基于-AT89S52單片機(jī)智能沖擊電流計(jì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

1、-省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案項(xiàng) 目 申 報(bào) 表工程名稱: 基于AT89S52單片機(jī)的智能沖擊電流計(jì)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)學(xué)校名稱理工學(xué)院南湖學(xué)院學(xué)生專 業(yè)性 別入 學(xué) 年 份周旭陽(yáng)電子信息工程男2021朱玉軍電子信息工程男2021中華電子信息工程男2021春波電子科學(xué)與技術(shù)男2021艷杰電子科學(xué)與技術(shù)男2021指導(dǎo)教師梅孝安職稱副教授學(xué)科專業(yè)電子與通信學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況工程組成成員均學(xué)習(xí)刻苦、成績(jī)優(yōu)秀、積極上進(jìn)，都具有扎實(shí)的專業(yè)根底知識(shí)、較強(qiáng)的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。每位成員各有特色與長(zhǎng)處，能夠恰到好處的互補(bǔ)，是一個(gè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。工程組成員長(zhǎng)期在信息學(xué)院創(chuàng)新基地進(jìn)展工程開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，其中艷杰

2、等同學(xué)曾參加過(guò)學(xué)校挑戰(zhàn)杯比賽，取得了優(yōu)秀的成績(jī)。周旭陽(yáng)，工程主持人，曾屢次擔(dān)任學(xué)生干部，具有很強(qiáng)的組織、協(xié)調(diào)和溝通能力以及感召力。專業(yè)成績(jī)優(yōu)秀，具有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，在單片機(jī)開(kāi)發(fā)、數(shù)字信號(hào)處理方面有很深的理論功底，長(zhǎng)期在信息學(xué)院創(chuàng)新根底學(xué)習(xí)實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了電子天平等系統(tǒng)，能從宏觀上把握整個(gè)工程的運(yùn)作。朱玉軍，動(dòng)手能力強(qiáng)，專業(yè)成績(jī)優(yōu)秀，電子線路設(shè)計(jì)能力強(qiáng)，能勝任本系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。中華，思維敏捷，具有較好的計(jì)算機(jī)軟件編程能力，擅長(zhǎng)程序調(diào)試與改良，能勝任本工程軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。春波，屢次擔(dān)任學(xué)生干部，有較強(qiáng)的溝通，協(xié)調(diào)能力。無(wú)論在專業(yè)知識(shí)方面，還是團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面，均能發(fā)揮積極的作用。艷杰，專業(yè)綜合成績(jī)優(yōu)秀

3、。精通單片機(jī)設(shè)計(jì)和C51編程，同時(shí)，文字功底很深，能夠很好的撰寫(xiě)論文。指導(dǎo)教師承當(dāng)科研課題情況本工程指導(dǎo)教師梅孝安同志，副教授，電子與通信工程碩士，省青年教學(xué)能手。梅孝安同志長(zhǎng)期在教學(xué)科研一線工作，具有較強(qiáng)的教學(xué)與科研能力。近幾年梅孝安在國(guó)際國(guó)權(quán)威刊物上公開(kāi)發(fā)表論文20多篇，其中有10篇被SCI、EI收錄；主持省科技廳科技計(jì)工程一項(xiàng)，主持完成省教育廳科研工程一項(xiàng)DWDM系統(tǒng)中非線性效應(yīng)的研究；主持完成省教育廳教研工程一項(xiàng)構(gòu)建大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)的探索與實(shí)踐，重要參與省自然科學(xué)基金工程2項(xiàng)，重要參與省級(jí)精品課程1門(mén)，主持理工學(xué)院重點(diǎn)教改1項(xiàng)，一般教研工程1項(xiàng)，獲理工學(xué)院校級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

4、梅孝安同志先后擔(dān)任過(guò)單片機(jī)原理與應(yīng)用、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、光纖通信等課程的教學(xué)工作，2次獲得理工學(xué)院課堂教學(xué)比武一等獎(jiǎng)，屢次榮獲學(xué)校課堂教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)。梅孝安同志指導(dǎo)學(xué)生完成省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)工程一項(xiàng)，指導(dǎo)學(xué)生省大學(xué)生"挑戰(zhàn)杯課外創(chuàng)新比賽獲二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。工程研究和實(shí)驗(yàn)的目的、容和要解決的主要問(wèn)題沖擊電流計(jì)不是用來(lái)測(cè)量電流的，而是直接測(cè)量脈沖電量的，常用來(lái)測(cè)量與電量有關(guān)的物理量，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、高電阻等，它是根本精細(xì)儀器之一，在工程生產(chǎn)與精細(xì)測(cè)量領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。沖擊電流計(jì)可以測(cè)量在暫短時(shí)間流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。本工程利用現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)與高速A/D芯片采用全新的思想設(shè)

5、計(jì)與開(kāi)發(fā)一套智能沖擊電流計(jì)。下面以充滿電的電容放電為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)思想。電容放電時(shí)其電量的變化情況如圖1所示。本工程設(shè)計(jì)的沖擊電流計(jì)能測(cè)量出暫短時(shí)間流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。設(shè)計(jì)思想是：如要測(cè)出t1t2時(shí)間遷移的電量，則在t1t2時(shí)間取樣，利用高速A/D芯片通過(guò)單片機(jī)測(cè)出其電壓值，計(jì)算出其電流值，乘以間隔時(shí)間，即可得到間隔期間的電量值，最后把所測(cè)得的電量Q累加起來(lái)，即得到所要的遷移電量，最后通過(guò)4位數(shù)碼管顯示所測(cè)電量值。毫無(wú)疑問(wèn)，取樣間隔時(shí)間越短，測(cè)量精度越高，但對(duì)A/D芯片的要求也越高。圖1 電容放電情況沖擊電流計(jì)一個(gè)典型的應(yīng)用是用電容漏電法準(zhǔn)確測(cè)量高電阻。高電阻一般指100萬(wàn)歐以上的電阻

6、，由于惠更斯電橋靈敏度有限，因此高電阻一般不能也不宜用它作準(zhǔn)確測(cè)量。但用漏電法能比擬準(zhǔn)確地測(cè)量高電阻，其測(cè)量原理如圖2所示。圖2 漏電法測(cè)高阻電路圖測(cè)量方法是將被測(cè)電阻R與電容C并聯(lián)，先將電容器充電，然后將開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，即不與3接觸，也不與1接觸，電容器上的電荷將通過(guò)高電阻R泄漏，準(zhǔn)確控制漏電的時(shí)間并測(cè)出剩余電量就能通過(guò)計(jì)算得出高電阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏電的時(shí)間，即開(kāi)關(guān)動(dòng)手與秒表手工停啟，實(shí)驗(yàn)誤差非常大。本工程設(shè)計(jì)的智能沖擊電流還設(shè)有智能開(kāi)關(guān)控制器模塊，該模塊利用單片機(jī)定時(shí)系統(tǒng)和繼電器電磁開(kāi)關(guān)能進(jìn)展準(zhǔn)確的定時(shí)控制，用戶可以隨意設(shè)定電容充電的時(shí)間、電容對(duì)電阻放電的時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)

7、完成各種狀態(tài)的切換，測(cè)量精度非常高。本工程研究的容是利用AT89S52單片機(jī)、高速A/D芯片、繼電器以及數(shù)碼管等外圍器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出一套具有精準(zhǔn)控時(shí)智能開(kāi)關(guān) 控制器的數(shù)字智能沖擊電流計(jì)。利用此儀器附加其他設(shè)備，就可以準(zhǔn)確的測(cè)量電量、高電阻、電容以及磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。目前，課題組成員經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的前期調(diào)研與分析，設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的主模塊，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，情況良好。主要存在的問(wèn)題是缺少資金，還沒(méi)有制成實(shí)物，無(wú)法驗(yàn)證測(cè)量的精度。國(guó)外研究現(xiàn)狀和開(kāi)展動(dòng)態(tài)目前沖擊電流計(jì)的開(kāi)展正由傳統(tǒng)機(jī)械式向電子數(shù)字式轉(zhuǎn)變。一、機(jī)械式?jīng)_擊電流計(jì)利用永久磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)載流線圈作用的原理制成的一種電流計(jì)。它的主要構(gòu)造有

8、固定的永久磁鐵和活動(dòng)的線圈。其構(gòu)造如圖3所示，線圈由懸絲懸掛，懸絲除了提供微小的恢復(fù)力矩外，還用作通入線圈電流的引線，線圈的另一引線是下螺旋，在動(dòng)圈的上端裝有反射小鏡，利用它對(duì)光線的反射來(lái)指示活動(dòng)局部的偏轉(zhuǎn)。在距小鏡一定距離處安裝一標(biāo)尺，由小燈產(chǎn)生的狹窄光束投向小鏡，經(jīng)小鏡反射到標(biāo)尺上，形成明晰的光標(biāo)，以指示活動(dòng)局部的偏轉(zhuǎn)角。這種電流計(jì)的靈敏度很高,但極易受外界振動(dòng)的影響,使用時(shí)應(yīng)將它固定安裝在穩(wěn)固位置或堅(jiān)實(shí)墻壁上。由于操作復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，所以使用非常不方便。目前我國(guó)局部高校實(shí)驗(yàn)室和研究所還在使用此種沖擊電流計(jì), 見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。圖3機(jī)械式?jīng)_擊電流計(jì)構(gòu)造圖二、數(shù)字沖擊電流計(jì)數(shù)字式?jīng)_擊電流計(jì)不

9、同于原來(lái)的磁電式?jīng)_擊電流計(jì)，現(xiàn)在市面上的數(shù)字沖擊電流計(jì)是使用大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運(yùn)算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件組成的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表，它主要用于測(cè)量短時(shí)間脈沖所遷移的電量，故可用來(lái)測(cè)量與此相關(guān)的物理量。數(shù)字沖擊電流計(jì)用LED數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，讀數(shù)清晰，數(shù)據(jù)自動(dòng)保持，直至被下一次的測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)取代，因而消除了人為的讀數(shù)誤差。數(shù)字沖擊電流計(jì)相比傳統(tǒng)的沖擊電流計(jì)有無(wú)論是在操作性還是結(jié)果的準(zhǔn)確性上都有很大的提高。數(shù)字沖擊電流計(jì)測(cè)高電阻與普通式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1不用安裝在墻上，省去調(diào)節(jié)光路的麻煩，不怕震動(dòng)。2電路簡(jiǎn)化，不用接電磁阻尼開(kāi)關(guān)盒換向開(kāi)關(guān)。3測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)量限，不會(huì)損壞儀器，恢復(fù)測(cè)量狀態(tài)非

10、常容易。4數(shù)字儀表的測(cè)量精度比模擬儀表高，測(cè)量結(jié)果的不確定度小。5普通沖擊電流計(jì)是根據(jù)標(biāo)尺刻度來(lái)讀數(shù)，會(huì)因個(gè)人讀數(shù)習(xí)慣不同而產(chǎn)生認(rèn)為不確定度，數(shù)字式是數(shù)字顯示，因此沒(méi)有認(rèn)為誤差。但是目前市場(chǎng)上的數(shù)字沖擊電流計(jì)有以下缺點(diǎn)：1由于使用了大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運(yùn)算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件，價(jià)格昂貴，一臺(tái)設(shè)備的價(jià)格大概在5000多元；2沒(méi)有包含智能開(kāi)關(guān)控制模塊，測(cè)量高電阻時(shí)，對(duì)電容的充電和放電均采用手工完成。由于手工控制完全跟不上電容充放電節(jié)奏，所以實(shí)驗(yàn)誤差比擬大。見(jiàn)參考文獻(xiàn)2。而本系統(tǒng)研究的智能沖擊電流計(jì)具有智能開(kāi)關(guān)控制器模塊，能準(zhǔn)確地設(shè)定電容充電和放電時(shí)間，因此極提高了實(shí)驗(yàn)的精度。參考文獻(xiàn)：

11、1郭鴻章 王景陽(yáng).沖擊電流計(jì)的研究.電工學(xué)院學(xué)報(bào).Vol.15 No.3 Sep.19982 付時(shí)明.用數(shù)字沖擊電流計(jì)測(cè)高電阻.物理與工程 Vol.15 No.1 2021. 本工程學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)本工程的學(xué)生為電子類的大三本科生，已經(jīng)完成了對(duì)單片機(jī)、模擬電子線路、數(shù)字電路理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。工程組成員長(zhǎng)期在信息學(xué)院創(chuàng)新基地從事電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，工程主持人周旭陽(yáng)同學(xué)開(kāi)發(fā)過(guò)電子電平測(cè)量系統(tǒng)，艷杰同學(xué)開(kāi)發(fā)過(guò)無(wú)線溫控智能電風(fēng)扇等系統(tǒng)。其他同學(xué)也開(kāi)發(fā)過(guò)相應(yīng)的小系統(tǒng)，都具有豐富的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)經(jīng)歷。對(duì)于本工程課題組成員在梅孝安教師的指導(dǎo)下進(jìn)展了詳細(xì)的前期調(diào)研與開(kāi)發(fā)工作。對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)展了

12、詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)PROTEUS仿真，情況良好。下面介紹一下工程組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要模塊。1 鍵盤(pán)控制模塊鍵盤(pán)控制模塊的電路圖如圖4所示。該模塊由4個(gè)按鍵電路組成，其作用分別是狀態(tài)切換、加、減、開(kāi)場(chǎng)。默認(rèn)的狀態(tài)是狀態(tài)A為設(shè)置充電時(shí)間，當(dāng)按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵是轉(zhuǎn)到狀態(tài)B為設(shè)置放電時(shí)間，再按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵轉(zhuǎn)到狀態(tài)C為設(shè)定沖擊電流計(jì)的檢測(cè)時(shí)間，所有的時(shí)間都可以用加減鍵來(lái)設(shè)定，每按一下。按下開(kāi)場(chǎng)鍵，系統(tǒng)開(kāi)場(chǎng)自動(dòng)運(yùn)行，按設(shè)定的時(shí)間在三種狀態(tài)自動(dòng)切換。圖4 鍵盤(pán)電路圖2充放電狀態(tài)顯示模塊該模塊的電路如圖5所示，當(dāng)充電紅燈亮起時(shí)表示在給電容充電，當(dāng)放電綠燈亮起時(shí)表示電容正處于放電狀態(tài)，讓用戶清楚系統(tǒng)的工作狀

13、態(tài)。圖5 充放電狀態(tài)顯示電路3顯示模塊顯示電路如6所示，由4個(gè)8段LED數(shù)碼管組成了動(dòng)態(tài)顯示電路，4個(gè)數(shù)碼管的8位字形碼并聯(lián)在一起，由單片機(jī)通過(guò)P0.0P0.7控制顯示的，而4個(gè)位選線則是由單片機(jī)上的P2.0P2.3控制。圖6 數(shù)碼管顯示模塊4A/D采樣模塊A/D采樣電路如7所示，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用ADC808為A/D采樣芯片，ADC0808是8為并行高速A/D芯片。ADC0808的26腳為采樣模擬信號(hào)輸入，模擬信號(hào)采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)單片機(jī)的P1口傳入。圖7A/D采樣模塊5系統(tǒng)總電路系統(tǒng)主題總電路如圖8所示。我們采用PROTEUS仿真，系統(tǒng)仿真運(yùn)行情況良好，到達(dá)了設(shè)計(jì)的要求。圖8系統(tǒng)總

14、電路圖綜上所述，本課題組成員通過(guò)前期充分的調(diào)研與論證，可以認(rèn)為，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案是科學(xué)可行的。工程的創(chuàng)新點(diǎn)和特色本工程打算利用AT89S52單片機(jī)、高速A/D芯片、繼電器以及數(shù)碼管等外圍器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出一套具有精準(zhǔn)控時(shí)智能開(kāi)關(guān)控制器的數(shù)字智能沖擊電流計(jì)。本工程的創(chuàng)新與特色點(diǎn)如下：1本工程設(shè)計(jì)的智能沖擊電流計(jì)是利用AT89S52單片機(jī)和ADC0808芯片對(duì)電流脈沖進(jìn)展采樣測(cè)量，通過(guò)累加測(cè)出其電量，其方法新穎，技術(shù)先進(jìn)；2本工程設(shè)計(jì)的智能沖擊電流計(jì)功能齊全，具有智能開(kāi)關(guān)控制模塊，能準(zhǔn)確的控制開(kāi)關(guān)各種狀態(tài)的時(shí)間，為高電阻的測(cè)量等領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的工具，極大的方便了用戶；3本工程設(shè)計(jì)的智能沖擊電流計(jì)所采用的芯片與技術(shù)非常成熟，本錢(qián)低，相比擬現(xiàn)在市場(chǎng)上5000多的數(shù)字沖擊電流計(jì)具有極大的本錢(qián)優(yōu)勢(shì)。工程的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果技術(shù)路線：本工程主要利用單片機(jī)來(lái)進(jìn)展系統(tǒng)過(guò)程控制。其中涉及到的主要技術(shù)有單片機(jī)定時(shí)技術(shù)、單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接控制技術(shù)、4位8段LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)、繼電器控制技術(shù)以及一些數(shù)據(jù)處理技術(shù)。進(jìn)度安排：主要階段性成果序號(hào)研究階段起止時(shí)間階段成果名稱成果形式1工程總體規(guī)劃，建立系統(tǒng)硬件模型文檔2工程軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)文檔3 采購(gòu)硬件設(shè)備，制成實(shí)物實(shí)物、文檔4測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)，撰寫(xiě)相應(yīng)論文實(shí)物，文檔5發(fā)表論文，整理研究報(bào)告文檔6研究報(bào)告撰寫(xiě)完成