智能數(shù)字顯示電流表的設(shè)計(jì)

中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）PAGEPAGE31畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：智能數(shù)字顯示電流表的設(shè)計(jì)系部名稱：信息工程系專業(yè)班級：電氣083學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：教師職稱：高級實(shí)驗(yàn)師2012年6月摘要單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能數(shù)字顯示電流表由于穩(wěn)定性好、精度高、讀數(shù)方便、成本低、易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到越來越廣泛的重視。其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的指針電流表，具有清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確、擴(kuò)展功能強(qiáng)等特點(diǎn)，避免了讀數(shù)的視覺差和視覺疲勞。本設(shè)計(jì)將輸入電流信號通過采樣與處理電路處理后由TI公司的AD芯片TLC7135進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，控制核心采用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，驅(qū)動(dòng)4位半LED顯示測量結(jié)果，并通過RS-485通信接口發(fā)送測量信息，上下限報(bào)警，報(bào)警輸出，功能設(shè)定，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字顯示電流表的功能。通過硬件電路和單片機(jī)對TLC7135轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理可以實(shí)現(xiàn)但片機(jī)的數(shù)字顯示，量程轉(zhuǎn)換，和上下限報(bào)警功能。智能數(shù)字電流表使用較為方便，適用于實(shí)驗(yàn)室測量和工業(yè)控制等不同場合。關(guān)鍵詞：智能數(shù)字顯示，單片機(jī)，TLC7135，AD轉(zhuǎn)換，四位半intelligentdigitaldisplaycurrentmeterdesignAbstractRealizationoftheintelligentdigitaldisplaycurrentmeterwithgoodstability,highaccuracy,easyreading,lowcost,easytorealizetheadvantagesofbeingmoreandmoreattention.Itsperformanceissuperiortothetraditionalpointerammeter,havingaclearandintuitive,accuratereadings,extendedfeaturessuchaspowerful,avoidingreadingpoorvisionandvisualfatigue.Inthisdesign,thesignalofinputcurrentprocessedthroughsamplingandprocessingcircuitthenforADconvertbyanADchipTLC7135forTIcompany.controlcoreusedAtmelcompanyofAT89C52singletabletsmachineonconversionresultsforoperationsprocessingdrive41/2bitLEDmeasurementresults,andthroughtheRS-485communicationinterfacesendmeasurementinformation,upperalarm,alarmoutput,functionsetting,realizeintelligentdigitaldisplaycurrentmeterfunction.ThroughhardwarecircuitandsinglechipprocessingtoTLC7135conversionresultcanrealizecurrentmeterdigitaldisplay,rangeconversion,andalarmfunction.Intelligentdigitalcurrentmeterismoreconvenienttouse,suitableforthelaboratorymeasurementandindustrialcontrolandsoon.KeyWords:Intelligentdigitaldisplay,MCU,TLC7135,ADconvert,41/2bit目錄1概述 11.1研究的目的和意義 11.2發(fā)展趨勢 22設(shè)計(jì)要求及原理 32.1設(shè)計(jì)任務(wù) 32.2設(shè)計(jì)原理 33硬件電路的設(shè)計(jì) 53.1電流信號采樣電路 53.1.1CD4052的原理及應(yīng)用 53.2A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 73.2.1TLC7135工作原理及應(yīng)用 73.2.2基準(zhǔn)電壓電路 103.2.3TLC7135的時(shí)鐘電路 123.2.4TLC7135與單片機(jī)連接的接口方案 133.3單片機(jī)控制部分 143.3.1單片機(jī)復(fù)位電路 153.3.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 163.3.3485通信接口 173.4報(bào)警電路 173.5顯示電路設(shè)計(jì) 184系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及仿真 204.1主程序設(shè)計(jì) 204.2自動(dòng)量程切換子程序 214.3A/D轉(zhuǎn)換與中斷子程序 214.4顯示子程序 244.5顯示部分仿真結(jié)果 25總結(jié) 26致謝 27參考文獻(xiàn) 281概述1.1研究的目的和意義在當(dāng)代科技與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，數(shù)字化儀表已經(jīng)逐漸成為生活和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的主要儀表。模擬儀表存在固有的局限性，其顯示精度受到表盤刻度限制，精確度提高很困難；讀數(shù)存在主觀誤差；傳統(tǒng)的電流表在測量電流時(shí)需要手動(dòng)切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程；應(yīng)用時(shí)有很大不便[1]。特別是在當(dāng)代電力系統(tǒng)中變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的情況下越來越不適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需求[2]。數(shù)字儀表是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與精密測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，已成為儀器儀表領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)立分支。傳統(tǒng)的電網(wǎng)電流表一般都采用指針式表頭，且都存在著測量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低，表頭指針指示不便于讀數(shù)且誤差大等缺點(diǎn)，已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要[3]。而隨著智能化測控技術(shù)的迅速發(fā)展，以單片機(jī)為核心的數(shù)字電表的優(yōu)勢已十分明顯。為了提高工效,，避免人為差錯(cuò)，智能數(shù)字電流表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用會(huì)對這些問題的改善有很大幫助。這對提高工作效率和提高工作的精確度都有很大的幫助。數(shù)字電流電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電流表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電流轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，具有清晰直觀、讀數(shù)準(zhǔn)確、擴(kuò)展功能強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。這有別于傳統(tǒng)的指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視覺差和視覺疲勞。傳統(tǒng)的數(shù)字顯示測量儀表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成顯示為主，或者進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，簡單地用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示，單片機(jī)技術(shù)只是運(yùn)用于簡單的顯示作用。由于隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在電工電子等教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用，迫切要求教學(xué)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)符合計(jì)算機(jī)雙向控制的要求，特別是在測量儀表上，運(yùn)用大量的單片機(jī)技術(shù)可以使許多功能簡單實(shí)現(xiàn)[5]。數(shù)字萬用表是電器工程類的基本測量/測試儀器(DMMsarebasicmeasurement/testinstrumentsinelectricalengineering)[6]。但是在要求精確，要求頻繁使用電流表的地方，功能完善的數(shù)字電流表是非常必須的。本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為核心，通過數(shù)碼管4位半數(shù)碼管顯示實(shí)現(xiàn)電流表的數(shù)字化和對電流極性的判斷，相對于普通的數(shù)字電流表應(yīng)用更精確，通過單片機(jī)的控制和ICL7135配合使用可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能，報(bào)警電路中同時(shí)采用繼電器操作，一旦電路出現(xiàn)差錯(cuò)會(huì)帶動(dòng)其他電路動(dòng)作，避免因電路故障帶來的安全事故。這些功能的實(shí)現(xiàn)使得我們在平時(shí)和生產(chǎn)應(yīng)用中操作方便、簡易了很多，同時(shí)也大大的提高了精確度。1.2發(fā)展趨勢隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和超大規(guī)模的集成電路的出現(xiàn)，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，正在引起測量、控制儀表領(lǐng)域的技術(shù)革命。采用單片機(jī)作為測量儀器的主控制器，這種以單片機(jī)為主體的新型智能儀表將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，在測量過程自動(dòng)化，測量結(jié)果數(shù)據(jù)的處理以及功能的多樣化方面取得了巨大的進(jìn)步。數(shù)字化是當(dāng)前計(jì)量儀器的發(fā)展的主要方向之一，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電流表的功能將越來越強(qiáng)，種類將越來越多，其適用范圍也會(huì)越來越廣泛。采用智能化儀器也將是必然的趨勢，它們將不僅能提高測量準(zhǔn)確度，而且能提高電測量技術(shù)的自動(dòng)化程序，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如:溫度計(jì)、濕度計(jì)、酸度計(jì)、重量、厚度儀等），幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動(dòng)化儀表等各個(gè)領(lǐng)域[7]。從而提高了計(jì)量檢定人人員的工作效率。近年來，隨著通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，智能儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步入了嶄新的時(shí)代。其中，實(shí)現(xiàn)Intenet接入是當(dāng)前智能儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域和重要方向[8]。數(shù)字自動(dòng)識別系統(tǒng)電表表盤已應(yīng)用于基于計(jì)算機(jī)視覺的智能電表讀者（Theautomaticrecognitionsystemfornumericcharacteronammeterdialplatewhichisproposedinthisarticlehasbeenappliedintheintellectuallyammeterreaderbasedoncomputervision）[9]，該系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)使數(shù)字儀表智能化得到更大的發(fā)展。2設(shè)計(jì)要求及原理2.1設(shè)計(jì)任務(wù)利用單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片等元器件設(shè)計(jì)一種智能數(shù)字顯示電流表，具體要求如下：（1）41/2位LED顯示（2）電流表測試范圍-200MA~2A（3）自動(dòng)判斷輸入信號的極性、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換（4）RS485串行通訊接口；通訊地址、波特率設(shè)置（5）上下限設(shè)置小數(shù)點(diǎn)位置設(shè)置（6）報(bào)警輸出、繼電器觸點(diǎn)開關(guān)輸出2.2設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)主要由四大模塊組成：采樣電路模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊。按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，控制模塊采用AT89C52單片機(jī)，通過程序來進(jìn)行電流的計(jì)算等數(shù)據(jù)處理，及其功能控制；A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ICL7135芯片，14位ICL7135能夠滿足四位半顯示的要求，同時(shí)通過和單片機(jī)配合使用可實(shí)現(xiàn)極性判斷，和超量程判斷，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔這一功能；顯示模塊采用五個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示電流值，同時(shí)能顯示電流的極性，以實(shí)現(xiàn)41/2為LED顯示；通過按鍵設(shè)定功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控值的上下限設(shè)定，監(jiān)控采樣電流，當(dāng)采樣電流超出設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路接通，報(bào)警信號開關(guān)量輸，控制后面電路動(dòng)作。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖見下：時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換電路測量電流輸入顯示系統(tǒng)AT89C52P1P0P2P1P2報(bào)警電路獨(dú)立按鍵輸入485通訊接口2.1系統(tǒng)原理框圖3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1電流信號采樣電路實(shí)際的電流表相當(dāng)于一個(gè)電壓表并聯(lián)一個(gè)分流電阻而成。采集到的實(shí)際電流大小I=U0/(RL+R2),所以為保證所測電流為實(shí)際電路中是電流一致，所以分流電阻相對于所測電路的電阻十分小。實(shí)際電流信號采集電路如圖3-1：圖3-1電流信號采集電路在本電路中采用CD4052是為實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，配合ICL7135通過對電流放大倍數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。下面對CD4052做具體介紹。3.1.1CD4052的原理及應(yīng)用CD4052是一個(gè)雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)，其使用真值表如表1所示：表1CD4052真值表INHIBITBA0000x,0y0011x,1y0102x,2y0113x,3y1××None應(yīng)用時(shí)可以通過單片機(jī)對A/B的控制來選擇輸入哪一路，例如：需要從4路輸入中選擇第二路輸入，假設(shè)使用的是Y組，那么單片機(jī)只需要分別給A和B送1和0即可選中該路，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。芯片管腳圖：3-2CD4052管腳圖應(yīng)用電路如下：下圖是CD4052和SPCE061A的兩種種連接方法：圖3-3選通Y通道圖3-4選通X通道本設(shè)計(jì)中采用Y通道開關(guān)，運(yùn)算放大器和模擬電子開關(guān)CD4052組成,其增益由CD4052A、B兩端的數(shù)字量來控制，通過控制放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的量程。原理如圖3-1。3.2A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字顯示就要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中任務(wù)中要求的4位半數(shù)字顯示，電流測量范圍±200MA~±2A,自動(dòng)判斷輸入信號的極性、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，所以該設(shè)計(jì)選用了TI公司的A/D芯片TLC7135。對TLC7135的具體工作特點(diǎn)及工作原理介紹如下。3.2.1TLC7135工作原理及應(yīng)用TLC7135是一種常用的4位半BCD碼雙積分型單片集成ADC芯片,其分辯率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)，它的轉(zhuǎn)換精度高,價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)，并且能在單極性參考電壓下對雙極性輸入模擬電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。4位半A/D轉(zhuǎn)換器7135，所轉(zhuǎn)換的數(shù)字值以多工掃描的方式輸出，只要附加數(shù)碼顯示器，驅(qū)動(dòng)器及電阻電容等元件通過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，就可組成一個(gè)滿量程為2A的數(shù)字電流表。芯片采用了自動(dòng)校零技術(shù),可保證零點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是差動(dòng)信號,輸入阻抗極高，完全能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。ICL7135芯片管腳排列如圖3-5。圖3-5TLC7135管腳圖各引腳的功能如下:差分輸入端。輸入電壓應(yīng)在放大器的共模電壓范圍內(nèi)，即從低于IN+，IN-：模擬電壓正電源0.5V到高于負(fù)電源1V。單端輸入時(shí)，通常IN-與模擬地(ANALOGCOM)連在一起。:基準(zhǔn)電壓端,其值為1/2,一般取1V。的穩(wěn)定性對A/D轉(zhuǎn)換精度有很大影，應(yīng)當(dāng)采用高精度穩(wěn)壓電源。INTOUT、AZIN、BUFFOUT：分別為積分器的輸出端、自動(dòng)校零端和緩沖放大器輸出端。這三個(gè)端子用來外接積分電阻、電容以及校零電容。積分電阻的計(jì)算公式為:=滿度電壓/20μA滿度電壓取2V，可得：=/=100（）積分電容的計(jì)算公式為:=如果電源電壓取±5V，電路的模擬地端接0V，則積分器輸出擺幅取±4V較合適，取125KHz得：==（F）（3-1）所以取470nF的獨(dú)石電容。校零電容可取1uF。、:外接基準(zhǔn)電容端。電容值可取１μF。CLOCK:時(shí)鐘輸入端。工作于雙極性情況下，時(shí)鐘最高頻率為125kHz，這時(shí)轉(zhuǎn)換速率為3次/秒左右。如果輸入信號為單極性，則時(shí)鐘頻率可增加到1MHz，這時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為25次/秒左右。本設(shè)計(jì)采用雙極性工作方式，要為TLC7135提供125kHz的時(shí)鐘。R/:A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制端。該端接高電平時(shí)，7135連續(xù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，該端接低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后保持轉(zhuǎn)換結(jié)果，若輸入一個(gè)正脈沖(寬度大于300ns)，啟動(dòng)7135開始一次新的A/D轉(zhuǎn)換。：選通脈沖輸出端。脈沖寬度是時(shí)鐘脈沖的1/2，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，該端輸出2個(gè)負(fù)脈沖，分別選通高位到低位的BCD碼輸出，也可作為中斷請求向主機(jī)申請中斷。POL:極性輸出端。當(dāng)輸入信號為正時(shí)，POL輸出為高電平，輸入信號為負(fù)時(shí)，POL輸出為低電平。OVERRANGE：欠量程標(biāo)志輸出端。當(dāng)輸入信號超過轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)范圍（19999）時(shí)，該段輸出高電平。BUSY：輸出狀態(tài)信號端。積分器在對輸入信號積分和反向積分過程中，BUSY輸出高電平表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，積分器反向積分過零后，該端口輸出低電平表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。、、、：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，其中為最高位。、、、、：BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動(dòng)信號輸出端，分別選通萬、千、百、十、個(gè)位。TLC7135輸出時(shí)序圖如圖3-6所示：圖3-6TLC7135數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖積分輸出與BUSY輸出端的輸出關(guān)系如圖3-7所示：圖3-7積分輸出與積分時(shí)間關(guān)系圖為了使7135工作于最佳狀態(tài)，獲得最好的性能，外接元器件性能至關(guān)重要。3.2.2基準(zhǔn)電壓電路因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)為四位半智能電壓表，TLC7135芯片所測電流范圍為A，因此基準(zhǔn)電壓選擇為1V。然而基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定對A/D芯片來說非常重要，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種高精度的穩(wěn)壓電源。來自TI公司的TL431是一個(gè)具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)并聯(lián)電壓基準(zhǔn)芯片[11]。TL431主要參數(shù)如下：輸出基準(zhǔn)電壓Vref的范圍為2.5~36V；常溫下輸出基準(zhǔn)電壓的精度為2%；灌電流能力（即陰極電流I）為1~100mA；溫漂典型值為14mV。因?yàn)門L431能輸出穩(wěn)定的2.5V基準(zhǔn)電壓，再通過電阻分壓獲得1V電壓給TLC7135提供基準(zhǔn)電壓。設(shè)計(jì)電路如圖3-8所示：圖3-8基準(zhǔn)電壓電路該電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就在于如何估算與基準(zhǔn)相串聯(lián)的限流電阻R12的值：（3-2）本電路中R12取1。仿真電路如下圖3-9所示：圖3-9基準(zhǔn)電壓仿真圖3.2.3TLC7135的時(shí)鐘電路TLC7135工作時(shí)需要125kHz的時(shí)鐘脈沖，如果采外部用時(shí)鐘振蕩電路會(huì)使電路變得繁瑣，一者會(huì)給系統(tǒng)帶來干擾；二者成本高，不宜于大批量生產(chǎn)。本設(shè)計(jì)中充分利用了單片機(jī)自身的資源，80C52單片機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)ALE管腳輸出其1/6單片機(jī)時(shí)鐘的脈沖信號，在單片機(jī)使用12MHz晶振時(shí)，ALE輸出2MHz時(shí)鐘，通過一片CD4040進(jìn)行16分頻正好得出125MHz的時(shí)鐘脈沖。電路圖如圖4-7所示：圖3-10分頻電路3.2.4TLC7135與單片機(jī)連接的接口方案TLC7135有兩種通過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)。一種是通過單片機(jī)I/O直接讀取7135輸出的BCD碼；另一種是把BUSY口接到單片機(jī)的外部中斷口，將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)器工作方式1，測量BUSY輸出的正脈沖寬度即可計(jì)算出所測電壓值的大小。因?yàn)锽USY口輸出正脈沖的時(shí)間等于7135積分器的正向積分與反向積分的時(shí)間和，在穩(wěn)定的時(shí)鐘信號下，通過雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理可知，正向積分時(shí)間一定，只要能夠測積分時(shí)間，求出反向積分的時(shí)間即可算出所測電流值。方案比較：直接讀取BCD碼的方法是單片機(jī)直接讀取TLC7135處理好的數(shù)據(jù)，對單片機(jī)內(nèi)部資源占用少，但是占用單片機(jī)IO口較多，電路復(fù)雜，需要通過軟件將BCD碼翻譯成單片機(jī)識別的十六進(jìn)制數(shù)，再送到顯示。讀取TLC7135芯片上BUSY口輸出的積分正脈寬的方法，該方法只利用了TLC7135的雙積分器，將電壓信號以時(shí)間量輸出，單片機(jī)采用門控位控制定時(shí)器，讀取BUSY口上正脈沖寬度，然后再換算成電壓值，送到顯示及其他功能模塊。第一種方案由于連線較多，使得電路復(fù)雜，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)布線困難，而且容易引入外部干擾，在軟件方面由于外部定義I/O口較多，控制程序較為復(fù)雜，但直接讀取TLC7135轉(zhuǎn)換的BCD碼可以保證AD芯片的出廠精度，數(shù)據(jù)處理簡單。第二種方案軟件控制于電路連接簡單，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，是利用單片機(jī)對積分信號進(jìn)行采樣，由于單片機(jī)處理速度較快，在軟件對數(shù)據(jù)處理上有這明顯的優(yōu)勢，可以很好的提高測量精度。根據(jù)控制電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和保證測量結(jié)果的高精度考慮，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。連線圖如圖3-11：圖3-11TLC7135接線圖3.3單片機(jī)控制部分單片機(jī)小系統(tǒng)包擴(kuò)供電電源、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。作為智能儀表的控制核心，單片機(jī)的選型非常重要。AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路[12]。另外，AT89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。相對于其他型號的單片機(jī)來說，AT89C52是一款性價(jià)比高，抗干擾性強(qiáng)的單片機(jī)，廣泛應(yīng)用與工業(yè)場合等電子儀器和設(shè)備。對于該課題來說，AT89S52完全能滿足該智能儀表的設(shè)計(jì)要求，最小系統(tǒng)電路如圖3-12所示：3-12單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.3.1單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí)器件復(fù)位[13]。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，單片機(jī)就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖3-13是52系列單片機(jī)統(tǒng)常用的手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，它們都能很好的工作。圖3-13復(fù)位電路3.3.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-52單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時(shí)鐘電路還需附加其他電路。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和2個(gè)電容即可，如圖3-14所示。圖3-14時(shí)鐘電路電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是30±10pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz。3.3.3485通信接口在自動(dòng)化測控領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，人們只需監(jiān)控上位機(jī)上由各個(gè)設(shè)備送回的數(shù)據(jù)，便能有高效率地管理現(xiàn)場，所以智能儀表必須具有通信功能，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用RS-485通訊接口，RS-485控制網(wǎng)絡(luò)部分主要由RS-485通信接口、通信介質(zhì)、接口電路、Modbus通訊協(xié)議及相應(yīng)的通信軟件組成[14]。RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：·接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ·驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓·輸入端的電容≤50pF·在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V·接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號“1”）485通信電路如圖3-15所示：圖3-15485通訊電路3.4報(bào)警電路智能儀表不但要實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示，通訊功能，還必須有報(bào)警輸出功能，并對外部設(shè)備具有簡單的控制能力。本章所設(shè)計(jì)的電壓表具有上下限設(shè)置，超出范圍后會(huì)有報(bào)警輸出，通過LED點(diǎn)亮提示，并伴有繼電器開關(guān)輸出，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行單觸電控制。如圖3-16：圖3-16報(bào)警電路當(dāng)電流表測量電流超出設(shè)定范圍時(shí)，P2.7接口輸出低電平，三極管導(dǎo)通，電流流過繼電器線圈，繼電器吸合，開關(guān)導(dǎo)通，從而控制外部設(shè)備。3.5顯示電路設(shè)計(jì)單片機(jī)中通常使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外，還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號及小數(shù)點(diǎn)。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。本設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)4位半數(shù)字顯示，選用數(shù)碼管顯示，也就是說要用五個(gè)數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)中選用共陰極數(shù)碼管，由單片機(jī)的P0口控制段碼顯示，P2口控制位碼顯示。其連接電路如圖3-17所示：圖3-17顯示電路4系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及仿真4.1主程序設(shè)計(jì)在A/D模塊啟動(dòng)子程序中，主要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)序圖設(shè)置單片機(jī)的各引腳電平來啟動(dòng)ICL7135。判斷部分主要是通過A/D轉(zhuǎn)換模塊采集到的電流值與檔位值進(jìn)行比較來選擇數(shù)字電流表的檔位，再通過檔位處理子程序?qū)/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電流值進(jìn)行處理，然后在數(shù)碼顯示器上顯示出來。主程序流程圖如圖4-1所示：開始開始初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)置顯示器是否超量程？是否超出限定值？調(diào)用顯示子程序結(jié)束YNY調(diào)用自動(dòng)轉(zhuǎn)換子程序報(bào)警子程序圖4-1主程序流程圖4.2自動(dòng)量程切換子程序檔位自動(dòng)切換子程序程序的設(shè)計(jì)主要對A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)和該檔位的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較進(jìn)行檔位的選擇,再通過計(jì)算將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存儲在50H～53H四個(gè)單元中，然后再通過調(diào)用送顯子程序?qū)⑵湓跀?shù)碼顯示器上顯示出來。利用單片機(jī)編程控制數(shù)字電壓表的量程自動(dòng)切換和顯示功能，不僅使整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)使用的元器件數(shù)量減少，而且調(diào)節(jié)起來也較為方便,整個(gè)系統(tǒng)性能也更加穩(wěn)定。欠量程欠量程Y開始置量程初值自動(dòng)量程判斷程?超載報(bào)警顯示若不是最低量程則降一級N圖4-2量程轉(zhuǎn)換流程圖4.3A/D轉(zhuǎn)換與中斷子程序利用7135與單片機(jī)相連接，并將采集到的模擬信號通過C語言程序轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該程序的設(shè)計(jì)主要對A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)和該量程的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較進(jìn)行量程的選擇，再通過計(jì)算將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存儲在五個(gè)單元中，然后再通過調(diào)用送顯子程序?qū)⑵湓跀?shù)碼顯示器上顯示出來。利用單片機(jī)編程控制數(shù)字電流表的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換和顯示功能，不僅使整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)使用的元器件數(shù)量減少，而且調(diào)節(jié)起來也較為方便，整個(gè)系統(tǒng)性能也更加穩(wěn)定。ICL7135每一分鐘完成3次數(shù)據(jù)的采集工作，1/3秒完成后向CPU申請中斷,CPU這時(shí)暫停工作，為中斷服務(wù),整個(gè)過程中斷過程的程序圖如圖4-3所示。中斷響應(yīng)后關(guān)中斷，將PSW、ACC壓棧，判斷是否首次中斷，如果是首次中斷，則將正負(fù)號標(biāo)志位置入60H，再把萬位置入61H中，如果不是首次中斷，則跳到NEXT處，如果是第二次中斷，則將千位數(shù)置入62H中，如果是第三次中斷，再將百位數(shù)置入63H中，第四次中斷則將十位數(shù)置入64H中，第五次中斷則將小數(shù)點(diǎn)位置入65H中，同時(shí)個(gè)位置入66H中。同時(shí)清除中斷次數(shù)寄存器30H中的值，完成中斷后將ACC、PSW出棧，開中斷。圖4-3A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.4顯示子程序本設(shè)計(jì)是通過軟件編程來驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼顯示管實(shí)現(xiàn)被測電流的數(shù)值顯示功能。數(shù)字顯示采用單片機(jī)與LED顯示器相連接，即P2口作為LED數(shù)碼顯示器的位碼驅(qū)動(dòng)端口，P0口的作為LED數(shù)碼顯示器的段碼驅(qū)動(dòng)端口，在顯示過程中通過軟件使LED數(shù)碼顯示器通過動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式顯示出來，同時(shí)調(diào)用延時(shí)子程序。開始開始地址指針設(shè)置取段碼段碼右移一位輸出一位段碼輸出一個(gè)移位脈沖取段碼結(jié)束？取段字節(jié)數(shù)結(jié)束？返回NNYY圖4-4顯示子程序流程圖4.5顯示部分仿真結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果在LED上顯示出來，該部分實(shí)現(xiàn)了極性的顯示，小數(shù)點(diǎn)設(shè)置，數(shù)字顯示的功能，但自動(dòng)判斷并切換量程的功能還沒實(shí)現(xiàn)，其仿真結(jié)果如下：圖4-5顯示仿真圖1圖4-6顯示仿真圖2總結(jié)經(jīng)過一段時(shí)間的努力，智能數(shù)字顯示電流表的設(shè)計(jì)基本完成。但設(shè)計(jì)中的不足之處仍然存在。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，除了掌握了單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換、信號采集的相關(guān)知識，還掌握了很多專業(yè)軟件的使用，例如Keil、Protel99SE、Proteus，有力的增強(qiáng)了專業(yè)水平，掌握了從系統(tǒng)的需要、方案的設(shè)計(jì)、功能模塊的劃分、原理圖的設(shè)計(jì)和電路圖的仿真的設(shè)計(jì)流程，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)，通過老師的指導(dǎo)完成了系統(tǒng)方案的最終確定，原理圖的繪制，編程和仿真。本次設(shè)計(jì)采用了AT89C52單片機(jī)芯片，與以往的單片機(jī)相比增加了許多新的功能，使其功能更為完善，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。設(shè)計(jì)中還用到了模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC7135，通過本次設(shè)計(jì)基本掌握了該芯片的使用方法。在本次設(shè)計(jì)中還接觸到一種新的顯示方法，4位半顯示，通過查找各類資料了解并掌握了其應(yīng)用。硬件電路的設(shè)計(jì)還算順利就完成的，但軟件部分卻傷透了腦筋。因?yàn)橹败浖幊讨R學(xué)的不夠扎實(shí)，到應(yīng)用的時(shí)候就更麻煩了，因?yàn)槌绦虻膯栴}，在調(diào)試過程中自然就遇到很多問題，比如量程的自動(dòng)切換還沒實(shí)現(xiàn)，這些問題還有待繼續(xù)解決。總體來講就是電路設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，但軟件編程和仿真還沒實(shí)現(xiàn)其全部的功能。后面的時(shí)間任然需要繼續(xù)仿真調(diào)試。致謝本設(shè)計(jì)從開始到完成都一直得到了薛立老師的悉心幫助和指導(dǎo)。從論文的開題、項(xiàng)目確立、器件選擇、功能設(shè)計(jì)等方面都深深體會(huì)到薛立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度。她淵博的知識使我受益匪淺，接觸到了不少先進(jìn)的技術(shù)和知識，獲得的了不少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。不管對于生活還是學(xué)習(xí)，這些知識在我的人生道路中都將是筆巨大的財(cái)富，它們將在我以后的工作和學(xué)習(xí)中發(fā)揮巨大的作用。在此衷心感謝薛對我的關(guān)心和指導(dǎo)！感謝在設(shè)計(jì)期間幫助過我的同學(xué)，在我電路設(shè)計(jì)過程中曾出現(xiàn)過許多問題，是他們幫我找出錯(cuò)誤，加以糾正，在此向他們表達(dá)我的感激之情。感謝我的母校—中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院給了我更進(jìn)一步學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，使我在知識理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上得到提高。最后，我還要深深的感謝我的家人，是他們對我生活學(xué)習(xí)的關(guān)心激勵(lì)我奮發(fā)向上；是他們的辛勤勞作供我完成學(xué)業(yè)。感謝所有幫助和關(guān)心支持我的人！最要感謝的是薛老師，再次謝謝你，薛老師！參考文獻(xiàn)[1]晏劍輝，溫際玉.基于AT89C51單片機(jī)的智能儀表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀，2008(1)：66-69[2]李玲玲，李仁杰，蔣棟，郭卉.智能型多功能大額交流電流表的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(3)：99-101[3]邊晶瑩，郎崢，李曉峰.基于CS5460A芯片的電網(wǎng)電流表設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2010,12（1）：3-6[4]陳琴妹.數(shù)字式電壓表、電流表半自動(dòng)檢定系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，1997（3）：15-16[5]王海群，倪洪杰，張蕾.單片機(jī)技術(shù)在數(shù)字顯示測量儀表中的使用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004,23(04)[6]LeventSevgi.DigitalMulti-MetersandBasicMeasurements[J].IEEEAntennasandPropagationMagazine,Vol.49,No.4,August2007[7]朱欣華，姚天忠，鄒麗新.智能儀器原理與設(shè)計(jì)[M].北