电流测量模块的设计毕业论文.doc

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电流测量模块的设计毕业论文

目录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

1.1课题研究问题 1

1.2课题背景及意义 1

2背景知识介绍 3

2.1单片机发展详细介绍 3

2.1.1单片机的工作原理 4

2.1.2单片机的基本特点 5

2.2A/D转换器的介绍 6

2.2.1A/D转换器的工作原理 6

2.2.2A/D转换器的基本特点 7

3系统硬件设计 8

3.1系统整体设计方案 8

3.2主控制器模块设计 9

3.3转换模块设计 12

3.4数据采集模块的设计 14

3.5显示模块设计 16

3.6电流测量模块的设计系统仿真图 19

4系统软件设计 20

4.1系统主控程序设计 20

4.2数据采集处理程序设计 21

4.3显示模块程序设计 22

5测量结果显示 23

6调试与总结 23

致谢 24

附录 25

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。

模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。

转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。

在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。

2.2.1A/D转换器的工作原理

随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。

数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。

模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D（AnalogtoDigital）转换；完成模数转换的电路被称为A/D转换器，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）。

数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，简称D/A（DigitaltoAnalog）转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。

模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。

为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。

同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。

因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。

模数转换过程包括量化和编码。

量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。

编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。

最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数）,可依次逐个编号。

模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。

直接法是直接将电压转换成数字量。

它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。

控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。

先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若Vin

然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程，直到使D0=1，再与Vin相比较,由Vin>VS还是Vin

经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。

这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。

它在计算机接口电路中用得最普遍。

间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。

常用的有电压-时间间隔（V/T）型和电压-频率（V/F）型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。

模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。

用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。

2.2.2A/D转换器的基本特点

A/D转换器的基本特点是：

（1）分辨率高。

（2）功耗低。

（3）价格低。

（4）需要外部计数电路共同完成A/D转换。

3系统硬件设计

3.1系统整体设计方案

本设计主要完成电流测量模块的设计。

硬件部包括数据采集模块、主控制器模块、显示模块、转换模块四大组成部分。

其中，数据采集部分由交、直流输入电路组成；软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部功能。

能够测量出0—10A的交、直流电流，并且通过数字显示。

本系统由主控制器模块、数据采集模块、转换单元模块、显示模块组成。

如图2.1所示：

数据采集模块

显示模块

主控制器模块

转换模块

图1

图3.1电流测量模块的设计系统框图

3.2主控制器模块设计

3.2.1主控制器的选择

选择单片机型号的出发点有以下几个方面：

1、单片机性能

应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。

单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。

影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。

2、研制周期

在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。

与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。

其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。

AT89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

所以主控单元拟采用AT89C52作为主控制器。

3.2.2AT89C52

89C52行输出操作时，CPU通过内部总线把数据写入锁存器。

而89C51执行输入操作却有两种方式；当执行的是读锁存器指令时，CPU发出读锁存器信号，此时锁存器状态由触发器的Q端经锁存器上面的三态输入缓冲器1送入内部总线；如果执行的是读端口引脚，则CPU发出的是读引脚控制信号，直接读取端口引脚上的外部输入信息，此时引脚状态经锁存器下面的三态输入缓冲器2送入内部总线。

在89C52无片外的扩展存储器的系统中，这四个端口都可以作为准双向通用IO口使用。

P0口的输出级与P1-P3口的输出级在结构上是不同的，因此，它们的负载能力和接口要求也各不相同。

P0口与其他口不同，它的输出级无上拉电阻。

用作输入时，应先向口锁存器80H写1。

把它当作地址/数据总线时，则无须外接上拉电阻。

P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。

P1-P3口的输出级接有内部上拉电阻，它们的每一位输出可驱动4个LS型TTL负载。

作为输入口时，任何TTL或NMOS电路都能以正常的方式驱动89C52单片机的P1-P3口。

由于它们的输出级具有上拉电阻，所以也可以被集电极开路所驱动，而无须外接上拉电阻。

对于89C52单片机，端口只能提供几毫安的输出电流，故当作输出口去驱动一个普通晶体管的集极时，应在端口与晶体管基极间串联一个电阻，以限制高电平输出时的电流。

P1-P3口也都是准双向口。

电源引脚Vcc和Vss。

Vcc（40脚）：

电源端，为+5V。

Vss（20脚）：

接地端。

3.2.2AT89C52最小系统

单片机最小系统包括：

（1）复位电路、

（2）晶振电路、（3）电源电路。

（1）复位电路：

复位操作一般有两种基本形式，一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。

复位电路接单片机的9管脚。

（2）晶振电路：

单片机的时钟信号通常有两种产生方式：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

晶振电路接单片机的18、19管