数字冲击电流计设计毕业设计.docx

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数字冲击电流计设计毕业设计

数字冲击电流计设计

学生：

指导教师：

内容摘要：

本设计是基于51系列的单片机进行的数字电流表设计，可以进行电流的数字计数，并在液晶显示器上显示。

数字电流表的设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。

硬件部分主要由AT89C51单片机，TLC549模数转换器，液晶显示器电路，以及电流采样电路等组成。

程序采用C语言编写，可移植性强。

本电流表各模块之间使用标准信号进行传输的，这些标准信号都符合国际标准。

国际电工委员会在1973年四月第65次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号标准，过程控制系统的模拟直流信号为4到20MA，模拟直流电压信号为1到5伏，我国的DDZ-3型电动单元组合仪表采用了国际的信号标准。

关键词：

电流采样A/D转换器放大器AT89C51单片机

DigitalDesignquantometer

Abstract:

Thisdesignisbasedonthedesignofdigitalammeter51seriesMCUcanbecurrentdigitalcount,anddisplayedontheLCDmonitor.Thedesignprocessofdigitalammeterconcurrentdesignofhardwareandsoftware.ThehardwarepartismainlycomposedofAT89C51microcontroller,TLC549ADC,LCDcircuits,andcurrentsamplingcircuit.ProgramusingClanguage,portability.

EverypartofthedigitalammeterusesthestandardsignalwhichisinlinewiththeInternationalStandardsfortransmission.TheIECmadetheInternationalStandardsfortheunitedtransportedsignalonthe65thtechnologycommitteeinApril,1973.TheSimulationofDCsignalofsystemofprocessioncontrolisbetween4MAand20MA.TheSimulationofDCvoltagesignalisbetween1Vand5V.SingalofthedomesticDDZ-3ElectricunitofCombinationofinstrumentsusestheInternationalStandards.

Keywords:

CurrentsamplingA/DconverteramplifierAT89C51microcontroller

.

目录

前言1

1选题背景1

1.1电流计的分类1

1.1.1圈转电流计...1

1.1.2冲击电流计2

1.1.3光电放大式电流计3

1.2电流计的灵敏度3

1.3电流计的运动特性3

1.4冲击电流计的工作原理3

1.5设计要求4

2设计原理与结构框图5

2.1设计原理5

2.2结构框图5

3硬件电路设计方案5

3.1I/U转换电路原理5

3.2AT89C51单片机6

3.3TLC549模数转换芯片8

3.4内接时钟部分9

3.5显示部分9

3.6上拉电阻部分10

4仿真电路图11

5软件设计11

5.1程序框图11

5.2仿真控制原理及仿真图12

6设计结果分析13

7结束语13

附录1：

原件清单15

附录2：

控制系统框图16

附录3：

程序流程图17

附录4：

编写程序18

参考文献：

19

数字冲击电流计设计

前言

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AT89C51单片机定时器以及TLC549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选题背景

1.1电流计的分类

电流计又称检流计，如图1.1-1所示，指在电磁测量比较法中，用作检查微小电流或微小电压是否存在的指零仪表，或经临时校准后指示其量值的仪表。

分为三类：

圈转电流计、冲击电流计、光电放大式电流计。

图1.1-1电流计

1.1.1圈转电流计

利用永久磁铁的磁场对载流线圈作用的原理制成的一种电流计。

它的主要结构有固定的永久磁铁和活动的线圈。

在图1中，动圈由悬丝（或带）悬挂，悬丝除了提供微小的恢复力矩外，还用作通入动圈电流的引线，动圈的另一引线是下螺旋，在动圈的上端装有反射小镜，利用它对光线的反射来指示活动部分的偏转。

在距小镜一定距离处安装一标尺，由小灯产生的狭窄光束投向小镜，经小镜反射到标尺上，形成明晰的光标，以指示活动部分的偏转角。

这种电流计的灵敏度很高,但极易受外界振动的影响,使用时应将它固定安装在稳固位置或坚实墙壁上，所以又称为墙式电流计。

常用作灵敏电桥和电位计的平衡指示器。

一般电桥上装的电流计，实质上是一个下标量值的圈转微安计。

圈转电流计示意图如图1.1.1-1所示。

图1.1.1-1圈转电流计结构示意图

1.1.2冲击电流计

它的结构原理与圈转电流计相同，可用来测量微小短暂脉冲电流所迁移的电荷量。

它被广泛应用于磁测量中，也可用于测量电容和高电阻等。

冲击电流计可动部分的转动惯量较大，其自由振荡周期较长，而脉冲电流通过的时间比电流计的振荡周期短得多，可以认为脉冲电流全部流过电流计后，电流计才开始偏转。

结果通过的脉冲电荷量正比于第一次最大的摆角。

冲击电流计的技术特性一般用电荷量灵敏度（或电荷量常数，它等于电荷量灵敏度的倒数）和振荡周期来说明。

电荷量常数可达10-9库/分度，振荡周期可达20～30秒。

冲击电流计如图1.1.2-1所示。

图1.1.2.1冲击电流计

1.1.3光电放大式电流计

圈转电流计本身的结构特点和空气中布朗运动的影响，限制了灵敏度的提高。

采用光电放大原理制成的光电放大式电流计可以使电流灵敏度进一步提高。

其电流计常数达10-11安/分度，而且具有稳定可靠、使用方便等优点，目前在精密电测技术中已广泛应用。

1.2电流计的灵敏度

电流灵敏度通常是以在标准镜尺距下单位被测电流给出的偏转格数来确定的，它说明圈转电流计的技术特性，它的大小与活动线圈所在处的磁场强弱和线圈面积、匝数及悬丝的弹性有关。

电流灵敏度的倒数叫做电流计常数。

电压灵敏度是指电流灵敏度和全临界电阻的比值。

1.3电流计的运动特性

电流计的活动部分本身具有一定的惯性，在测量过程中它由运动状态到达最后的稳定位置需要有一个过程，这个过程统称为阻尼运动。

在不同的阻尼情况下电流计的活动部分有不同的运动特性,其特性曲线在阻尼很小时，它将围绕最后稳定位置作减幅摆动,经过相当长的时间才逐渐静止在最后稳定位置,称为欠阻尼运动；在阻尼很大时，则电流计活动部分将不摆动而缓慢到达最后稳定位置，这种状态是过阻尼运动；如果阻尼由小增大到某一数值时，活动部分以最短时间趋于终点而不越过终点位置，这种状态称为临界阻尼运动。

电流计阻尼作用的强弱是和外接电路的电阻大小有关的，因为动圈在磁场中运动时由于切割磁感应线会产生感应电动势，引起与外接电阻大小有关的电流，它和永久磁铁的磁场相互作用产生阻尼力矩，使电流计正好工作在临界阻尼运动情况下的外接电阻的值，称为外临界电阻。

电流计应该运用在临界阻尼或微欠阻尼情况下，否则应接入分流器或附加电阻以相匹配，但灵敏度会有所下降。

1.4冲击电流计的工作原理

冲击电流计的结构与灵敏电流计相似，都属于磁电式检流计，它的结构特点，也就

是它与一般灵敏电流计的区别在于它的线圈扁而宽或带一圆盘形重物，如图1.4-1所示。

图1.4-1冲击电流计与灵敏电流计

从而使线圈的转动惯量J较大，自由振荡周期T0较长（DJTπ20=，式中D为线圈悬丝的扭转系数），普通磁电式检流计的T0约为3—5s，而冲击电流计的T0约为20s。

正因为冲击电流计具有T0大这一特点，所以可用来测量短时期内脉冲电流所迁移的电量，以及与此有关的其它测量，如磁感应强度、高阻、电容的测量等。

当时间间隔τ很短（τ≤1/20T0）的脉冲电流通过线圈时，则线圈的运动有以下特性：

★在脉冲电流通过的时间内，线圈虽有一角速度，但还来不及偏转，线圈仍处于静止状态。

★当圈开始偏转时，脉冲电流已经通过完毕。

利用以上的特性，由电磁理论可以推出，冲击电流计线圈在脉冲电流作用下第一次最大偏转角θmax与通过线圈的总电量q成正比。

在冲击电流计的标尺与线圈上的小圆镜之间的距离较远（如1米）的情况下，小圆镜光标在标尺上的偏转距离与线圈的偏转角成正比，因此冲击电流计光标第一次最大偏转距离dmax正比于通过线圈的总电量q，即

q=Cqdmax或dmax=Sqq（1.4-1）

式中比例系数Cq称为电量冲击常数，Sq＝1／Cq称为电量冲击灵敏度，Cq和Sq都与电流计的装置、外电路的电阻有关。

（4－13－1）式告诉我们，已知Cq或Sq，由冲击电流计最大偏转值dmax可以求出通过电流计的电量q。

1.5设计要求

★AT89C51单片机可以设计并实现数字电流表的设计及其相关功能。

通过本次设计了解并掌握51系列的单片机的结构及其使用方法，同时掌握KeilC51和Proteus的结进行单片机系统的软件设计和硬件的仿真调试以及增强自己对工程项目的设计能力。

★测量电流范围在0mA—12mA。

★通过改变输入电压值来改变电流大小。

2设计原理与结构框图

2.1设计原理

8路数字电流表主要利用A/D转换器，其过程如下：

先用A/D转换器对各电流值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成比例关系运算得到相应的模拟电流值，然后把模拟值通过数码管显示出来。

设计时假设待测的输入电流为8路，电流值的范围为0—12mA,要求能在LCD数码管上显示。

2.2结构框图

如图2.2-1所示

图2.2-1结构框图

3硬件电路设计方案

3.1I/U转换电路原理

被检测电流通过OPA07转换放大成0~5V的电压值，通过电压跟随器稳定电压送入A/D转换模块，由数据测得U-I的对应关系：

K=U/I，其中U的单位为V，I的单位为mA。

转换模块如图3.1-1所示.

图3.1-1I/U转换模块

3.2AT89C51单片机

AT89C51是一可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压微处理器，俗称单片机。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯