1、电流测量模块的设计1.本课题所涉及的问题及应用现状综述研究问题：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： 010A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。国内外发展状况: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
2、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 Silicon Labs 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。现代工业仪器仪表的发展，不但取决于产品技术水平，而且涉及工程应用技术。近年来，不少测控设备生产企业以及火电、石化、冶金等应用部门的科技型企业和工程公司在应用软件开发和系统集成技术等方面有了相当进展，通过承担国外控制系统和产品
3、的工程应用，掌握了一批大型工程和装置的自控应用技术。但随着国外现场总线、SOLUTION 、MIV 、EPC 等技术和工程总成方式的发展，我国自控系统及现场仪表进入大型工程的困难将进一步增加。与国外相比有如下差距： 差距一：产品可靠性差。现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性，我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正是在这方面。例如，我国自行研发的分散型控制系统(DCS) 和电磁流量计，这些产品的基本性能和功能已接近国际水平，但在可靠性和工程应用能力等方面尚有一定差距。差距二：数字化、智能化、集成化水平低 。现代工业仪器仪表的技术特点和趋势是数字化、智能化、网络化和集成化，而我
4、国产品一般常规品种居多，智能型产品刚刚起步。以核电控制系统及仪表集成为例，由于基础较弱，进入数字控制技术时代以后，差距更大。差距三：高新技术差 。国外的智能执行器已采用变频调速、新型电机、低工耗、微型压电陶瓷 I/P 转换器、蓝牙通信技术、智能化和现场总线等新技术，而国内才开始起步。 差距四：产品精密度低 。以质量流量计为例，国外的测量精度分为 4 个档次，精度最高并能测量气体的为 0.1 级，最普遍的为 0.15 级，而国内目前只能达到经济型的 0.2 级和适用型的 0.5 级。再如我国在加油站的计量仪表一般是 0.5%的精度，但是国外 30 万吨的油轮到我国交货的精确度要到 0.1%电流测
5、量模块的设计2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析需要重点研究的关键问题是：A、直流电流测量电路的设计。B、模数（A/D）转换与数字显示电路。解决的思路：A、直流电流的测量测量电流是根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图2.1图2.1 直流电流测量电路B、交流电流的测量电路数字万用表中交流电压、电流测量电路是在分压器或分流器之后串入了一级交流直流（AC-DC）变换器，如图（2.2）所示。图2.2 交流电流的测量电路C、模数（ A/D）转换与数字显示电路A/D 转换部分本系统采用了 ADC0808 芯片. ADC0808 是采样分
6、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。 ；显示电路方面采用了 LCD1602。1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也
7、有间隔起到了字符间距和行间距的作用。总结：本设计是基于 SAT89C52 单片机开发平台和自动控制原理的基础上实现的一种数字电流表系统。该系统采用单片机作为控制核心，通过发射极实现被测电流的数据采样；使用系列比较器检测输入电流的范围，并通过 A/D 转换实现了输入量程的自动转换；由 LCD1602 将电流信号显示出来 。电流测量模块的设计目 录摘 要 .IAbstract.II1 引言 .11.1 课题研究问题.11.2 课题背景及意义 .12 背景知识介绍 .32.1 单片机发展详细介绍 .32.1.1 单片机的工作原理 .42.1.2 单片机的基本特点 .52.2 A/D 转换器的介绍 .
8、62.2.1 A/D 转换器的工作原理 .62.2.2 A/D 转换器的基本特点 .73 系统硬件设计.83.1 系统整体设计方案.83.2 主控制器模块设计.93.3 转换模块设计.123.4 数据采集模块的设计.143.5 显示模块设计.163.6 电流测量模块的设计系统仿真图.194 系统软件设计 .204.1 系统主控程序设计 .204.2 数据采集处理程序设计 .214.3 显示模块程序设计 .225 测量结果显示 .236 调试与总结 .23电流测量模块的设计I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
9、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AbstractThe traditional current measurement generally use
10、 the ammeter and multimeter, but with the development of embedded technology and sensor technology, digital current measurement utility is increasingly widespread.This paper describes the design of the DC and digital current measurement system, the system including the minimum system module of the m
11、icrocontroller, the current acquisition modules, AD converter module, display module, the power management module. Through the input circuit AC and DC analog signal is sent to the ADC0809 into digital signals and then sent to the AT89C52 microcontroller, the LCD1602 display the measured value throug
12、h the P0 port; AC signal through the one-way bridge rectifier circuit of the AC signal into a DC signal by the ADC0808 converter. The paper also elaborates the corresponding system software design and system hardware.This system has been tested and runs well, has some practical value and promotional
13、 value.Key words: single-chip ,digital ammeter, A / D, rectifier circuit.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
14、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：010A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8
15、5C1 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 Silicon Labs 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。电流测
16、量模块的设计2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
17、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(Center Processing Unit,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
18、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
19、，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，象电流测量模块的设计3Zilog 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，
20、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（Single Chip Microcomputer）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
21、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（Micro Controller Unit）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
22、展道路时，不要忘记 Intel和 Philips 的历史功绩。 3.SoC 单片机(System On Chip)，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
23、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电流测量模块的设计4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
24、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
25、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
26、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 流水线电流测量模块的设计5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。2.2 A/D 转换器的介绍模数转换器即
27、 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
28、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。2.2.1 A/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(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称
29、为 A/D 转换器，简称 ADC(Analog to Digital Converter)。 数字量转换成模拟量的过程称为数模转换， 简称 D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为 D/A 转换器，简称 DAC(Digital to Analog Converter)。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
30、够快的电流测量模块的设计6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
31、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VinVS,则保留这一位；若 VinVS 还是 VinV 来决定是否保留这一位。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。2.2.2 A/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。
