数字冲击电流计设计-毕业设计

PAGE20数字冲击电流计设计学生：指导教师：内容摘要：本设计是基于51系列的单片机进行的数字电流表设计，可以进行电流的数字计数，并在液晶显示器上显示。数字电流表的设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。硬件部分主要由AT89C51单片机，TLC549模数转换器，液晶显示器电路，以及电流采样电路等组成。程序采用C语言编写，可移植性强。本电流表各模块之间使用标准信号进行传输的，这些标准信号都符合国际标准。国际电工委员会在1973年四月第65次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号标准，过程控制系统的模拟直流信号为4到20MA，模拟直流电压信号为1到5伏，我国的DDZ-3型电动单元组合仪表采用了国际的信号标准。关键词：电流采样A/D转换器放大器AT89C51单片机DigitalDesignquantometerAbstract:Thisdesignisbasedonthedesignofdigitalammeter51seriesMCUcanbecurrentdigitalcount,anddisplayedontheLCDmonitor.Thedesignprocessofdigitalammeterconcurrentdesignofhardwareandsoftware.ThehardwarepartismainlycomposedofAT89C51microcontroller,TLC549ADC,LCDcircuits,andcurrentsamplingcircuit.ProgramusingClanguage,portability.EverypartofthedigitalammeterusesthestandardsignalwhichisinlinewiththeInternationalStandardsfortransmission.TheIECmadetheInternationalStandardsfortheunitedtransportedsignalonthe65thtechnologycommitteeinApril,1973.TheSimulationofDCsignalofsystemofprocessioncontrolisbetween4MAand20MA.TheSimulationofDCvoltagesignalisbetween1Vand5V.SingalofthedomesticDDZ-3ElectricunitofCombinationofinstrumentsusestheInternationalStandards.Keywords:CurrentsamplingA/DconverteramplifierAT89C51microcontroller.

目录前言 11选题背景 11.1电流计的分类 11.1.1圈转电流计 ...11.1.2冲击电流计 21.1.3光电放大式电流计 31.2电流计的灵敏度 31.3电流计的运动特性 31.4冲击电流计的工作原理 31.5设计要求 42设计原理与结构框图 52.1设计原理 52.2结构框图 53硬件电路设计方案 53.1I/U转换电路原理 53.2AT89C51单片机 63.3TLC549模数转换芯片 83.4内接时钟部分 93.5显示部分 93.6上拉电阻部分 104仿真电路图 115软件设计 115.1程序框图 115.2仿真控制原理及仿真图 126设计结果分析 137结束语 13附录1：原件清单 15附录2：控制系统框图 16附录3：程序流程图 17附录4：编写程序 18参考文献： 19 数字冲击电流计设计前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AT89C51单片机定时器以及TLC549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选题背景1.1电流计的分类电流计又称检流计，如图1.1-1所示，指在电磁测量比较法中，用作检查微小电流或微小电压是否存在的指零仪表，或经临时校准后指示其量值的仪表。分为三类：圈转电流计、冲击电流计、光电放大式电流计。图1.1-1电流计1.1.1圈转电流计利用永久磁铁的磁场对载流线圈作用的原理制成的一种电流计。它的主要结构有固定的永久磁铁和活动的线圈。在图1中，动圈由悬丝（或带）悬挂，悬丝除了提供微小的恢复力矩外，还用作通入动圈电流的引线，动圈的另一引线是下螺旋，在动圈的上端装有反射小镜，利用它对光线的反射来指示活动部分的偏转。在距小镜一定距离处安装一标尺，由小灯产生的狭窄光束投向小镜，经小镜反射到标尺上，形成明晰的光标，以指示活动部分的偏转角。这种电流计的灵敏度很高,但极易受外界振动的影响,使用时应将它固定安装在稳固位置或坚实墙壁上，所以又称为墙式电流计。常用作灵敏电桥和电位计的平衡指示器。一般电桥上装的电流计，实质上是一个下标量值的圈转微安计。圈转电流计示意图如图1.1.1-1所示。图1.1.1-1圈转电流计结构示意图1.1.2冲击电流计它的结构原理与圈转电流计相同，可用来测量微小短暂脉冲电流所迁移的电荷量。它被广泛应用于磁测量中，也可用于测量电容和高电阻等。冲击电流计可动部分的转动惯量较大，其自由振荡周期较长，而脉冲电流通过的时间比电流计的振荡周期短得多，可以认为脉冲电流全部流过电流计后，电流计才开始偏转。结果通过的脉冲电荷量正比于第一次最大的摆角。冲击电流计的技术特性一般用电荷量灵敏度（或电荷量常数，它等于电荷量灵敏度的倒数）和振荡周期来说明。电荷量常数可达10-9库/分度，振荡周期可达20～30秒。冲击电流计如图1.1.2-1所示。图冲击电流计1.1.3光电放大式电流计 圈转电流计本身的结构特点和空气中布朗运动的影响，限制了灵敏度的提高。采用光电放大原理制成的光电放大式电流计可以使电流灵敏度进一步提高。其电流计常数达10-11安/分度，而且具有稳定可靠、使用方便等优点，目前在精密电测技术中已广泛应用。1.2电流计的灵敏度电流灵敏度通常是以在标准镜尺距下单位被测电流给出的偏转格数来确定的，它说明圈转电流计的技术特性，它的大小与活动线圈所在处的磁场强弱和线圈面积、匝数及悬丝的弹性有关。电流灵敏度的倒数叫做电流计常数。电压灵敏度是指电流灵敏度和全临界电阻的比值。1.3电流计的运动特性电流计的活动部分本身具有一定的惯性，在测量过程中它由运动状态到达最后的稳定位置需要有一个过程，这个过程统称为阻尼运动。在不同的阻尼情况下电流计的活动部分有不同的运动特性,其特性曲线在阻尼很小时，它将围绕最后稳定位置作减幅摆动,经过相当长的时间才逐渐静止在最后稳定位置,称为欠阻尼运动；在阻尼很大时，则电流计活动部分将不摆动而缓慢到达最后稳定位置，这种状态是过阻尼运动；如果阻尼由小增大到某一数值时，活动部分以最短时间趋于终点而不越过终点位置，这种状态称为临界阻尼运动。电流计阻尼作用的强弱是和外接电路的电阻大小有关的，因为动圈在磁场中运动时由于切割磁感应线会产生感应电动势，引起与外接电阻大小有关的电流，它和永久磁铁的磁场相互作用产生阻尼力矩，使电流计正好工作在临界阻尼运动情况下的外接电阻的值，称为外临界电阻。电流计应该运用在临界阻尼或微欠阻尼情况下，否则应接入分流器或附加电阻以相匹配，但灵敏度会有所下降。1.4冲击电流计的工作原理冲击电流计的结构与灵敏电流计相似，都属于磁电式检流计，它的结构特点，也就是它与一般灵敏电流计的区别在于它的线圈扁而宽或带一圆盘形重物，如图1.4-1所示。图1.4-1冲击电流计与灵敏电流计从而使线圈的转动惯量J较大，自由振荡周期T0较长（DJTπ20=，式中D为线圈悬丝的扭转系数），普通磁电式检流计的T0约为3—5s，而冲击电流计的T0约为20s。正因为冲击电流计具有T0大这一特点，所以可用来测量短时期内脉冲电流所迁移的电量，以及与此有关的其它测量，如磁感应强度、高阻、电容的测量等。当时间间隔τ很短（τ≤1/20T0）的脉冲电流通过线圈时，则线圈的运动有以下特性：★在脉冲电流通过的时间内，线圈虽有一角速度，但还来不及偏转，线圈仍处于静止状态。★当圈开始偏转时，脉冲电流已经通过完毕。利用以上的特性，由电磁理论可以推出，冲击电流计线圈在脉冲电流作用下第一次最大偏转角θmax与通过线圈的总电量q成正比。在冲击电流计的标尺与线圈上的小圆镜之间的距离较远（如1米）的情况下，小圆镜光标在标尺上的偏转距离与线圈的偏转角成正比，因此冲击电流计光标第一次最大偏转距离dmax正比于通过线圈的总电量q，即q=Cqdmax或dmax=Sqq（1.4-1）式中比例系数Cq称为电量冲击常数，Sq＝1／Cq称为电量冲击灵敏度，Cq和Sq都与电流计的装置、外电路的电阻有关。（4－13－1）式告诉我们，已知Cq或Sq，由冲击电流计最大偏转值dmax可以求出通过电流计的电量q。1.5设计要求★AT89C51单片机可以设计并实现数字电流表的设计及其相关功能。通过本次设计了解并掌握51系列的单片机的结构及其使用方法，同时掌握KeilC51和Proteus的结进行单片机系统的软件设计和硬件的仿真调试以及增强自己对工程项目的设计能力。★测量电流范围在0mA—12mA。★通过改变输入电压值来改变电流大小。2设计原理与结构框图2.1设计原理8路数字电流表主要利用A/D转换器，其过程如下：先用A/D转换器对各电流值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成比例关系运算得到相应的模拟电流值，然后把模拟值通过数码管显示出来。设计时假设待测的输入电流为8路，电流值的范围为0—12mA,要求能在LCD数码管上显示。2.2结构框图如图2.2-1所示I/U转换电路TLC549TLC549单片机AT单片机AT89C51LCD数码显示LCD数码显示图2.2-1结构框图3硬件电路设计方案3.1I/U转换电路原理被检测电流通过OPA07转换放大成0~5V的电压值，通过电压跟随器稳定电压送入A/D转换模块，由数据测得U-I的对应关系：K=U/I，其中U的单位为V，I的单位为mA。转换模块如图3.1-1所示.图3.1-1I/U转换模块3.2AT89C51单片机AT89C51是一可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚结构如上图3.2-1所示。图3.2-1AT89C51单片机管脚说明：VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示:P3.0:RXD（串行输入口）P3.1:TXD（串行输出口）P3.2:INT0（外部中断0）P3.3:INT1（外部中断1）P3.4:T0（记时器0外部输入）P3.5:T1（记时器1外部输入）P3.6:WR（外部数据存储器写选通）P3.7:RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP—当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。3.3TLC549模数转换芯片TLC549芯片共有8个引脚，如图3.3-1所示。图3.3-1TLC549芯片管脚说明：4、8脚为电源输入和接地，没有输出；2脚AIN连接可调电位器RP2的滑动端，可以实现模拟采样电压的输入；1、3脚为参考电压输入，其中1脚的REF（+）端连接+5V，3脚接地；5脚CS为片选信号，连接单片机的RD引脚；7脚为时钟信号的输入，连接单片机的T1引脚；6脚为转换后的输出串行数据，连接单片机的WR引脚。3.4内接时钟部分系统采用内部时钟的方式。51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2分别是这个放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器X1、及两个22pF的电容C1、C2连接起来然后接地，这就构成了内部自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，连接方式如图3.4-1所示。图3.4-1内接时钟部分3.5显示部分1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。LMO16L显示器如图3.5-1所示。图3.5-1LMO16L显示器管脚1：VSS一般接地管脚2：VDD接电源（+5V）管脚3：V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。管脚4：RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。管脚5：R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。管脚6：EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。管脚7：DB0低4位三态、双向数据总线0位（最低位）管脚8：DB1低4位三态、双向数据总线1位管脚9：DB2低4位三态、双向数据总线2位管脚10：DB3低4位三态、双向数据总线3位管脚11：DB4高4位三态、双向数据总线4位管脚12：DB5高4位三态、双向数据总线5位管脚13：DB6高4位三态、双向数据总线6位管脚14：DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）管脚15：BLA背光电源正极管脚16：BLK背光电源负极3.6上拉电阻部分采用RESPACK-8做上拉电阻，RESPACK-8是由一系列相同阻值（或等差或等比阻值）的电阻排列在一起，一端联接成公共端其它端各自引出；或串接一起，各接点分别引出的排电阻；排阻也叫网络电阻。RESPACK-8的结构及内部结构分别如图3.6-1、图3.6-2所示。图3.6-1PESPACK-8引脚结构图3.6-2PESPACK-8内部结构4仿真电路图Proteus仿真图如图4-1所示：图4-1Proteus仿真电路图5软件设计5.1程序框图设计流程图如图5.1-1所示。开始开始调用LCD初始化子程序调用LCD初始化子程序A/D转换值清零A/D转换值清零设置LCDDDRAM地址，调用写入指令数据到LCD子程序设置LCDDDRAM地址，调用写入指令数据到LCD子程序调用延时子程序调用延时子程序LCD上显示“LCD上显示“ADC”图5.1-1设计流程图5.2仿真控制原理及仿真图电路左边为模拟电流采样电路。模拟电流进入TLC549模数转换器后，由模拟量转换为数字量。数字信号被送往51单片机内，做过处理后在LCD显示器上显示出来。调试仿真图如图5.2-1所示。图5.2-1仿真图6设计结果分析误差分析★被测电流回路接入测量点会产生一定的误差，导致测量电流小于实际值；★TLC549进行模数转换的过程中，采集的模拟数据转换为数字量时并不是一一对应的关系，部分数据可能丢失，从而产生一定的系统误差；★低电流测量精度受一系列会对测量精度造成影响的误差源决定。电流表都会产生一些小的电流源，即使在输入端开路时也是。这些偏置电流能够通过打开仪器电流抑制部分地消除。外部的电流泄漏是附加的误差源；因此，适当的防护或屏蔽是很重要的。被测器件的源内阻也会影响到电流表的噪声性能。另外，测试系统里还有一些外部生成的电流会加到被测电流上，引起误差。7结束语目前单片机的技术在测控系统、智能仪表、机器人、机电一体化以及家用电器等领域均得到了大量的应用，极大地推动了电子产业的发展。2006年，单片机的设计师也正式变成了我国的一种新职业。由于单片机及嵌入式系统在工业领域和日常生活中的应用日益广泛和深入，以及社会对单片机人才的大量需求，单片机已成为电子、计算机、信息、通信、电气、自动化、机电、数控等各工科专业学生必须要掌握的一门基本技术。智能化微机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用己经渗透到国民经济的各个部门。不但国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业，就连在日常生活中也得到广泛的应用。在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机作为测量仪器的主控制器，从软件和硬件方面出发设计出可与上位计算机进行通信的新型冲击电流计系统。在这次的设计中，首先我根据老师的提示在图书馆借设计书然后设计电路图，同时用Multisim软件进行仿真以验证电路图的正确与否。我们通过仿真软件反复对电路中的各种元件和参数进行调整和改进，直到最终基本符合了实验要求，在这个过程中我不仅仅熟悉了Multisim软件的使用，而且更加深了我们对电路工作原理的理解，为接下来我撰写论文打下了一个很好的基础。在本次设计中，我从开始的几乎什么也不懂一直到设计出此次设计的过程中学到了大量单片机等相关知识。刚开始通过各种途径搜索了大量相关资料，然后再对这些资料进行学习，才总结出自己设计数字冲击电流计的思路和流程。最后通过Proteus仿真软件设计出数字冲击电流计的硬件基础，通过Keil软件开发出数字冲击电流计的软件基础。单片机在现实生活中有很大的的实用价值，学好这们课程非常关键，可以让自己的知识储备更加丰富，而这次课程设计正好提供了一个很好的机会加深对单片机知识的掌握。通过这次课程设计，我对proteus以及Keil