本较低，外加一个驱动芯片，所需单片机接口较少，且程序容易实现。

故考虑到本次设计的需要，只要显示4位电压、电流值，采用方案三，使用4个共阳数码管及4个驱动芯片74LS164。

2.3.5通信模块

方案一、采用并行通信方式。

所传送的各位同时发送或接收。

一个并行数据占多少位二进制数，就要多少根传输线，这种方式的特点：

通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输。

方案二、采用串行通信方式。

所传送的数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。

这种方式的特点：

由于它每次只能传送一位，所以传送速度较慢。

但它仅需要一到两根传输线，故传输数据时比较经济，且所占I/O口少。

本次设计是单片机与PC机的通信，要采用MAX232电平转换电路，可将单片机的TTL电平转换为PC机的串口电平。

使单片机的TTL电平与RS232的电平实现匹配。

故采用方案二。

经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：

（1）控制器模块：

采用单片机AT89S52控制。

（2）量程自动转换模块：

采用纯硬件搭建。

（3）A/D转换模块：

采用逐次逼近式ADC0809转换器。

（4）显示模块：

采用LED串行静态显示。

（5）通信模块：

采用串口通信。

3系统的硬件电路设计与实现

3.1系统的硬件组成部分

　系统硬件主要由中央控制模块、量程自动转换模块、A/D转换模块、显示模块和通信模块组成。

总原理图如图3.1所示:

图3.1系统总体原理图

3.2主要单元电路设计

3.2.1中央控制模块

本设计主要以AT89S52单片机最小系统为核心。

其P1口为电压信号通过A/D转换后所得数字量的输入端，P2.6、P2.7为单片机的模拟串口，分别连接74LS164的RXD和TXD端。

是CPU送数据到LED显示的接口；P0.0、P0.1、P0.2分别接一个发光二极管，三个二极管亮灭的不同组合对应不同的量程。

同时P0.3也接一发光二极管，当二极管亮时，表明待测信号超过了量程范围。

ALE端口经芯片二分频接至ADC0809的CLK端。

P3.7接ADC0809的启动控制输入端口STAR和地址锁存控制信号端口ALE，P3.6、P3.5分别连接ADC0809的输出允许控制端口OE、转换结束信号脉冲输出端口。

P3.0，P3.1口连接串口通信模块。

其原理图如图3.2所示：

图3.2中央控制器原理图

3.2.2量程自动转换模块

量程自动转换电路框图如图4所示．被测量程判断器判断出被测量的范围，相应的量程信号输入到档位选择器。

档位选择器根据量程信号将档位自动调至适当的量程．并将输入值自动地选择合适的增益或衰减处理后送至A/D转换器，实现整个量程的自动转换功能。

如图4.3所示

图3.3量程自动转换框图

（1）电路设计的总体要求

电路设计的基本要求是在不降低测量精度的条件下实现量程的自动转换。

因此在设计电路时需要考虑以下几方面的要求：

1）输入值量程判断器的阻抗。

要求在进行电压测量时具有高阻抗，进行电流测时具有低阻抗。

2）输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断力。

由于被测范围较大，因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击，又要求在超量程值时对档位转换电路进行关断。

当输入量低于表内的测量精度时，也要求将档位选择器关断。

否则，当测量仪表断开时，没有输入量，而输入值量程判断器则认为此时的输入量在最小量程的档位上，当仪表接通待测量时，待测量大于最小量程档位的范围时，档位选择电路及其后级电路必定受到较大的冲击。

所以，输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断，对是否小于最小量程的精度也有判断能力。

3）电路安全要求。

在本设计中，利用传输的延时，对档位进行从关断测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换，这样就使得电路在测量完高待测后就能顺利地进行对最低待测量的测量。

4）成本及功耗问题。

由于输入值判断器所判断出的值不是用来测量，而是用于转换量程档位，所转换出的数值不需要十分精确，故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。

（2）电路设计的实现

1）量程判断电路的设计。

量程判断电路框图如图3.4所示。

输入的被测量经分压电路分压，并经隔离电路后输入电压判断电路，再至档位选择器。

图3.4量程判断电路框图

单量程的量程判断实现电路如图3.5所示：

图3.5单量程判断实现电路

电路中Uin代表被测信号，电阻R1、R2组成分压电路。

运放A1组成隔离电路。

电压判断电路由电压源UEF2和运放A3组成的单限电压比较器实现。

该电压比较器的阈值电压为UT为：

UT=-（R3/R4）*UREF

（1）

电路下半部分与上半部分的结构和工作原理相似。

不过，比较电压由A4的反相端输入。

由

（1）式可知，当跟随器A1的输出大于0.2V时，比较器A3输出高电平；当跟随器A2的输出小于-0.2V时，比较器A4输出高电平；当-0.2V

电路构成了一个窗口比较器。

量程判断器的总电路如图3.6所示。

每个运放的输入端都接有稳压管进行限压，以保护运放。

图中上半部分为档位选择电路，正负电压都可由整流桥整流后送分压电阻分压，下半部分为输入电压的最小值判断电路，对输入被测量的有和无进行直接判断。

根据前级的分压比可以求得，当被测的电压值大于0.2V或者小于-0.2V时，输出端INH才输出高电平。

2）档位选择器输入值判断器已经把电压信号分档并转换为高低电平的数字输出值输出．档位选择器可根据输入值判断器所得结果来设计．输入值判断器的输入端电压与输出端的真值表如表1所示。

表1中，1表示高电平，0表示低电平。

由真值表的特性可知，档位选择可以用一个8选1模拟开关CD4051完成。

CD4051主要由8路CMOS开关，译码电路和电平转换电路3部分组成，其工作原理是主要由控制端A、B、C的不同的组合状态来选通哪一路输入作为输出。

其译码表如表2所示。

对照表1和表2，可得出译码电路对各量程选择的输出端，从小到大分别为：

Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7。

图3.6量程判断器的总电路

表3.1真值表

输

出

（-0.2

~0.2V

）

（0.2~

2V）

（2~

20V）

（20~

100V）

（100~

200V）

（200~

400V）

（400~

600V）

（600~

800V）

（800~

1000V）

>1000V

INH

档位状态

截止

0.2~

20V

20~

100V

100~

200V

200~

400V

400~

600V

600~

800V

800~

1000V

截止

表3.2译码表

输入值

输出值

INH

根据芯片输入、输出的引脚特性，其电路接线图如图3.7所示。

输入信号分压等变换后送入CD4051的X0-X7，8个通道。

其中1个控制引脚：

INH是4051的禁止端，为低电平开启，INH=1模拟开关被禁止工作，INH=0时，由A、B、C上的信号来控制某一路的选通。

电路引脚中，若A、B、C无输入或悬空时，Y0输出1，控制档位在最高量程电压档位上，起到保护电路的作用。

图3.7档位判断电路

3）量程自动选择总电路根据上述研究，可得量程自动转换电路如图3.8所示。

路中所用的基准电压都是2V，可用同一直流电源提供。

稳压管均采用2．8V工作电压的稳压管。

图3.8量程自动选择总电路

3.2.3A/D模数转换模块

采用ADC0809转换芯片，采集信号由INT0输入；数字量输出接至CPU的P1口；其START与ALE引脚接至CPU的P3.7，OE引脚接至CPU的P3.6，EOC引脚接至CPU的P3.5脚；A、B、C三位地址线共同接地，表示对INT0的输入信号进行模数转换。

在INT0的输入端口接一选择开关电路，用以判断对电压测量还是对电流测量。

ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

主要特性

1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs。

4）单个＋5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

7）低功耗，约15mW。

外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28个引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下：

IN0-IN7：

8路模拟量输入端。

D0-D7：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存允许信号。

高电平时，把三位地址信号送入地址锁存器，经译码选择相应的模拟输入通道，使用时，该信号可以和STARE信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

高电平有效。

START：

A/D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：

A/D转换结束信号输出端口，转换期间一直为低电平。

当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（有效）。

OE：

数据输出允许信号输入端口，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

3.2.4显示模块

（1）数码管的选取

LED（发光二极管），它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的PN结。

其发光强度与其正向压降VF和电流IF的乘积有关，其乘积越大，则发光强度越大。

工作电流一般在5MA~20MA。

从系统整体考虑，选用的是LDS-5101BH型七段LED数码管。

（2）驱动芯片

选用74LS164芯片。

74LS164是串行输入/8位并行输出的移位寄存器。

每片74LS164有两个串行数据输入端和一个同步移位脉冲输入端，以及8个并行输出口。

时钟CLK端上每一个上升沿都会使该芯片的8位数据输出右移一位。

显示模块总体原理图如图3.9所示：

图3.9显示模块原理图

3.2.5通信模块

（1）单片机与PC机通信的概述

在实际应用中，因为单片机功能有限，因而在较大的测控系统中，常常把单片机应用系统作为前端机（也称为下位机或从机）直接用于控制对象的数据采集与控制，而把PC机作为中央处理机（也称为上位机或主机）用于数据处理和对下位机的监控管理。

它们之间的信息交换主要是采用串行通信，此时单片机可直接采用串行接口，而PC机可利用其配置的8250或8251、16450等可编程串行接口芯片。

实现单片机与PC机串行通信的关键是在通信协议的约定上要一致，例如，应设定相同的波特率及帧格式等。

在正式工作之前，双方应先互发联络信号，以确保通信收发数据的准确性。

（2）本设计的通信

串行通信采用MAX232电平转换电路，可将单片机的TTL电平转换为PC机的串口电平。

使单片机的TTL电平与RS232的电平实现匹配。

RS232使用-3~-25V，表示数字1；3~25V表示数字0。

RS232在空闲时处于逻辑“1”状态，在开始传送时，首先产生一个起始位，起始位为一个宽度的逻辑“0”，紧随其后的为所需要传送的数据，所要传送的数据由最低位开始依次送出，并以一个结束位标志该字节传送结束，结束位为一个宽度的逻辑“1”状态。

单片机与PC机的通信连接图如图3.10所示，下位机（单片机）将接收的数据从串行口P3.0、P3.1输出，上位机接收到数据后在屏幕上进行显示。

图3.10单片机与PC机通信连接图

3.2.6电源部分

单片机电源采用自制+5V电源供电。

其原理图如图3.11所示

图3.11电源电路图

4系统的软件设计

4.1软件的总体设计原理

系统上电后，初始化程序包括对各种参数进行初始化、清零以及一些端口属性的设定，开始进行量程判断，再调用A/D转换子程序，对输入信号进行A/D模数转换，转换结束，为提高测量精度，系统对输入电压连续采集10次进行滑动平均值滤波处理，其结果作为对应的电压值。

再调用LED显示子程序，显示所测量的电压或电流值，最后调用通信子程序实现串口通信。

系统总流程图如图4.1所示：

图4.1系统总流程图

4.1.1A/D转换程序设计

系统上电后，初始化各参量。

开启A/D转换，调用延时程序，接着判断A/D转换是否结束，结束则清标志位、取数据，否则再延时，继续判断A/D是否结束。

总程序结束。

流程图如图4.2所示：

图4.2A/D转换程序流程图

4.1.2数字滤波程序设计

（1）数字滤波概述

数字滤波,即在数据采集系统里，由于数据采集环境的电磁干扰，传感器和放大器自身的影响，往往会含有多种频率成分的噪声信号，严重时，这种噪声信号会淹没待提取的输入信号，使测试系统无法获取被测信号。

在这种情况下，为了滤除干扰需要采取

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