基于单片机的电流电压测量系统设计

基于单片机的电流电压测量系统设计目录1 前言 (2)1.1 电子测量概述 (2)1.2 数字电压表的特点 (2)1.3 单片机的概述 (3)2 系统方案的选择与论证 (4)2.1 功能要求 (4)2.2 系统的总体方案规划 (4)2.3 各模块方案选择与论证 (5)2.3.1 控制模块 (5)2.3.2 量程自动转换模块 (5)2.3.3 A/D转换模块 (5)2.3.4 显示模块 (6)2.3.5 通信模块 (6)3 系统的硬件电路设计与实现 (7)3.1 系统的硬件组成部分 (7)3.2 主要单元电路设计 (7)3.2.1 中央控制模块 (7)3.2.2 量程自动转换模块 (8)3.2.3 A/D模数转换模块 (13)3.2.4 显示模块 (14)3.2.5 通信模块 (15)3.2.6 电源部分 (16)4 系统的软件设计 (16)4.1 软件的总体设计原理 (16)4.1.1 A/D转换程序设计 (17)4.1.2 数字滤波程序设计 (18)4.1.3 量程自动转换的程序设计 (20)5 系统调试及性能分析 (22)5.1 调试与测试 (22)5.2 性能分析 (22)6 结束语 (23)6.1 设计总结 (23)6.2 设计的心得 (23)7 致谢词 (24)附录 (25)附录1 参考文献 (25)附录2 系统总电路图 (26)附录3 源程序 (27)1前言1.1 电子测量概述从广义上讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电子学中测量有关电量的量值。

与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：①测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；②量程很广；③测量准确度高；④测量速度快；⑤易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；⑥易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。

随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。

微机的出现为解决上述问题提供了条件。

利用微机的记忆，存储，数学运算，逻辑判断和命令识别等能力，发展了微机化和自动测试系统。

近年来微机和大规模集成电路发展很快，价格大幅下降，同时在测试系统中还解决了通用接口母线标准化问题，使微机化仪器和自动测试系统得到了很大发展，正改变着电子测量的面貌。

1.2 数字电压表的特点1.读数直观、准确电压表的数字化，是将连续的模拟量(如直流电压)转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。

这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

2.显示范围宽、分辫力高指针表的分辫力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得很细，太细了视觉分辫也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从2（1/2）到10（1/2）。

3.输入阻抗数字电压表的输入阻抗可高达(1~10000)M。

输入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。

4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形成大规模或超大规模集成电路。

这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。

目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。

5.可扩展能力强直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等，还可以附加智能化。

例如:计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。

1.3 单片机的概述单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM、EPROM）和各种输入、输出接口，这样一块集成电路芯片上具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。

并且其发展历史可分为以下四个阶段：第一阶段：单片机初级阶段。

因工艺限制，单片机采用双片的形势而且功能比较简单。

例如，仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8为CPU，64 B RAM和2个并行口。

因此，还需加一块3851才能组成一台完整的计算机。

第二阶段：低性能单片机阶段。

以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。

第三阶段：高性能单片机阶段。

这个阶段推出的单片机普遍带有I/O口，多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。

这类单片机的典型代表是：Intel公司的MCS-51系列、Motorola 公司的6801和Zilog公司的Z8等。

由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。

第四阶段：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。

此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。

2系统方案的选择与论证2.1 功能要求使用AD/DC模数转换模块把模拟量转换成数字量，再采用AT89C52单片机进行电压、电流表的计算和显示，并将数据发送给PC机，要求进行硬件，软件系统设计。

1、4位电压、电流显示2、8个档位自动调节3、电压范围0——1000V4、电流范围0——5A5、能串口发送给计算机，并以适时波形显示2.2 系统的总体方案规划本设计主要由五大模块组成：量程自动转换模块、A/D模数转换模块、单片机控制模块、显示模块和通信模块。

按系统功能实现要求，控制模块采用AT89C52单片机，通过程序来进行电压、电流的计算等数据处理，及其功能控制；量程自动转换模块包括电压衰减和8个档位自动换档，采用纯硬件搭建；A/D转换模块采用ADC0809芯片；显示模块采用四个LED数码管静态显示电压、电流值。

通信模块采用串口通信将数据发送给PC机。

使用MAX232芯片，实现电平转换功能，使单片机的TTL电平与RS232的电平实现匹配。

如图2.1所示：图2.1 系统总体框图2.3 各模块方案选择与论证2.3.1控制模块中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。

对中央处理器的选择多种多样，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机作为主控制器。

它支持ISP在线可编程写入技术！串行写入、其频率高达33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

稳定性更好。

AT89S52 高性能8位单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

2.3.2量程自动转换模块方案一、采用软件编程技术。

特点：硬件简单，但编程复杂。

方案二、采用纯硬件搭建技术。

利用一些廉价的元器件组成量程自动转换电路，特点：所用硬件多，但成本低，且不需要复杂的软件编程及调试。

考虑到本次设计所需硬件较少，且所用元器件容易购买，成本低。

故采用方案二2.3.3 A/D转换模块方案一、采用双积分A/D转换技术。

特点是：精度高，抗干扰能力强。

但高精度的双积分A/D芯片，价格较贵，增加了单片机系统的成本。

方案二、采用比较型A/D转换器（ADC1210）。

特点是：测量速度快（最高可达每秒100万次以上），电路比较简单，但抗干扰能力差。

方案三、采用逐次逼近型A/D转换器（ADC0809）。

特点是：价格便宜，容易购买，但精度较低。

ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。

带8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器。

考虑到成本低，因而选用方案三。

2.3.4 显示模块方案一、采用LCD显示。

特点：显示内容丰富，采用数字式接口，体积小、重量轻，功率消耗小，但编程复杂，且成本相对LED较高。

方案二、采用LED并行动态显示。

即一位一位地轮流点亮各位显示器。

对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。

其硬件电路简单，但同样的功率驱动下，显示亮度不及静态显示，且占用I/O口较多。

方案三、采用LED串行静态显示。

即显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止，这种方式每一个显示位都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，但仅占用控制器串口的两个I/O口，软件实现简单，显示亮度高，成本低。

LED数码管显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为7段LED显示器，因为LED 数码管显示成本较低，外加一个驱动芯片，所需单片机接口较少，且程序容易实现。

故考虑到本次设计的需要，只要显示4位电压、电流值，采用方案三，使用4个共阳数码管及4个驱动芯片74LS164。

2.3.5 通信模块方案一、采用并行通信方式。

所传送的各位同时发送或接收。

一个并行数据占多少位二进制数，就要多少根传输线，这种方式的特点：通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输。

方案二、采用串行通信方式。

所传送的数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。

这种方式的特点：由于它每次只能传送一位，所以传送速度较慢。

但它仅需要一到两根传输线，故传输数据时比较经济，且所占I/O口少。

本次设计是单片机与PC机的通信，要采用MAX232电平转换电路，可将单片机的TTL 电平转换为PC机的串口电平。