1、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。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。关键字： 单片机 ，数字电流表 ，A/
2、D IIAbstractThe traditional current measurement generally use 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 s
3、ystem, the system including the minimum system module of the microcontroller, 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
4、microcontroller, the LCD1602 display the measured value through 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
5、 tested and runs well, has some practical value and promotional value.Keywords: single-chip ,digital ammeter, A / D, rectifier circuiIII目 录1 绪论 .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 .42.2 A/D 转换器的介绍 .52.3 A/D 转换器的工作原理 .52.4 A/D 转换器的基本特点 .73 系统硬件设计 .8
6、3.1 系统整体设计方案 .83.2 主控制器模块设计 .83.2.1 主控制器的选择 .83.2.2 AT89C52 .103.2.3 AT89C52 最小系统 .113.3 转换模块设计 .113.3.1 A/D 转换器的选择 .113.3.2 ADC0809.113.3.3 ADC0809 转换电路 .123.4 数据采集模块的设计 .133.4.1 直流电流采集电路 .133.4.2 交流电流采集电路一 .133.4.3 交流电流采集电路二 .133.5 显示模块设计 .144 系统软件设计 .154.1 系统主控程序设计 .154.2 数据采集处理程序设计 .16IV4.3 显示模块
7、程序设计 .175 测量结果显示 .186 结论 .19参考文献 .20致 谢 .2111 绪论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
8、。通过数字电流表的设计方案，掌握了 C 语言的编程方，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，
9、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。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
10、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2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。32 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
11、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
12、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
13、，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
14、、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 64kB1。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4SCM 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,Micro Controll
15、er 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展道路时,不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。(3)SoC 单片机 (System On Chip)
16、,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
17、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。
18、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5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
19、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。(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 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)
20、 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，其性能价格比较好。2.2 A/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
21、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 3。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。 2.3 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
22、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6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(D
23、igital 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。
24、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。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。
