基于AT89C52的毫安級數(shù)字式電流測量儀的設(shè)計

賀君鵬

（西安外事學院 工學院，陜西 西安 710077）

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的不對更新，特別是單片機的普及，使得測量以及控制儀器儀表技術(shù)也相應(yīng)的得到發(fā)展與創(chuàng)新。但目前市場上常見的電流測量儀器多以指針式為主，指針式儀器因其本身特點，存在很多的不足，特別是對小電流的測量，具有測量不夠準確，易受干擾，顯示誤差累計等缺點[1-2]。所以采用單片機設(shè)計的數(shù)字式測量儀器得到了社會的高度需求。數(shù)字電流表是將測得的模擬電流量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)字化，相對針式電流表有著測量數(shù)據(jù)準確，精度高，測量簡單，易讀取數(shù)據(jù)的特點，類似數(shù)字式萬用表，有著相當?shù)膶嵱眯浴Ｍㄟ^選用16位的A/D轉(zhuǎn)換器，使測量誤差提高到≤0.000 01 A以下。通過檔位控制，使測量范圍有1～10 mA，10～100 mA，100～1 000 mA，多個檔位的測量，實現(xiàn)毫安級電流的毫安級測量。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)思路和設(shè)計框圖

1.1.1 系統(tǒng)思路

模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量需要AD轉(zhuǎn)化器，而AD轉(zhuǎn)換器是對輸入電壓U的數(shù)字化，不能對電流I進行數(shù)字化，所以應(yīng)先將測量電路的電流I轉(zhuǎn)換成電壓U，可通過在測量電路中串接一個采樣電阻R，完成電流向電壓的轉(zhuǎn)換U（U=IR）。然后A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓U轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，發(fā)送給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行讀取、儲存、分析和計算，得出電流結(jié)果。最后單片機與液晶顯示器之間進行通信，完成電流的顯示[3]。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1.2 設(shè)計框圖

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 System design

1.2 方案選取

1.2.1 微處理器

MSP430系列雖然本身集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，使外圍電路簡單化，但是其程序編寫相當復(fù)雜，且本身集成的AD轉(zhuǎn)換器的精度很難達到系統(tǒng)的要求。AVR單片機在原有系列的基礎(chǔ)上，擁有高性能、高速度、甚至是更低的功耗，但這些優(yōu)化與更新的性能背后，也存在著一些問題，例如其價格相比之下顯得較為昂貴。C51系列單片機，它從內(nèi)部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，即位處理器，也稱布爾處理器，這就意味著它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，例如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，這一點使其他種類單片機很難實現(xiàn)的[4]。所以在微處理器上本設(shè)計常用C51系列單片機AT89C52。

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分A/D轉(zhuǎn)換器通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。它的優(yōu)點是分辨率高，抗干擾性好，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速率低。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是將采樣輸入信號與給定電壓不斷地進行比較，從逐次逼近寄存器的最高位開始，順序地對寄存器的每一位將輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，進過n次比較而得到數(shù)字值。它的優(yōu)點是精度、速度、價格適中、不存在延遲問題。適合于中速率而分辨率較高的場合，但8位的ADC0809不能夠滿足系統(tǒng)要求，且高位的價格昂貴，而且速度不是很快。AD7705是美國AD公司新近推出的一種低成本、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，它適用于寬動態(tài)范圍測量、工業(yè)控制或工藝控制中的低頻信號的轉(zhuǎn)換[5]。所以綜上所述選擇性能更優(yōu)，價格低廉的AD7705。

1.2.3 顯示電路

本設(shè)計選擇能夠很好顯示字符、漢子的12864顯示屏，它是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面[6]。

1.2.4 單片機工作語言

匯編語言（Assembly Language）是面向機器的功能很強的程序設(shè)計語言。能夠利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件。匯編語言比起C語言具有運行速度更快，占用內(nèi)存更小等優(yōu)點。所以本設(shè)計選擇了的匯編語言[7]。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要包括：最小系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路。

2.1.1 最小系統(tǒng)

單片機如果想要工作，首先需要構(gòu)成其本身的最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)主要有單片機、復(fù)位電路和時鐘電路構(gòu)成。

復(fù)位電路是有電源、電阻、按鍵和電容構(gòu)成。并接在單片機的RES引腳上，當RES信號為低電平時，實驗板為工作狀態(tài)，當RESET信號為高電平時，實驗板為復(fù)位狀態(tài)。當單片機一上電，立即復(fù)位；另外，如果在運行中，外界干擾等因素使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛”，就可以通過按鍵使其復(fù)位。復(fù)位也是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)的一種操作。一般復(fù)位時RESET應(yīng)保持20毫秒以上高電平，此復(fù)位時間由接地電容控制。電容和電阻實現(xiàn)上電自動復(fù)位。增加按鍵開關(guān)K1又可實現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。一般取C=10 μF的電解電容，R1=4.7 kΩ，R2=100 Ω。

單片機中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴格按時間節(jié)拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機的時序。MCS-51單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，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，但形成時鐘電路還需附加其他電路。外接電路需要一個晶振和2個電容。電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，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±10 pF，在這個系統(tǒng)中選擇了30 pF；石英晶振選擇范圍最高可選24 MHz，它決定了單片機電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12 MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為12 MHz。最小系統(tǒng)電路[8]圖如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路Fig.2 The minimum system circuit

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換由AD7705完成，AD7705也需要外部接一個晶振來提供時鐘，所以我們選擇經(jīng)典的2.457 6M的石英晶體，加上兩個30pF的電容構(gòu)成晶振電路，接在芯片的2、3引腳；本設(shè)計采用2.5 V作為轉(zhuǎn)換器的基準電壓，選擇的芯片是LM258，接在AD7705的基準電壓輸入端9和10引腳；測量電路本設(shè)計選擇一通道輸入；其中CS、SCLK、DIN、DOUT、RESET和DRDY接在單片機的P0口。A/D轉(zhuǎn)換電路[9]圖如圖3所示。

圖3 AD7705連接電路圖Fig.3 AD7705 connection diagram

2.1.3 顯示電路

本設(shè)計選擇單片機與液晶的串行通信，所以直接將12864顯示屏的SID和SCLK引腳與單片機連接通信即可，PSB直接接地。液晶顯示屏連接電路圖如圖4所示。

圖4 液晶屏連接電路圖Fig.4 LCD screen map of connect the circuit

2.2 軟件設(shè)計

據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序。

2.2.1 初始化程序

所謂初始化，是對將用到的MCS_51系列單片機內(nèi)部部件片進行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化程序的主要是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序用來控制對輸入的模塊電流信號的采集測量，并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Fig.5 Flow chart of A/D conversion

2.2.3 顯示子程序

顯示子程序主要有顯示屏的初始化，寫指令，寫數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)來完成顯示。

3 數(shù)字式電流表的調(diào)試

對硬件和軟件進行了調(diào)試及測試，顯示數(shù)據(jù)如下表1，測試數(shù)據(jù)分析表明，該數(shù)字式毫安級電流測試儀，電路工作較穩(wěn)定，很好的實現(xiàn)了設(shè)計的全部要求。

表1 簡易數(shù)字電流表與“標準”數(shù)字電流表對比測試表Tab.1 Simple digital current meter and the"standard"digital ammeter contrast test table

4 結(jié) 論

該數(shù)字電流測量儀硬件采用AT89C52單片機，AD7705 A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，軟件選用匯編語言實現(xiàn)，用AltiumDesigner和Keil軟件設(shè)計原理圖和電路圖。通過實際應(yīng)用表明：本毫安級電流測量儀操作方便，測量電流準確，精度高，使用性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、外接元件少。系統(tǒng)功能、指標達到了設(shè)計的預(yù)期要求。

[1][美]克萊茨.數(shù)字電子學中文版[M].李慧軍，譯.北京:科學出版社，2012（3）：26－28.

[2]王仁道.數(shù)字電子技術(shù)[M].4版.北京:科學出版社，2010.

[3]Thomas L.Floyd.Electric CircuitsFundamentals[M].北京:清華大學出版社，2008.

[4]周航慈.智能儀器原理與設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.

[5]楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007.

[6]肖洪兵.微機原理及接口技術(shù)[M].北京:北京大學出版社，2012.

[7]羅杰，謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[8]李廣弟.單片機基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[9]姜志海，黃玉清.單片機原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，2010.