电流检测电路设计

电流检测电路设计 Revised by Liu Jing on January 12, 2021
课程设计报告题目：电流检测电路设计
课程名称：电子信息工程课程设计
学生姓名：焦道楠
学生学号：
年级： 2013级
专业：电子信息工程
班级：（1）班
指导教师：王留留
电子工程学院制
2016年3月
目录
电流检测电路设计
学生：焦道楠
指导教师：王留留
电子工程学院电子信息工程专业
1 绪论
在电学中的测量技术涉及的范围非常广，广泛应用于学校、工业、工厂、科研等各种领域，供实验室和工业现场测量使用。

随着电子技术的不断发展，在数字化和智能化不断成为主体的今天，电压、电流测量系统中占有非常重要的位置。

我们在分析和总结了单片机技术的发展历史及发展趋势的基础上，以实用、可靠、经济的设计原则为目标，设计出全数字化测量电压电流装置。

系统主要以AT89C51单片机为控制核心，整个系统由中央控制模块、A/D转换模块、LED显示模块组成。

可实现对待测电压、电流的测量，在数码管上显示。

本次课程设计我所做的项目是基于单片机的电流检测系统，主要用到A/D转换和数码管显示。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门以及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而相继开发出来。

单片机是一个器件级的计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有的电子系统中。

AT89C51是一种带4K字节闪存的可编程可插除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复的擦除多次，该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能的8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

2 设计的任务与要求
课程设计的任务
利用单片机及其相关知识，设计一个电流检测电路。

课程设计的要求
（1）画出相应电流检测电路的原理图，并进行检测，生成PCB板；
（2）编写程序，实现电流检测功能；
（3）情况允许的情况下，做出实物，并估算其成本。

3 设计方案制定
设计的原理
本设计采用AT89C51单片机芯片配合ADC0804模/数转换芯片构成一个简易的电流检测电路。

电路通过ADC0804芯片调理电路输入口IN0输入的0～5 V的模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89C51芯片的P3口。

AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码，并通过其P0口传送给数码管。

同时它还通过I/O口、、、产生位选信号，控制数码管的亮灭。

另外AT89C51还控制ADC0804的工作；和共同控制ADC0804的地址锁存端(ALE)和启动端(START)；控制ADC0804的转换结束信号(EOC)。

因为需要采集的数据是直流电流，由于
ADC0804是逐次比较型8位串行A/D转换器，只能输入电压信号，故在数据采集之前先要把直流电流信号转化为直流电压信号。

通过适当的外围电路就可以实现了。

输入电压经过ADC0804进行数据转换和数据采集，采集结果为8位二进制数，为了方便分析，也可以看成是16进制数。

最后应用程序把相应字符传输给AT89C51管理芯片并通过数码管显示数据。

其中ADC0804的数据采集和
AT89C51管理都需要在51单片机中编程实现数据传输和控制。

设计的技术方案
由于
A/D
AGND、DGND、CS、VIN-接地，RD、WR分别接单片机的RD、WR端，中断请求INTR接单片机的口，VIN+接采集信号输入。

调整变阻器HAUBLAN20K，使辅助参考端VREF脚得到标准电压。

在CLKIN、CLKOUT端设计RC振荡电路，由于
ADC0804频率限制在100Hz～1460kHz，通过对频率公式F=1/的计算，选择电阻R=20k，电容C=200pF，即可得到符合设计要求的频率。

系统由一个主控系统和一个检测模块组成。

被测电流通过ACS712芯片时，该芯片利用霍尔效应，将被测电流转换成0～5V的DC模拟信号，该模拟量经过A/D装置变成数字量。

A/D采样处理模块主要是对从ADC0804采集来的数据进行处理，完成对二进制数据BCD码的转换，并且通过P1口输出显示，P1口德低四位输出BCD码，高四位为数码管的片选信号。

ADC0804与AT89C51的连接采用循环扫描方式。

当A/D转换结束后，ADC0804向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，使数码管显示当前的电流值。

4 设计方案实施
单片机模块
模块介绍
AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大。

AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

单片机电路图
图2 单片机模块电路图
传感器模块
电流传感器的工作原理
磁补偿式的工作原理是磁场平衡，即主回路电流IP在聚磁环所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿电流IS。

这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当IP与匝数相乘所产生的磁场与IS与匝数相乘所产生的磁场相等时，IS 不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。

此时可以通过IS来测IP，当有变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复过程重新达到平衡。

被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。

ACS712简述
ACS712器件主要由靠近芯片表面的铜制电流通路和精确的低置线性霍尔传感器电路组成。

被测电流流经的通路（引脚1和2,3和4之间的电路）的内电阻通常是Ω,具有较低的功耗。

流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化为比例的电压。

通过将磁性信号尽量靠近霍尔可以消除芯片由于温度传感器来实现器件精确度的最优化。

精确的成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔集成电路提供，该集成电路在出厂时已经进行了精确的编程。

稳定斩波技术是一种新技术，它给片内霍尔器件和放大器提供最小的偏置电压，该技术几乎可以消除由温度所产生的误差。

表1 ACS712器件的引脚及功能
传感器电路图
图3 传感器模块电路图
A/D转换模块
ADC0804简述
ADC0804是一个早期的A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。

ADC0804是一个8位、单通道、低价格的A/D转换器。

主要特点是:
（1）模数转换时间大约100us；
（2）方便的TTL或CMOS标准接口；
（3）可以满足差分电压输入；
（4）具有参考电压输入端；
（5）内含时钟发生器；
（6）单电源工作时输入信号范围是0V～5V；
（7）不需要调零等。

ADC0804引脚结构
ADC0804采用的是双列直插封装，各脚功能如下：
（1）D7-D0：8位数字量输出引脚；
（2）IN0-IN7：8位模拟量输入引脚；
（3）VCC：+5V工作电压；
（4）GND：地；
（5）REF（+）：参考电压正端；
（6）REF（-）：参考电压负端；
（7）START：A/D转换启动信号输入端；
（8）ALE：地址锁存允许信号输入端（以上两种信号用于启动A/D转换）；
（9）EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平；
（10）OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器；
（11）CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）；
（12）A、B、C：地址输入线。

LCD12864点阵液晶显示模块
接口定义说明
（1）接口J901的PIN01～PIN08引脚，输入输出8位数据，连接液晶的8位数据口；
（2）接口J902的PIN01引脚，连接液晶的CS2片选引脚；
（3）接口J902的PIN02引脚，连接液晶的CS1片选引脚；
（4）接口J902的PIN03引脚，连接液晶的CE片选引脚；
（5）接口J902的PIN04引脚，连接液晶的写引脚；
（6）接口J902的PIN05引脚，连接液晶的读引脚；
（7）电位器W901可调节液晶显示对比度。

功能描述
本模块中选用的液晶为12X64像素无字库液晶，控制器为KS108B或兼容芯片。

液晶行向为128个像素，列向为64个像素；行向分成两个完全相同的左右分页屏，两个分页屏的显示通过CS1和CS2来选择。

表2 液晶接口定义
液晶显示电路图
图4 LCD12864点阵液晶显示电路图5 各模块PCB图
单片机模块
图5 单片机模块PCB图
传感器模块
图6 传感器模块PCB图
元件列表
表3 元器件价格清单
6 系统的程序设计
主程序
主程序用来调用上述子程序，包括初始化单片机、初始化ADC0804等。

#include””
u8 ADCResult
float Current
u16 CurInt
void PowerOnInirial(void)
{ ADC0804Initial() [J]. 水雷战与舰船防护. 2013(01)
[2] 许小丽,冯全源.[J]. 微电子学. 2010(02)
[3] 李群芳.单片机原理、接口及应用[M].北京:清华大学出版社,2005
[4] 林伟,付昌伟.[J]. 微纳电子技术. 2008(07)
[5] 彭为等.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006
[6] 段俊萍.[J]. 国外电子测量技术. 2009(03)
[7] 方佩敏.[J]. 今日电子. 2008(01)
[8] 王香婷,苏晓龙.[J]. 工矿自动化. 2008(02)
[9] 王锐,周泽坤,张波.[J]. 电子与封装. 2006(07)
[10] 王昭华.[J]. 电源世界. 2005(08)。