直流數(shù)字電流表的設(shè)計(jì)

1、第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及可行性分析1.1 總體結(jié)構(gòu)1.1.1 數(shù)字電流表的組成 圖2.2 數(shù)字電流表的組成框圖 數(shù)字直流電流表的核心是a/d轉(zhuǎn)換器。按系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求，決定控制系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)，a/d轉(zhuǎn)換采用adc0809。系統(tǒng)除能確保實(shí)現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進(jìn)行8路其他a/d轉(zhuǎn)換量的測(cè)量和遠(yuǎn)程測(cè)量結(jié)果傳送等擴(kuò)展功能。數(shù)字電流表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖2.3所示。at89c51 p0p2p1 p3adc08094位led顯示上電復(fù)位串口通信電源電路 圖2.3 數(shù)字電流表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖1.2 所需元器件清單表3.1所需元器件材料表器件類型器件名數(shù)值數(shù)量單片機(jī)at89s511a/d轉(zhuǎn)換器

2、adc08091數(shù)碼管tseg-mp*4-cc-blue1開(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)關(guān)1電容c1、c233uf2電解電容c310uf1電阻r11k2排阻rp12001變阻器rv11k1晶振x11mhz1第二章 達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)1、 可以測(cè)量0-5v的8路輸入電壓值；2、 測(cè)量結(jié)果可在四位led數(shù)碼管上輪流顯示后單路選擇顯示；3、 測(cè)量最小分辨率為0.019a；4、 測(cè)量誤差約為+0.0av；第三章 數(shù)字式電流表的硬件設(shè)計(jì)3.1 主要元器件的介紹3.1.1 單片機(jī)at89s51at89s51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低功耗、高性能cmos 8位單片機(jī)。圖4.2和4.3分別為其實(shí)物圖和內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖。at89s51

3、的引腳at89s51芯片為40引腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖4.2所示。圖4.2 at89s51的引腳圖(1)vcc：電源電壓；(2)gnd：接地；(3)p0口：p0口是一組8位漏極開(kāi)路雙向i/o口，每位引腳可驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門路。 (4)p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門電路。有第二功能，如表4.1所示。表4.1 p1口的第二功能端口引腳第二功能p1.5mosi(用于isp編程)p1.6miso(用于isp編程)p1.7sck(用于isp編程) (5)p2口：p2口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口的輸出緩沖器

4、可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門電路。 (6)p3口：p3口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p3口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl邏輯門電路。p3口除了一般i/o線的功能外，還具有更為重要的第二功能，如表4.2所示。p3口同時(shí)為flash編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)表4.2 p3口的第二功能端口引腳第二功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2/into（外部中斷0）p3.3/int1（外部中斷1）p3.4t0（定時(shí)器0外部輸入）p3.5t1（定時(shí)器1外部輸入）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7/rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） (7) rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩

5、器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。(8) ale/rpog：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 (9)/psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。 (10)/ea/vpp：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加

6、12v編程電源（vpp）。定時(shí)器0和定時(shí)器1：at89s51的定時(shí)器0和定時(shí)器1 的工作方式與at89c51 相同。定時(shí)和計(jì)數(shù)功能由特殊功能寄存器tmod的控制位c/t進(jìn)行選擇，這兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器有4種操作模式，通過(guò)tmod的m1和m0選擇。其中模式0、1和2都相同，模式3不同。定時(shí)器2：定時(shí)器2 是一個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它既可當(dāng)定時(shí)器使用，也可作為外部事件計(jì)數(shù)器使用，其工作方式由特殊功能寄存器t2con的c/t2 位選擇。定時(shí)器2 有三種工作方式：捕獲方式，自動(dòng)重裝載（向上或向下計(jì)數(shù)）方式和波特率發(fā)生器方式，工作方式由t2con 的控制位來(lái)選擇。定時(shí)器2 由兩個(gè)8 位寄存器th2 和tl

7、2 組成，在定時(shí)器工作方式中，每個(gè)機(jī)器周期tl2 寄存器的值加1，由于一個(gè)機(jī)器周期由12 個(gè)振蕩時(shí)鐘構(gòu)成，因此，計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的1/12。在計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，當(dāng)t2 引腳上外部輸入信號(hào)產(chǎn)生由1 至0 的下降沿時(shí)，寄存器的值加1，在這種工作方式下，每個(gè)機(jī)器周期的5sp2 期間，對(duì)外部輸入進(jìn)行采樣。若在第一個(gè)機(jī)器周期中采到的值為1，而在下一個(gè)機(jī)器周期中采到的值為0，則在緊跟著的下一個(gè)周期的s3p1 期間寄存器加1。由于識(shí)別1 至0 的跳變需要2 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期），因此，最高計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的1/24。為確保采樣的正確性，要求輸入的電平在變化前至少保持一個(gè)完整周期的時(shí)間，以保證輸入

8、信號(hào)至少被采樣一次?？删幊虝r(shí)鐘輸出：定時(shí)器2 可通過(guò)編程從p1.0 輸出一個(gè)占空比為50%的時(shí)鐘信號(hào)。p1.0 引腳除了是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的i/o 口外，還可以通過(guò)編程使其作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部時(shí)鐘輸入和輸出占空比50%的時(shí)鐘脈沖。當(dāng)時(shí)鐘振蕩頻率為16mhz 時(shí)，輸出時(shí)鐘頻率范圍為61hz4mhz。uart：at89s51的工作方式與at89c51工作方式相同。串口為全雙工結(jié)構(gòu)，表示可以同時(shí)發(fā)送和接收，它還具有接收緩沖，在第一個(gè)字節(jié)從寄存器讀出之前，可以開(kāi)始接收第二個(gè)字節(jié)。（但是如果第二個(gè)字節(jié)接收完畢時(shí)第一個(gè)字節(jié)仍未讀出，其中一個(gè)字節(jié)將會(huì)丟失）。串口的發(fā)送和接收寄存器都是通過(guò)sfr sbuf進(jìn)行訪

9、問(wèn)的。寫入sbuf的數(shù)據(jù)裝入發(fā)送寄存器，對(duì)sbuf的讀操作是對(duì)物理上分開(kāi)的接收寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。該串口有4種操作模式（模式0、模式1、模式2和模式3），在這4種模式中，發(fā)送過(guò)程是以任意一條寫sbuf作為目標(biāo)寄存器的指令開(kāi)始的，模式0時(shí)接收通過(guò)設(shè)置r0=0及ren=1初始化，其他模式下如若ren=1則通過(guò)起始位初始化。中斷：at89s51共有6 個(gè)中斷向量：兩個(gè)外中斷（int0 和int1），3 個(gè)定時(shí)器中斷（定時(shí)器0、1、2）和串行口中斷。這些中斷源可通過(guò)分別設(shè)置專用寄存器ie 的置位或清0 來(lái)控制每一個(gè)中斷的允許或禁止。ie 也有一個(gè)總禁止位ea，它能控制所有中斷的允許或禁止。定時(shí)器2 的中斷

10、是由t2con 中的tf2 和exf2 邏輯或產(chǎn)生的，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)，這些標(biāo)志位不能被硬件清除，事實(shí)上，服務(wù)程序需確定是tf2 或exf2 產(chǎn)生中斷，而由軟件清除中斷標(biāo)志位。定時(shí)器0 和定時(shí)器1 的標(biāo)志位tf0 和tf1 在定時(shí)器溢出那個(gè)機(jī)器周期的s5p2 狀態(tài)置位，而會(huì)在下一個(gè)機(jī)器周期才查詢到該中斷標(biāo)志。然而，定時(shí)器2 的標(biāo)志位tf2 在定時(shí)器溢出的那個(gè)機(jī)器周期的s2p2 狀態(tài)置位，并在同一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)查詢到該標(biāo)志。時(shí)鐘振蕩器：at89s51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1 和xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體

11、或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容c1、c2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容c1、c2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pf10f。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到xtal1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2 則懸空。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)一個(gè)2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有特殊要求，但最小

12、高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。flash存儲(chǔ)器的編程：at89s51單片機(jī)內(nèi)部有8k字節(jié)的flash perom，這個(gè)flash 存儲(chǔ)陣列出廠時(shí)已處于擦除狀態(tài)（即所有存儲(chǔ)單元的內(nèi)容均為ffh），用戶隨時(shí)可對(duì)其進(jìn)行編程。編程接口可接收高電壓（+12v）或低電壓（vcc）的允許編程信號(hào)。低電壓編程模式適合于用戶在線編程系統(tǒng)，而高電壓編程模式可與通用eprom 編程器兼容。數(shù)據(jù)查詢：at89s51 單片機(jī)用data palling 表示一個(gè)寫周期結(jié)束為特征，在一個(gè)寫周期中，如需讀取最后寫入的一個(gè)字節(jié)，則讀出的數(shù)據(jù)的最高位（p0.7）是原來(lái)寫入字節(jié)最高位的反碼。寫周期完

13、成后，所輸出的數(shù)據(jù)是有效的數(shù)據(jù)，即可進(jìn)入下一個(gè)字節(jié)的寫周期，寫周期開(kāi)始后，data palling 可能隨時(shí)有效。ready/busy：字節(jié)編程的進(jìn)度可通過(guò)“rdy/bsy 輸出信號(hào)監(jiān)測(cè)，編程期間，ale 變?yōu)楦唠娖健癶”后，p3.4（rdy/bsy）端電平被拉低，表示正在編程狀態(tài)（忙狀態(tài)）。編程完成后，p3.4 變?yōu)楦唠娖奖硎緶?zhǔn)備就緒狀態(tài)。程序校驗(yàn)：如果加密位lb1、lb2 沒(méi)有進(jìn)行編程，則代碼數(shù)據(jù)可通過(guò)地址和數(shù)據(jù)線讀回原編寫的數(shù)據(jù)，采用如圖12的電路。加密位不可直接校驗(yàn)，加密位的校驗(yàn)可通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)器的校驗(yàn)和寫入狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證。芯片擦除：利用控制信號(hào)的正確組合并保持ale/prog 引腳10ms

14、的低電平脈沖寬度即可將perom 陣列（4k字節(jié)）和三個(gè)加密位整片擦除，代碼陣列在片擦除操作中將任何非空單元寫入“1”，這步驟需再編程之前進(jìn)行。3.1.2 a/d轉(zhuǎn)換芯片adc0809 adc0809是典型的8位8通道逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，其實(shí)物如圖1-3所示。它可以和微型計(jì)算機(jī)直接接口。adc0809轉(zhuǎn)換器的系列芯片是adc0808，可以相互替換。3.1.3 adc0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖4.3 adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。圖中多路模擬開(kāi)關(guān)可選通8路模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，并共用一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)a、b

15、、c三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存與譯碼，如表4.3所示。表4.3 adc0809通道選擇表c(addc)b(addb)a(adda)選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in73.1.4 adc0809的引腳adc0809芯片為28引腳雙列直插式芯片，其主要功能：(1)in0in7：8路模擬量輸入通道。(2)a、b、c：模擬通道地址線。這3根地址線用于對(duì)8路模擬通道的選擇，其譯碼關(guān)系如表4.3所示。其中，a為低地址，c為高地址，引腳圖中為adda，addb和addc。(3)ale：地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ale上跳沿，a、b、c地址狀態(tài)送入地址

16、鎖存器中。(4)start：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。start上升沿時(shí)，復(fù)位adc0809；start下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換；在a/d轉(zhuǎn)換期間，start應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫為st。(5)d7d0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。d0為最低位，d7為最高。 (6)oe：輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。(7)clk：時(shí)鐘信號(hào)。adc0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500khz的時(shí)鐘信號(hào)。(8)eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)

17、。eoc=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；eoc=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。(9)vcc： +5v電源，gnd：地。 (10)vref：參考電壓。參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=0v)。3.1.5 4位一體7段led數(shù)碼管本實(shí)驗(yàn)的顯示模塊主要由一個(gè)4位一體的7段led數(shù)碼管(sm410564)構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。它是一個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的原理圖如圖4.5所示。每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收at89c52的

18、p1口產(chǎn)生的顯示段碼。c1，c2，c3，c4引腳端為其位選端，用于接收at89c52的p3口產(chǎn)生的位選碼。圖4.5 一位數(shù)碼管的原理圖圖4.6 4位一體7段led數(shù)碼管圖3.2 控制電路模塊3.2.1 at89s51的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路at89s51的復(fù)位電路如圖4.7所示。當(dāng)單片機(jī)一上電，立即復(fù)位；另外，如果在運(yùn)行中，外界干擾等因素使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛”，就可以通過(guò)按鍵使其復(fù)位。復(fù)位也是使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常狀態(tài)的一種操作。圖4.7 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路電容c和電阻r1實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。增加按鍵開(kāi)關(guān)s又可實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。一般取c=10uf,r1=1k。單片機(jī)中c

19、pu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(duì)應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。mcs-51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(jiǎn)，只需要一個(gè)晶振和2個(gè)電容即可。電路中的器件選擇可以通過(guò)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(duì)震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是3010pf，在這個(gè)系統(tǒng)中選

20、擇了33uf；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(hào)震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12mhz，因而時(shí)鐘信號(hào)的震蕩頻率為12mhz。3.2.2 a/d轉(zhuǎn)換電路 a/d轉(zhuǎn)換由adc0809完成。adc0809具有8路模擬輸入端口，地址線（2325腳）可決定對(duì)哪一路模擬輸入作a/d轉(zhuǎn)換。22腳為地址控制，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。6腳為測(cè)試控制，當(dāng)輸入一個(gè)2s寬高電平脈沖時(shí)，就開(kāi)始a/d轉(zhuǎn)換。7腳為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，7腳輸出高電平。9腳為a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)oe腳為高電平時(shí)，a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從該端口輸出。10腳為adc0809的時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)at89s51的30腳的六分頻晶振頻率再通過(guò)14024二分頻得到1mhz時(shí)鐘。at89s51與adc0809的連接電路原理圖如圖4.8所示。 圖4.8 at89s51與adc0809的連接電路原理圖at89s51與adc0809的連接必須注意處理好3個(gè)