基于AT89C51单片机的数字直流电流表的设计.docx

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基于AT89C51单片机的数字直流电流表的设计

基于AT89C51单片机的数字直流电流表的设计

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/D

Abstract

Thetraditionalcurrentmeasurementgenerallyusetheammeterandmultimeter,butwiththedevelopmentofembeddedtechnologyandsensortechnology,digitalcurrentmeasurementutilityisincreasinglywidespread.ThispaperdescribesthedesignoftheDCanddigitalcurrentmeasurementsystem,thesystemincludingtheminimumsystemmoduleofthemicrocontroller,thecurrentacquisitionmodules,ADconvertermodule,displaymodule,thepowermanagementmodule.ThroughtheinputcircuitACandDCanalogsignalissenttotheADC0809intodigitalsignalsandthensenttotheAT89C52microcontroller,theLCD1602displaythemeasuredvaluethroughtheP0port;ACsignalthroughtheone-waybridgerectifiercircuitoftheACsignalintoaDCsignalbytheADC0808converter.Thepaperalsoelaboratesthecorrespondingsystemsoftwaredesignandsystemhardware.Thissystemhasbeentestedandrunswell,hassomepracticalvalueandpromotionalvalue.

Keywords:

single-chip,digitalammeter,A/D,rectifiercircui

1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。

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0—10A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，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SiliconLabs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（CenterProcessingUnit，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，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、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[1]。

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SingleChipMicrocomputer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,MicroControllerUnit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（SystemOnChip）,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。

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]。

（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）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。

2.2A/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。

2.3A/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（AnalogtoDigital）转换完成模数转换的电路被称为A/D转换器简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）。

数字量转换成模拟量的过程称为数模转换简称D/A（DigitaltoAnalog）转换完成数模转换的电路称为D/A转换器简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。

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。

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。

图2.1A/D转换器原理图

2.4A/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。

3系统硬件设计

3.1系统整体设计方案

本设计主要完成电流测量模块的设计。

硬件部包括数据采集模块、主控制器模块、显示模块、转换模块四大组成部分。

其中数据采集部分由交、直流输入电路组成，软件部分应用单片机C语言，实现了本设计的全部功能。

能够测量出0—10A的交、直流电流，并且通过数字显示。

本系统由主控制器模块、数据采集模块、转换单元模块、显示模块组成。

如图3.1所示。

图3.1电流测量模块的设计系统框图

3.2主控制器模块设计

3.2.1主控制器的选择

选择单片机型号的出发点有以下几个方面[4]：

（1）单片机性能

①主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

②系统结构简单，使用方便，实现模块化。

③单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障。

④处理功能强，速度快。

⑤低电压，低功耗，便于生产便携式产品。

⑥控制功能强。

⑦环境适应能力强。

（2）基本结构

①运算器

运算器由运算部件—算术逻辑单元（Arithmetic&LogicalUnit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。

ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。

ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。

例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能：

执行各种算术运算；执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

②控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。

其主要功能有：

从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作；指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

（3）主要寄存器

①累加器A

累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。

在算术和逻辑运算时它有双功能：

运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

②数据寄存器DR

数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。

它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

③指令寄存器IR和指令译码器ID

指令包括操作码和操作数。

指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。

当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。

其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

④程序计数器PC

PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。

在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

⑤地址寄存器AR

地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。

由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

（4）研制周期

在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。

与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。

显而易见这种单片机对开发设备的要求很低开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

功耗模式：

可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

所以主控单元拟采用AT89C52作为主控制器

3.2.2AT89C52

AT89C52是一个低电压，高性能cmos8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52主要功能特性

（1）兼容MCS51指令系统

（2）8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

（3）32个双向I/O口；

（4）256x8bit内部RAM；

（5）3个16位可编程定时/计数器中断；

（6）时钟频率0-24MHz；

（7）2个串行中断，可编程UART串行通道；

（8）2个外部中断源，共8个中断源；

（9）2个读写中断口线，3级加密位；

（10）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.2.3AT89C52最小系统

单片机最小系统包括：

复位电路；晶振电路；电源电路。

复位电路的复位操作一般有两种基本形式，一种是上电复位；另一种是上电与按键均有效的复位[5]。

复位电路接单片机的9管脚。

晶振电路单片机的时钟信号通常有两种产生方式，一是内部时钟方式；二是外部时钟方式。

晶振电路接单片机的18、19管脚。

电源电路，单片机40管脚接电源，20管脚接地。

3.3转换模块设计

3.3.1A/D转换器的选择

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路转换的时间为微秒级用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。

基本原理是从高位到低位逐位试探比较好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

逐次逼近法转换过程是初始化时将逐次逼近寄存器各位清零。

3.3.2ADC0809

ADC0809的特点：

（1）8路8位A/D转换器,即分辨率8位。

（2）具有转换起停控制端。

（3）转换时间为100μs。

（4）单个5V电源供电。

（5）模拟输入电压范围0-5V，不需零点和满刻度校准。

（6）工作温度范围为-40-85摄氏度。

（7）低功耗约15mW。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图3.3所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。

图3.3ADC0809内部结构

3.3.3ADC0809转换电路

将采集到的信号输入到ADC0809芯片中ADC0809会将接收到的模拟信号转化成数字信号，在输入到单片机中。

转换电路图如图3