数字电流表设计.docx
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数字电流表设计
数字电流表设计（总24页）
辽宁工业大学
单片机原理及接口技术课程设计（论文）
题目：
数字电流表设计
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
教研室：
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
数字电流表设计
课程设计（论文）任务
电流测量范围：
0～5A；测量精度：
％；量程自动切换；采用LED显示；可用现场提供的220V交流电源。
设计任务：
1.CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）
2.电流检测电路设计
3.显示电路及电源电路设计
4程序流程图设计及程序清单编写
技术参数：
1．电流测量范围0～5A，工作电源220V
2．测量精度：
％
设计要求：
1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；
2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；
3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。
进度计划
第1天查阅收集资料
第2天总体设计方案的确定
第3-4天CPU最小系统设计
第5天电流检测电路设计
第6天显示电路及电源电路设计
第7天程序流程图设计
第8天软件编写与调试
第9天设计说明书完成
第10天答辩
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
本设计是通过采样电阻及信号放大电路将待测的电流信号I转换成电压信号V,由A/D转换器采集电压信号，并将电压的模拟量信号转换为数字量信号传输给单片机，由单片机完成对采样信号的处理、分析与计算，最后输出信号驱动两个8位LED数码管，数码管采用动态显示的方式，用以显示被测的电流值。
整个设计的关键部分在于采样电路和A/D转换部分，采样电路需要将很小的电流信号转变成电压信号，故采用比例运算放大电路实现效果。
A/D转换部分采用ADC0809，将模拟量转变为数字量。
简易数字电流测量电路由A/D转换、数据处理、显示控制等模块组成，可以实现量程的自动切换。
本设计是通过采样电阻及信号放大电路将待测的电流信号I转换成电压信号V, 由A/D转换器采集电压信号，并将电压的模拟量信号转换为数字量信号传输给单片机，由单片机完成对采样信号的处理、分析与计算，最后输出信号驱动两个8位LED数码管，数码管采用动态显示的方式，用以显示被测的电流值。
关键词：
A/D转换；单片机；LED动态显示
第1章绪论
数字电流表概况
数字电流表表具有变送、LED显示和数字接口等功能．通过对电网中各参量的交流采样。
经CPU进行数据处理。
将三相电流参数、频率等电参量由LED直接显示，同时输出0～5V、0—20mA或4—20mA相应的模拟电量，与远动装置RTU相连；并带有RS-232或485接口．与微机进行数据交换；具有设置显示倍率、多路变送、多量显示的组合功能。
按信号形式分：
电流表、电压表、频率表、温度表、功率表。
按被测量的数目：
单点表、多点表。
按功能分：
单纯显示、显示报警表、显示变送表、显示通讯表、显示记录表、多功能表等，以满足不同用户的使用要求。
数字电流表是一种更直观、更便捷的电流表，在工业生产中体现出了其优势。
数字电流表表具有变送、LED显示和数字接口等功能．通过对电网中各参量的交流采样，经CPU进行数据处理．将三相电流参数、频率等电参量由LED直接显示，同时输出0～5V、0—20mA或4—20mA相应的模拟电量，与远动装置RTU相连；并带有RS--232或485接口．与微机进行数据交换；具有设置显示倍率、多路变送、多量显示的组合功能。
本文研究内容
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。
本文将制作数字电流表，具有检测0～5A电流的能力，精度5%。
电路设计共分为单片机最小系统电路设计、电流检测电路设计、显示电路设计以及电源电路设计。
并使用汇编语言对单片机进行编程，并由数码管显示最终数据。
在设计中，采用运算放大器对电流采样，经A/D转换器，将电压模拟量转变为数字量，输出给单片机。
单片机通过运算，将结果通过I/O口传递给3个8位共阴极LED数码管，数码管采用动态扫描工作方式，以显示最终的数值。
第2章
CPU最小系统设计
数字电流表总体设计方案
本文将设计数字电流表，数字电流表的过程原理图如下：
图过程层原理框图
采样电流部分：
对待检测的电流信号进行采样，同时，由于考虑到AD转换需要输入电压信号，因此将电流信号经过集成运算放大器转化成电压信号后，再输入到AD转换器中。
AD转换部分：
采用ADC0809进行模数转换，并用74LS373锁存。
AD转换是整个设计的核心部分，它涉及到精度的控制，以及数据的转换。
单片机计算部分：
由ADC0809转换后的数字量通过I/O口传送到89C51单片机中，通过计算得到的电压数值，推算出被检测电流的数值，并将数值传送到LED显示模块。
LED显示部分：
89C51控制8位数码管，将计算后得到的结果在LED上显示。
CPU的选择
本文中选用的单片机型号为89C51。
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1）片内4KBFlashROM程序存储器；
2）128B的片内数据存储器；
3）有4个并行I/O接口分别为P0、P1、P2和P3口，每个I/O接口有8条可单独编程的I/O线；
4）5个中断源，2个中断优先级；
5）2个16位的定时/计数器；
6）21个特殊功能寄存器；
7）可编程串行口。
具体说明40只引脚其功能如下：
VCC：
电源。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）
图89C51单片机引脚图
数据存储器扩展
结89C51片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅仅依靠这128B的数据存储器是远远不够的。
这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。
89C51单片机最大可扩展64KBRAM。
单片机采用89C51，地址锁存器采用74ALS373，数据存储器采用6264。
74ALS373为三态输出的八D透明锁存器，它带有清除端，只有清除端CLRAR为高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，且为上升沿锁存。
当允许控制端OE为低电平时，Q0~Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或者总线。
当OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
6264数据存储器，是8K×8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功耗200mW典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。
图CPU与数据存储器的硬件原理图
复位电路设计
单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得RESET引脚上出现24个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。
为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持100ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。
当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高点平。
该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。
在RESET复位引脚上接一个去耦电容。
在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使RESET端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
（如图所示）
图复位电路硬件连线图
时钟电路设计
现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。
时钟信号可以有两种方式产生：
内部时钟方式和外部时钟方式。
89C51单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图所示。
外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHz。
为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。
内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。
图时钟电路硬件连线图
CPU最小系统图
在经过数据存储器扩展、复位电路设计、时钟电路设计后，构成了单片机最小系统硬件电路图，如图：
图单片机最小系统硬件连线图
第3章数字电流表输入输出接口电路设计
电源电路设计
单片机的电源电路一般由USB接口提供+5V的工作电压，驱动单片机工作，图提供了一种可为单片机供电的电源电路设计方案。
图电源电路
采样待测电流
由于ADC0809只能将电压的模拟量信号转变为数字量信号，所以要将待测的电流信号转换成电压信号，本文采用集成运算放大器，具体电路如图所示：
待测电流经分压电阻R流入一个阻值很小的电阻R0（Ω），R0另一端接地，R0则会产生一个微弱的电压信号，输入由运放AR1、R1、R2构成的比例放大电路中。
此时的电压与输入电压反相，故将Var1通过AR2进行反相，则输出的Vo=100Vi
这样，就将待测的电流信号成功转化成了电压信号。
图电流、电压信号转换
数字电流表检测接口电路设计
A/D转换器选择
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。
其主要特性如下：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
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。
ADC0809典型时钟频率为640KHZ，每一通道的转换时间需要66～73个时钟脉冲，约为100ms。
在启动ADC0809后，EOC大约在10us后才变为低电平。
ADC0809与单片机接口十分简单。
89C51单片机通过地址线和读、写信号来控制转换器模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许，ALE为其地址锁存控制信号。
八个模拟输入通道（IN0～IN7）的地址分别为7FF8H～7FFFH。
模拟量检测接口电路图
由CPU、AD转换器等电路连接而成的完整的模拟量检测电路如图示。
输入电压信号经ADC0809转换后输出到89C51单片机中，以进行下一步的计算。
图模拟量检测接口电路
人机对话接口电路设计
键盘设计
在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应用系统中应设有键盘，包括数字键、功能键和组合控制键等。
这些按键或者键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
当所设置的功能键或数字键按下时，单片机应用系统应完成该按键所设定的功能，因此，键盘信息输入是与软件结构密切相关的。
CPU对键盘操作的响应要满足实时性，即及时发现键盘操作，及时做出响应，因此，键输入接口与软件应可靠而快速地实现键信息输入与键功能任务。
单片机应用系统中，键盘与CPU的连接方式可以分为独立式按键和矩阵式键盘。
这次设计数字电流表所需要的按键数量较少，因此选用独立式按键方式。
独。
立式按键电路如图所示
独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
显示器设计
数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。
有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。
共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起，又称为公共端。
共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共商。
阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。
通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点位段。
而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。
即，所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。
数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。
静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。
动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。
利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，
当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。
图数码显示电路图
第4章数字电流表软件设计
软件实现功能综述
单片机得到经A/D转换器转换后的电压信号，由待测电流值与电压信号的关系可知，单片机中软件部分需要将接收到的数字量除以5，便可得到所检测的电流信号的数值。
流程图设计
主程序流程图设计
图主程序流程图
主程序由初始化部分、调用A/D转换子程序和相应外部中断显示电流数值程序组成。
其中初始化部分包含存放通道的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。
另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，00H位通过单路、循环按键控制。
主程序流程图如图所示。
模拟量检测流程图设计
N
Y
图模拟量检测流程图
A/D转换子程序用于对ADC0809的4路输入模拟电流进行A/D转换，并将转换的数值存入4个相应的存储单元中，A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，即隔一段时间对输入电流采样一次，如图。
单片机处理流程图设计
单片机处理过程需要将接受到的数字量除以5，即得到待测电流的实际值，再将计算后的数值传送给LED显示。
流程图如图所示
图单片机处理流程图。
第5章系统设计与分析
系统原理图
系统原理图如图所示：
图系统原理图
系统原理综述
本次设计的数字电流表，以AT89C51单片机和ADC0809转换器为基本结构，主要分为信号采样、A/D转换和显示三个模块。
在信号采样模块，电流通过微小电阻后产生一个微弱的电压信号，经放大电路将该电压放大100倍后作为A/D转换器的模拟量输入。
输入的模拟量在 A/D转换模块，经过转换后成为数字量输入到单片机中进行运算。
单片机经过计算后，将计算结果通过I/O口传输到LED数码管，数码管采用动态扫描方式，分别由8个段选和3个位选控制，显示待测电流的大小。
第6章课程设计总结
本文课题题目为《数字电流表的设计》，设计主要需实现对0～5A电流的检测，并通过数码管显示相应的电流数值，电流检测精度%，故需要显示两位有效数字。
为解决这一问题，本文设计了单片机（89C51）最小系统（包括时钟电路、复位电路、数据存储器扩展）、电源电路、信号采集及放大电路、A/D转换电路、LED显示电路，来实现功能。
经过设计调试后，效果基本实现，对电流的检测均可正常完成。
这次课程设计过程中，掌握了设计基于AT89C51单片机的数字电流表的方法和步骤，巩固和扩充了单片机原理及接口技术课程的相关知识，并且锻炼了运用Protel99SE软件进行电路图设计和系统调试与仿真的能力。
参考文献
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社李泉溪编著单片机原理与应用实例仿真北京航空航天大学出版
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