1、 1基于单片机的电流电压测量系统设计摘 要：本次设计所提供的是基于单片机的电压电流测量系统软硬件的设计。电学参量测量技术设计范围广，能应用的领域也十分广泛。随着电子技术的发展，在数字化、智能化、科技化为主的今天,数字电压、电流表以成为电压、电流表设计的主要方向，并且有非常重要的地位。关键词：单片机，应用领域，设计Abstract: The design is provided by SCM-based voltage and current measurement system hardware and software design. Electrical parameter measure
2、ment techniques designed a wide range of application areas can be very extensive. With the development of electronic technology, in digital, intelligent, technology-based today, the digital voltage meter to a voltage, current meter design of the main direction, and there is a very important position
3、.Keywords: MicroController Unit, Applications, Devise2目录1 前言 .21.1 电子测量概述 .21.2 数字电压表的特点 .31.3 单片机的概述 .32 系统方案的选择与论证 .42.1 功能要求 .42.2 系统的总体方案规划 .52.3 各模块方案选择与论证 .52.3.1 控制模块 .52.3.2 量程自动转换模块 .62.3.3 A/D 转换模块 .62.3.4 显示模块 .62.3.5 通信模块 .73 系统的硬件电路设计与实现 .73.1 系统的硬件组成部分 .73.2 主要单元电路设计 .83.2.1 中央控制模块 .83
4、.2.2 量程自动转换模块 .93.2.3 A/D 模数转换模块 .133.2.4 显示模块 .153.2.5 通信模块 .153.2.6 电源部分 .164 系统的软件设计 .174.1 软件的总体设计原理 .174.1.1 A/D 转换程序设计 .184.1.2 数字滤波程序设计 .184.1.3 量程自动转换的程序设计 .205 系统调试及性能分析 .225.1 调试与测试 .225.2 性能分析 .226 结束语 .236.1 设计总结 .236.2 设计的心得 .237 致谢词 .24附录 .25附录 1 参考文献 .25附录 2 系统总电路图 .26附录 3 源程序 .2731 前
5、言1.1 电子测量概述从广义上讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电子学中测量有关电量的量值。与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；量程很广；测量准确度高；测量速度快；易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。微机的出现为解决上述问题提供了条件。利用微机的记忆，存储，数学运算，逻辑判断和命令识别等
6、能力，发展了微机化和自动测试系统。近年来微机和大规模集成电路发展很快，价格大幅下降，同时在测试系统中还解决了通用接口母线标准化问题，使微机化仪器和自动测试系统得到了很大发展，正改变着电子测量的面貌。1.2 数字电压表的特点1.读数直观、准确电压表的数字化，是将连续的模拟量(如直流电压)转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。2.显示范围宽、分辫力高指针表的分辫力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得很细，太细了视觉分辫也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从2（1/2）到10（1/2） 。3.输入阻抗数字
7、电压表的输入阻抗可高达(110000)M。输入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形成大规模或超大规模集成电路。这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全4部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。5.可扩展能力强直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等
8、，还可以附加智能化。例如:计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。 1.3 单片机的概述单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU） 、存储器（ROM、RAM、EPROM）和各种输入、输出接口，这样一块集成电路芯片上具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1 位单片机、4 位单片机、8 位单片机、16 位单片机和 32 位单片机。并且其发展历史可分为以下四个阶段：第一阶段：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形势而且功能比较简单。例如，仙童公司生产的 F8 单片机，实际上只包括了 8 为 CP
9、U，64 B RAM 和 2 个并行口。因此，还需加一块 3851 才能组成一台完整的计算机。第二阶段：低性能单片机阶段。以 Intel 公司制造的 MCS-48 单片机为代表，这种单片机片内集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、8 位定时器/计数器、RAM 和 ROM 等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内 RAM 和 ROM 容量较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有 I/O 口，多级中断系统，16 位定时器/计数器，片内 ROM、RAM 容量加大，且寻址范围可达 64KB，有的片内还带有 A/D 转换器。这类单片机的典型代表是
10、：Intel 公司的 MCS-51 系列、Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。第四阶段：8 位单片机巩固发展及 16 位单片机、32 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机、32 位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。52 系统方案的选择与论证2.1 功能要求使用 AD/DC 模数转换模块把模拟量转换成数字量，再采用 AT89C52 单片机进行电压、电流表的计算和显示，并将数据发送给 PC 机，要求进行硬件
11、，软件系统设计。1、4 位电压、电流显示2、8 个档位自动调节3、电压范围 01000V4、电流范围 05A5、能串口发送给计算机，并以适时波形显示2.2 系统的总体方案规划本设计主要由五大模块组成：量程自动转换模块、A/D 模数转换模块、单片机控制模块、显示模块和通信模块。按系统功能实现要求，控制模块采用 AT89C52 单片机，通过程序来进行电压、电流的计算等数据处理，及其功能控制；量程自动转换模块包括电压衰减和 8 个档位自动换档，采用纯硬件搭建；A/D 转换模块采用 ADC0809 芯片；显示模块采用四个 LED 数码管静态显示电压、电流值。通信模块采用串口通信将数据发送给 PC 机。
12、使用 MAX232 芯片，实现电平转换功能，使单片机的 TTL 电平与 RS232的电平实现匹配。如图 2.1 所示：图 2.1 系统总体框图62.3 各模块方案选择与论证2.3.1 控制模块中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。对中央处理器的选择多种多样，本设计采用 ATMEL 公司生产的 AT89S52 系列的单片机作为主控制器。它支持 ISP 在线可编程写入技术！串行写入、其频率高达 33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。稳定性更好。AT89S52 高性能 8 位单片机是一个低功耗，高性能
13、CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/
14、输出（I/O）口，5 个中断优先级2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.3.2 量程自动转换模块方案一、采用软件编程技术。特点：硬件简单，但编程复杂。方案二、采用纯硬件搭建技
15、术。利用一些廉价的元器件组成量程自动转换电路，特点：所用硬件多，但成本低，且不需要复杂的软件编程及调试。考虑到本次设计所需硬件较少，且所用元器件容易购买，成本低。故采用方案二2.3.3 A/D 转换模块方案一、采用双积分 A/D 转换技术。特点是：精度高，抗干扰能力强。但高精度的双积分 A/D 芯片，价格较贵，增加了单片机系统的成本。7方案二、采用比较型 A/D 转换器（ADC1210） 。特点是：测量速度快（最高可达每秒 100 万次以上） ，电路比较简单，但抗干扰能力差。方案三、采用逐次逼近型 A/D 转换器（ADC0809） 。特点是：价格便宜，容易购买，但精度较低。ADC0809 是
16、8 位逐次逼近型 A/D 转换器。带 8 个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器。考虑到成本低，因而选用方案三。2.3.4 显示模块方案一、采用 LCD 显示。特点：显示内容丰富，采用数字式接口，体积小、重量轻，功率消耗小，但编程复杂，且成本相对 LED 较高。方案二、采用 LED 并行动态显示。即一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。其硬件电路简单，但同样的功率驱动下，显示亮度不及静态显示，且占用 I/O 口较多。方案三、采用 LED 串行静态显示。即显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止，这种方式每一个显示位都需要一个 8 位输出口控制，占用硬件较
17、多，但仅占用控制器串口的两个 I/O 口，软件实现简单，显示亮度高，成本低。LED 数码管显示器由 7 个发光二极管组成，因此也称之为 7 段 LED 显示器，因为LED 数码管显示成本较低，外加一个驱动芯片，所需单片机接口较少，且程序容易实现。故考虑到本次设计的需要，只要显示 4 位电压、电流值，采用方案三，使用 4 个共阳数码管及 4 个驱动芯片 74LS164。2.3.5 通信模块 方案一、采用并行通信方式。所传送的各位同时发送或接收。一个并行数据占多少位二进制数，就要多少根传输线，这种方式的特点：通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输。方案二、采用串行通信方式。所传送的数据的
18、各位按顺序一位一位地发送或接收。这种方式的特点：由于它每次只能传送一位，所以传送速度较慢。但它仅需要一到两根传输线，故传输数据时比较经济，且所占 I/O 口少。本次设计是单片机与 PC 机的通信，要采用 MAX232 电平转换电路，可将单片机的TTL 电平转换为 PC 机的串口电平。使单片机的 TTL 电平与 RS232 的电平实现匹配。故采用方案二。经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：8（1）控制器模块：采用单片机 AT89S52 控制。（2）量程自动转换模块：采用纯硬件搭建。（3）A/D 转换模块：采用逐次逼近式 ADC0809 转换器。（4）显示模块：采用 LED 串行静
19、态显示。（5）通信模块：采用串口通信。 3 系统的硬件电路设计与实现3.1 系统的硬件组成部分系统硬件主要由中央控制模块、量程自动转换模块、A/D 转换模块、显示模块和通信模块组成。总原理图如图 3.1 所示:图 3.1 系统总体原理图3.2 主要单元电路设计3.2.1 中央控制模块本设计主要以 AT89S52 单片机最小系统为核心。其 P1 口为电压信号通过 A/D 转换后所得数字量的输入端， P2.6、P2.7 为单片机的模拟串口，分别连接 74LS164 的 RXD9和 TXD 端。是 CPU 送数据到 LED 显示的接口；P0.0、P0.1、P0.2 分别接一个发光二极管，三个二极管亮
20、灭的不同组合对应不同的量程。同时 P0.3 也接一发光二极管，当二极管亮时，表明待测信号超过了量程范围。 ALE 端口经芯片二分频接至 ADC0809 的CLK 端。P3.7 接 ADC0809 的启动控制输入端口 STAR 和地址锁存控制信号端口ALE，P3.6、P3.5 分别连接 ADC0809 的输出允许控制端口 OE、转换结束信号脉冲输出端口。P3.0 ，P3.1 口连接串口通信模块。其原理图如图 3.2 所示：图 3.2 中央控制器原理图3.2.2 量程自动转换模块量程自动转换电路框图如图4所示被测量程判断器判断出被测量的范围，相应的量程信号输入到档位选择器。 档位选择器根据量程信号
21、将档位自动调至适当的量程并将输入值自动地选择合适的增益或衰减处理后送至A/D转换器，实现整个量程的自动转换功能。如图4.3所示 图3.3 量程自动转换框图（1） 电路设计的总体要求10电路设计的基本要求是在不降低测量精度的条件下实现量程的自动转换。 因此在设计电路时需要考虑以下几方面的要求：1)输入值量程判断器的阻抗。要求在进行电压测量时具有高阻抗，进行电流测时具有低阻抗。2)输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断力。由于被测范围较大，因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击，又要求在超量程值时对档位转换电路进行关断。当输入量低于表内的测量精度时，也要求将档位选
22、择器关断。否则，当测量仪表断开时，没有输入量，而输入值量程判断器则认为此时的输入量在最小量程的档位上，当仪表接通待测量时，待测量大于最小量程档位的范围时，档位选择电路及其后级电路必定受到较大的冲击。所以，输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断，对是否小于最小量程的精度也有判断能力。3)电路安全要求。在本设计中，利用传输的延时，对档位进行从关断测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换，这样就使得电路在测量完高待测后就能顺利地进行对最低待测量的测量。4)成本及功耗问题。由于输入值判断器所判断出的值不是用来测量，而是用于转换量程档位，所转换出的数值不需要十分精确，故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。（2） 电路设计的实现1）量程判断电路的设计 。量程判断电路框图如图3.4所示。输入的被测量经分压电路分压，并经隔离电路后输入电压判断电路，再至档位选择器。图3.4 量程判断电路框图单量程的量程判断实现电路如图3.5所示：
