数字电流表的设计与仿真_毕业设计.doc

内容摘要:本设计主要采用CC7106双积分A/D变换器设计方案来完成一个简易的数字电流表,其实是一个电压表进行改装得到的,将电压表能够对输入的05 V的模拟直流电压进行测量,并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示,测量误差约为0.1 V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片CC7106来完成,它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片CD331来完成,其负责把CC7106传送来的数字量经一定的数据处理,产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着CC7106芯片的工作。显示模块主要由LCD液晶数码管及相应的驱动芯片>组成,显示测量到的电流值。关键词：简易数字电流表 LCD液晶数码管 CC7106目录引言11系统的工作原理21.1数字电流表的工作原理21.2过流、防反接保护21.3放大器31.4 AD转换器及外围电路计31.4.1 A/D转换器概述31.4.2 部结构31.4.3 引脚功能外部特性31.4.4 通道选择41.4.5 极限参数41.4.6 ADC0808的输出端注意41.4.7 外围电路设计51.5量程选择及量程显示61.6 LED显示62测量系统的总体结构设计82.1系统的组成框图82.2 硬件图92.3 软件流程图102.4 程序代码及说明113实验结果164仿真图175设计总结19参考文献20致引言传统的电网电流表一般都采用指针式表头,且都存在着测量围小,稳定性差,精度低,表头指针指示不便于读数且误差大等缺点,已经不适应社会发展的需要。而随着智能化测控技术的迅速发展.以双积分AD转换器为核心的数字电表的优势已十分明显。智能综合仪表是基于智能化、数字化新一代智能仪表的设计理念,采用灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术、调节仪表与记录仪表功能具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。芯片负责采集数据,给出了一款性价比高、抗干扰能力强、测量精度很的电网电流表的设计方法。1系统的工作原理1.1数字电流表的工作原理用单片机及其扩展的外部电路先做成一个理想电压表3,图1中用G表示。由于通常所说的电流表是指灵敏电流计其量程太小,不能直接测量电流,仅用于检测有无电流和电流的方向,所以要想得到一个有多量程或量程较大的电流表需要将一个理想电压表改装而成。本设计是用一个阻视为无穷大的电压表并联分流电阻而成的数字电流表。待测电流I随搬动开关K的位置而流过R1或R2,因而本电流表的两个量程就取决于G的满量程电压和R1、R2的阻值,记G的满量程电压为Ug,根据欧姆定律Ug=RgIg,若Ug和Rg已知则Ig就是电流表的满量程电流。图1 电流表原理图1.2过流、防反接保护用熔断器及过流保护二极管做防反接保护。如图2所示。当通过电流过大时,熔断器中保险丝烧断;当电路反接时,电流无法通过二极管,从而保护电流表。图2防反接保护电路图1.3放大器放大部分的电路采用如图3电路,并在串一级低通滤波:图3放大器电路图1. 4 AD转换器及外围电路计1.4.1 A/D转换器概述A/D转换部分本系统采用了ADC0808芯片. ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其部有一个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。.1.4.2 部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。1.4.3引脚功能外部特性 ADC0808芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如右图所示。各引脚功能如下：15和2628IN0IN7：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22ALE：地址锁存允许信号,输入,高电平有效。6START： A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲至少100ns宽使其启动脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换。7EOC： A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平转换期间一直为低电平。9OE：数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。10CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12VREF+和16VREF-：参考电压输入端11Vcc：主电源输入端。13GND：地。2325ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路1.4.4通道选择通道的选择如图4所示地址码对应的输入通道23<ADDA>24<ADDB>25<ADOC>000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图4通道选择图1.4.5极限参数电源电压Vcc：6.5V 控制端输入电压：-0.3V15V 其它输入和输出端电压：-0.3VVcc+0.3V 贮存温度：-65+150功耗T=+25：875mW 引线焊接温度：气相焊接60s：215；红外焊接<15s>：220抗静电强度：400V1.4.6 ADC0808的输出端注意out8为最低位-out1为最高位,out8-out1分别接单片机的P0.0到P0.7端。1.4.7外围电路设计图5 A/D转换器及外围电路图其中液晶显示采用EDS801,将其各数码的字段及公共端与ICL7106相应端接。OSC1、OSC2和OSC3是部时钟的外接电阻和电容引脚；TEST是数字逻辑地端；VRH和VRL是参考电压的输入端,参考电压决定着AD转换器的灵敏度,它是由UDD分压而来,调节分压比可调节灵敏度调满；两个CR脚是基准电容的外接引脚；COM端是模拟信号公共端；AZ、BUF和INT分别是自动调零端缓控制端和积分器输出端；U+和U-为电源端；IN+和IN-为待测信号输入端。R1、C1分别为振荡电阻与振荡电容。R2与电位器RP构成基准电压分压器,RP宜采用精密多圈电位器,调整RP使UREFUM/2100.0mV,满量程即定为200mV,二者呈12的关系。R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器,以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R4、C5依次为积分电阻和积分电容。仪表采用220V叠层电池供电,测量速率约50次秒。IN-端、UREF端与COM端互相短接。对于CC7106,OSC1至OSC2为时钟振荡器的引出端,主振频率由外接的值决定,即,CC7106计数器的时钟脉冲是主振频率经分频后得到的,因此,设CC7106一次A/D转换所需时钟脉冲总数N为200,而一次转换所需时间T=1/50次=0.02s。则时钟脉冲频率由T=N/=4N/式可得=N/T10Khz,因而主振频率为=4=40Khz,因此可以算出、的值。若取=100pF,则=<50/>112.5,取标称值120。积分元器件、及自动调零电容的取值分别为=56=0.22,=0.47。和RP组成基准电压的分压电路。其中,RP一般采用精密多圈电位器。改变RP的值可以调节基准电压的值。、为输入滤波电路。电源电压取+220V,取0.1。1.5量程选择及量程显示本系统量程的选择通过按键来实现:图6量程电路图通过判断按键的次数来选择量程,以及通过实现发光二极管来显示当前量程。1.6 LED显示本系统测量结果用4个数码管显示图7数码管示图2测量系统的总体结构设计2.1系统的组成框图负反馈放大电路采样A/D转换器及其外围电路单片机LED数码管独立式按键量程选择图8系统的组成框图2.2 硬件图图9系统硬件电路图2.3 软件流程图初始化NNYYY显示量程3进入量程3显示量程2进入量程2显示量程1进入量程1 开 始n=1?n=2?n=3?判断按键次数n=4 则n=1读 键 值N启动AD转换数据处理,送数码管显示结束图10软件流程图2.4程序代码及说明ORG 0000H SJMP START ORG 0080H LED0 EQU 40H LED1 EQU 41H LED2 EQU 42H LED3 EQU 43H ;存放四个数码管的段码 ADC EQU 45H ;存放转AD换后的数 STR BIT P3.0 OE BIT P3.1 EOC BIT P3.2 START: MOV LED0,#00H ;清零 MOV LED1,#00H MOV LED2,#00H MOV LED3,#00H MOV P1,#00H MOV P2,#0F1H MOV P3,#9FH MOV R1,#00H MOV DPTR,#TABLE ;送段码首地址到DPTRWAIT: CLR STR SETB STR CLR STR ;产生下降沿启动AD转换JNB EOC,$ ;等待转换结束 SETB OE ;允许输出转换结果 MOV ADC,P0 ;存储转换结果 CLR OE MOV A,ADC MOV R2,#00H CLR C RLC A JNC GO MOV R2,#01HGO: MOV B,#51 ;数据送显示前的处理 DIV ABCJNE R2,#01H,MEI ADD A,#05HMEI: MOV LED2,A ;测量结果送到数码管显示 MOV A,B MOV B,#5 DIV AB MOV LED1,A MOV LED0,B MOV A,LED2 CJNE A,#10,WU AJMP NEXTWU: AJMP NEXT1NEXT: MOV LED0,#00H MOV LED1,#00H MOV LED2,#00H MOV LED3,#01HNEXT1: CJNE R1,#03H,NEXT2 LCALL DISP3 P3.7,WAIT LJMP KEYNEXT2: CJNE R1,#02H,NEXT3 LCALL DISP2 P3.7,WAIT LJMP KEYNEXT3: LCALL DISP1 P3.7,WAIT LJMP KEY DISP1: MOV A,LED0 ;显示子程序 MOVC A,A+DPTR CLR P2.7 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.7 MOV A,LED1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.6 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.6 MOV A,LED2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.5 ORL A,#80H MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.5 MOV A,LED3 MOVC A,A+DPTR CLR P2.4 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.4 RET DISP2: MOV A,LED0 MOVC A,A+DPTR CLR P2.7 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.7 MOV A,LED1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.6 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.6 MOV A,LED2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.5 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.5 MOV A,LED3 MOVC A,A+DPTR CLR P2.4 ORL A,#80H MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.4 RETDISP3: MOV A,LED0 MOVC A,A+DPTR CLR P2.7 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.7 MOV A,LED1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.6 ORL A,#80H MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.6 MOV A,LED2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.5 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.5MOV A,LED3 MOVC A,A+DPTR CLR P2.4 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P2.4 RET KEY: P3.7,$ ;按键程序 KEY1: JNB P3.7,$ INC R1 CJNE R1,#04H,A3 MOV R1,#01H A3: CJNE R1,#01H,L1 LJMP LC1 L1: CJNE R1,#02H,L2 LJMP LC2 L2: CJNE R1,#03H,$ LJMP LC3 LC1: CLR P2.2 CLR P3.6 SETB P2.0 SETB P3.4 LCALL WAIT LJMP KEY LC2: CLR P2.0 CLR P3.4 SETB P2.1 SETB P3.5 LCALL WAIT LJMP KEY LC3: CLR P2.1 CLR P3.5 SETB P2.2 SETB P3.6 LCALL WAIT LJMP KEY DELAY: MOV R6,#10 ;延时子程序 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET TABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;字型码表 END3 实验结果输入电流为5.5A时的测量结果:图11实验效果图通过调试,结果完全符合数字电流表设计要求。4 仿真图量程电路仿真图:图12档位为5A时量程电路图图13档位为500mA时量程电路图图14档位为50mA时量程电路图图15档位为5mA时量程电路图5设计总结本次设计所采用的方案中电路原理简单,硬件电路搭建容易,而且稳定,组装好的电流表可以对待测电压进行准确的测量,其测试结果与标准电压表万用表测试的结果相比相差无几,而且只要电路组装稳定,读数稳定易读。但本电路也存在问题,比如液晶显示器的读数有时不稳定,出现跳动现象,这不仅与电路元件参数有关,而且与搭接的连线等有关系。本次课题也可以采用单片机及合适的A/D转换器进行设计,经过正确的编程制作一个精度更高、更稳定的电压表,同时还可以实现量程的自动转换；同时对测试的结果可以采用数码管进行显示,没有必要用液晶显示器进行显示。如果需要,A/D转换器也可以换成功能更多的器件,。但在仿真的时候发现,只能局部仿真,而不能整体进行仿真,设计电路的时候,芯片的引脚很多容易混淆他们的功能,故在制作电路图接线时容易接错。经过本次课程设计发现,制图和仿真软件运用得不够熟练,其次对涉及到的芯片不是很熟悉,课程设计后,对以前的不足之处有了新的补充和了解,但是还是存在知识面的极度缺乏。由于自己对单片机的硬件设计,软件设计掌握的深度不够,设计中很多问题解决起来感觉很吃力。但通过此次课程设计,却改变了很多,首先对于硬件电路的工作原理有了进一步的学习,同样就有了进一步的认识；其次软件方面,在程序的设计,程序的调试方面都学到了很多东西,这是第一次编写单片机的大程序,很有成就感。在一个好的氛围里才能踏下心来做东西,在这几天课设的时间里,实验室的氛围对我们的影响很大,大家一起努力,这也是我们能完成课设的动力。另外在编程中出现问题时,一定要戒骄戒躁,脚踏实地,认真看书,仔细分析,仔细调试,就一定会发现错误,克服困难,我们也是这么做的,这在课设中十分重要。为了减少主程序的长度,为了易于检测和调试,应尽量多点设置不同功能的子模块,子程序。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。因为已经是快毕业了,各方面事情都比较所以这次课设显得很仓促,做得很不完善,在制作和调试过程中由于对程序和电路没有设计好出了不少问题,这给我提供了很好的经验教训,对自己以后的课设很有帮助。不过总体上来说这次课设还是比较成功的,自己懂得了不少东西,制作的数字电流表也很有价值。增长了自己的知识受益匪浅。参考文献1 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