基于单片机的简易数字电流表设计文档格式.docx
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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公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，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）
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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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