直流数字电流表的设计-机械设计制造及其自动化本科毕业设计论文.doc

班 级 xx 0学 号 xxx 0本科毕业设计论文 题 目 直流数字电流表的设计 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 导师姓名 xxx 一、毕业设计论文进度起 止 时 间 工 作 内 容2021.2.5 学习单片机和数字电路的相关知识。2021.3.5 查阅文献资料，完成设计方案。2021.4.5 编写及调试单片机程序。2021.5.5 完成电路安装及调试。2021.5.24 撰写及完善论文，准备论文辩论二、主要参考书目资料1 吴金戌.8051单片机实践与应用.北京：清华大学出版社，20022 余锡存 ?单片机原理及接口技术? xxx电子科技大学出版社 2000年3 龙脉工作室?51单片机C语言应用开发技术大全? 人民邮电出版社 08年9月4 余锡存 ?单片机原理及接口技术? xxx电子科技大学出版社 2000年5 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法，19936 潭浩强 ?C程序设计?清华大学出版社 2003年三、主要仪器设备计算机一台四、教师的指导安排情况场地安排、指导方式场地安排在物理实验中心，每周与学生会面两个下午，指导并解决毕业设计的相关问题。xx 电 子 科 技 大 学 xx 学 院毕业设计论文中期检查表学 院专 业机械设计制造及其自动化学生姓名学 号xxx班 级xx导师姓名xxx职 称高 工单 位理学院题目名称直流数字电流表的设计检 查 内 容检 查 结 果题目是否更换及更换原因否学生出勤情况该生能经常与老师联系，积极学习相关知识，与老师探讨相关问题，出勤情况良好。进 度 评 价完成总工作量的百分比70%质量评价、进度描述软件、硬件已做好总 体 评 价按优、良、中、及格、不及格五挡评价良存在的问题与建议进一步完善软、硬件并抓紧撰写论文。学 院 审 核盖章检查组教师： 2012年4月15日注：此表由指导教师填写，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一局部；此表装订入毕业设计论文中。xxx 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院毕业设计论文成绩登记表 学 院专 业机械设计制造及其自动化姓 名学 号xxx成 绩题目名称直流数字电流表的设计指导教师xxx职 称高工指导教师评语及对成绩的评定意见xxx同学能够按照毕业设计工作方案，在广泛阅读有关单片机原理及A/D转换等相关参考文献的根底上，基于单片机和C语言根本理论，利用实验方法系统地开展了对直流数字电压表的研究，获得了比拟理想的设计作品，对相关结论及存在问题进行了讨论、分析，同时将有关实验测量结果进行了比拟验证。 该同学在毕业设计期间，能按指导教师的要求认真开展工作，出勤情况良好。毕业设计工作反映出作者在通信工程专业方面已掌握了一定的根底理论和根本技能、具有一定的创新能力和解决相关实际问题的能力。论文工作量饱满，写作认真，条理清晰，推理严谨，图表曲线齐全。本论文已全面完成了毕业设计任务书的要求。建议成绩为： 。签名 年 月 日评阅人评语及成绩评定意见论文主要针对直流数字电流表进行了深入研究，选题具有实际应用的现实意义，该项研究对于单片机的推广具有很强的应用价值，对数字测量仪表的开展具有重要意义。论文主要包括以下内容：1.掌握了单片机、数字电路方面的根本原理和根本理论。2.具有分析和设计电路的根本技能和能力。3.能够解决硬件设计和调试方面的实际问题。4.在硬件设计和焊接方面具有一定的独立工作能力。论文撰写认真，内容详细，逻辑严谨，条理清晰。从论文中可以看出作者阅读了大量的国内外文献资料，在通信工程专业方面掌握了坚实的理论根底知识和根本应用技能，具有一定的分析问题和解决问题的能力。建议成绩为： 。签名 年 月 日辩论小组意见xxx同学毕业设计辩论逻辑严谨，条理清晰，内容详细。答复下列问题正确，通过辩论表达了xxx同学掌握了机械设计制造及其自动化专业方面的根本理论和根本技能，并能熟练的利用机械设计制造及其自动化专业根本知识和单片机根本技能完成测量仪器方面的应用工作。经过辩论组全体教师认真讨论，无记名投票同意该同学毕业设计成绩为 。签名 年 月 日学院辩论委员会意见辩论委员会主任签名 学院盖章 年 月 日注：学院、专业名均写全称；成绩登记表双面打印。摘要直流数字电流表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电流表是建立在数字电压表的根底上，让电压表与电阻串联，其显示的是电流，数字电压表是把连续的模拟量直流输入电压转换成不连续、离散的数字形式，并加以显示的仪表。数字电流表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电流表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。本设计采用了以单片机为开发平台，控制系采用AT89C52单片机，A/D转换采用ADC0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便进行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电流测量电路由A/D转换、数据处理、显示控制等组成。关键词：单片机 AT89C51 A/D转换 ADC0809 数据处理 ABSTRACTThe birth of digital voltage meter to break the traditional mode of electronic measuring instruments and patterns. It shows the clear and intuitive, accurate reading, the use of advanced digital technology, greatly reducing the human factor due to measurement errors caused by the incident.Digital voltmeter is the continuous analog (DC input voltage) into a non-continuous, discrete digital form and displayed in the instrument. Digital voltage meter to electronic technology, computing technology, automation technology and precision electrical measurement results of the close combination of technology, as equipment, instruments and complete the field of a branch of the independent, digital voltage meter marks a revolution in the field of electronic devices Also created a precedent for modern electronic measurement technology. This design uses a microcontroller as a development platform, the control system using AT89C52 microcontroller, A / D conversion using ADC0809. System in addition to ensure the required functionality, but also can facilitate the 8 other A / D conversion volume measurement, such as extended transmission distance measurement function. Simple digital voltage measuring circuit from the A / D conversion, data processing, display control and so on.Key words: SCM AT89C51 A / D converter ADC0809 data processing目 录第一章引言1引言1课题研究的现状和开展趋势1智能仪表目前开展状况2第二章设计任务及可行性分析5系统设计要求5系统设计思路5总体结构6数字电流表的组成6电路设计610倍放大器电路7A/D转换电路7电桥输入电路8测量电路9第三章元器件的选择11单片机的选择11A/D转换器的选择12LED显示电路的选择13所需元器件清单14第四章数字式电流表的硬件设计15硬件电路设计概述15主要元器件的介绍15单片机AT89S5115主要性能参数16AT89S51的引脚16A/D转换芯片ADC080922ADC0809内部逻辑结构22ADC0809的引脚23ADC0809的工作原理244位一体7段LED数码管24控制电路模块25总电路25AT89S51的复位电路和时钟电路26A/D转换电路27显示电路28第五章数字式电流表的软件设计29系统程序设计总方案29系统子程序设计29初始化程序29A/D转换子程序29显示子程序30系统程序代码31第六章数字式电流表的调试35软件调试35显示结果及误差分析35显示结果35误差分析38第七章结 论39致谢41参考文献43第一章 引言1.1 引言传统的指针式刻度电流表功能单一，精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需求。采用单片机的数字电流表，将连续的模拟量如直流电压转化成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC 实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与根底。以数字电流表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和 A/D 转换器构成的数字电流表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新的水平。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。1.2 课题研究的现状和开展趋势最近的十几年来，随着半导体技术、集成电路 (IC)和微处理器技术的开展， 数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电流表的日新月异，并不断出现新的类型。 数字电流表从 1952 年问世以来，经历了不断改良的过程，从最早采用继电器、电子管的型式开展到了现在的全固态化、集成化(IC 化。另一方面，精度也从0.1%提高到了现在的0.01%0.005%，而且从实验中空用的“高价样品 开始已开展到了现在为厂矿企业广所使用的的“廉价型，进而出现了能够用于安装板上作指示仪表的“安装型。 目前，数字电流表的内部核心部件是A/D 转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电流表的准确度，因而，以后数字电流表的开展就着眼在高精度和低本钱这两个方面。1.3 智能仪表目前开展状况在自动化控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的开展的。常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求，它们以经典控制理论和现代控制理论为根底，以控制对象的数学模型为依据。当今，控制理论已开展到智能控制的新阶段，自动化仪器仪表的智能化就成为必然和必须。本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器仪表研究、开发热点做概要的分析与表述。作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的进展，关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动开展，这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。智能化的自动化仪器仪表应以智能控制理论为根底，表达人的智能行为。人工智能是智能控制理论的根本组成局部之一，它以知识为根底，它的目标是建造智能化的计算机系统，用来模拟和执行人类的智力功能，如判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等等，进而用自动机模仿人类的思维过程和智能行为。基于智能控制理论根底的智能仪器仪表目前大致有几方面的进展: 1专家控制系统(expert control system, ECS)是典型的基于知识控制系统，它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它运用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。专家控制器的结构按控制要求的不同而有所不同。典型的结构由知识库、推理机、人机接口等组成。其中，知识的获取、知识库的建立是关键。人们已经总结出的方法是领域专家和知识专家的有机结合，同时收集、归纳有经验的操作员方面的知识。然后把获取的知识变成可用的规那么，以期在推理过程中得到更高的命中率。专家控制已在工业控制中得到广泛的应用。2模糊控制器(FC-Fuzzy Controller)，也称模糊逻辑控制器(FLC-Fuzzy Logic Controller)。自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊逻辑在控制领域中的应用产生了模糊控制技术。由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力，对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决一些用常规控制方法不能解决的问题，因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。模糊控制器一般由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等几个局部组成。其中，模糊化、模糊决策、清晰化是主要和根本的局部，“模糊化将输入量(精确量)变为模糊量，“模糊决策进行模糊运算，其过程是由推理机进行预估输出推理，得到模糊量输出。“清晰化将模糊量输出转化为精确量，提供应系统的驱动器定标后使用。当前，模糊控制技术在工业控制中得到广泛的应用，尤其在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊控制技术的长处。模糊控制器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。3神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高了系统的智能水平。所谓神经网络控制，简称神经控制，它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等工作。由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有对任意非线性关系的描述能力，具有通过训练学习归纳全部数据能力，使得它在控制系统中被广泛灵活地应用。数字电流表，作为智能仪表的一种，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量直流输入电压转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电流表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电流表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。 第二章 设计任务及可行性分析2.1 系统设计要求1、 可以测量0-5V的8路输入电压值；2、 测量结果可在四位LED数码管上轮流显示后单路选择显示；3、 测量最小分辨率为0.019A；4、 测量误差约为+0.0AV；2.2 系统设计思路1、 根据设计要求，选择AT89S51单片机作为核心控制器件。 2、 A/D 转换采用ADC0809 实现。与单片机的接口为 P0 口和 P2 的高四位引脚。 3、 电压显示采用4 位一体的LED 数码管。 4、 LED 数码管的段码输入，由并行端口 P1 产生；位码输入，由并行端口 P3 低三位产生。主控模块显示模块A/D转换模块2.3 总体结构2.3.1 数字电流表的组成 数字电流表的组成框图 数字直流电流表的核心是A/D转换器。按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C51单片机，A/D转换采用ADC0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其他A/D转换量的测量和远程测量结果传送等扩展功能。数字电流表系统设计方案框图如下图。AT89C51 P0P2P1 P3ADC08094位LED显示上电复位串口通信电源电路 图2.3 数字电流表系统设计方案框图2.3.2 电路设计1、IO口资源分配 P3口连接ADC0804的8位数据口；连接ADC0804的2、3引脚，进行数据读取控制； P0口连接LED数码管段码A-H； P2、0-P2、2连接LED数码管的位选驱动；连接按键连接LED指示灯；2.3.3 10倍放大器电路下列图是一个最简单的10倍放大电路，运算放大器使用的是精度比拟高的OP07，利用它，可以把0200mV的电压放大到02.000V。在使用的数字电流表量程为2.000A时，特别有用。如果把它应用在根本量程为±2A的数字电流表上，就相当于把分辨力提高了10倍，在一些测量领域中，传感器的信号往往觉得太小了，这时，可以考虑在数字流表前面加上这种放大器来提高分辨力。 图倍放大器电路2.3.4 A/D转换电路在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流而是交流，这时候，绝对不可以把交流信号直接输入到数字电流表去，必须先把被测的交流信号变成直流信号后，才可以送入数字电流表进行测量。下列图就是一个把交流信号转换成为直流信号的参考电路。说明：更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值转换电路，但是由于其专用芯片价格昂贵，多应用在一些高档场合。本电路中，输入的是0的交流信号，输出的是0的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行ACDC的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mA左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比拟器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 AC-DC转换电路2.3.5 电桥输入电路在温度测量和其他物理及化学量的测量中，经常会出现“零点的时候信号不是零的情况，这时候，下面的“电桥输入电路就被优先采用了。可以根据被测信号的特点，用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两个输入端也不再有接地点，作为一种典型的“差分输入来使用了。 电桥输入差分输入，比例输入电路2.3.6 测量电路电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路，这是一个把420mA电流转换为数字显示的电路。它的零点就是4mA而不是0mA。当输入零点电流为4mA的时候，利用IN-上面建立起来的电压，抵消掉IN+由于4mA出现的无用信号，使得数字电压表差分输入0,就实现了4mA输入时显示为0的要求。随着信号的继续增大，例如到了20mA，对数字电流表来说，相当于差分输入电流为20-4=16mA，这个16mA在电阻上的压降，就是数字电流表的最大输入信号。这时候，把数字电流表的基准电压调整到与1000mV相等，显示就是1000个字。 图2.7 测量电路简易数字电流表测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。A/D转换有集成电路ADC0809完成。ADC0809具有8路模拟输入端口，地址线(第23-25脚)可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。第22脚位地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。第6脚位测试控制，当输入一个2 宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。第7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，第7脚输出高电平。第9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出。第10脚为ADC0809的时钟输入端，利用单片机第30脚嘚分频晶振频率，再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、端口作为4位LED数码管显示控制。端口用作单路显示/循环显示转换按钮。端口用作单路显示时选择显示的通道。P0端口用作A/D转换数据读入，P2端口用作ADC0809的A/D转换控制。第三章 元器件的选择3.1 单片机的选择20世纪80年代以来，单片机的开展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：美国Intel公司：MCS51系列及其增强型系列美国Motorola公司：6801系列和6805系列美国Atmel公司：89C52等单片机美国Zilog公司：Z8系列及SUPER8美国Fairchild公司：F8系列和3870系列美国Rockwell公司：6500/1系列美国TI德克萨司仪器仪表公司：TMS7000系列NS美国国家半导体公司：NS8070系列 等等。尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS51系列单片机和美国Atmel公司的89C52单片机MCS51系列单片机包括三个根本型8031、8051、87518031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能存放器SFR、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。比拟麻烦，不予采用8051是在8031的根底上，片内集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用。8751是在8031根底上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。但其价格相对8031较贵。8031外扩一片4KB EPROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不断开展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。也不予采用。 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机。图1-6和1-7分别为其实物图和内部总体结构图。AT89S51片内含有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部 RAM，32个I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16 位定时/计数器,一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时,S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此我选择AT89S51为系统的控制器。3.2 A/D转换器的选择A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，二是逐次逼近式A/D转换器，三是并行A/D转换器。双积分A/D转换器通过两次积分将输入的模拟电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。它的优点是分辨率高，抗干扰性好，价格廉价，但转换速率低。逐次逼近式A/D转换器是将采样输入信号与给定电压不断地进行比拟，从逐次逼近存放器的最高位开始，顺序地对存放器的每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比拟，一个时钟周期完成1位转换，进过n次比拟而得到数字值。它的优点是精度、速度、价格适中、不存在延迟问题。适合于中速率而分辨率较高的场合。并行A/D转换器是内部有多个比拟器，只需要作一次比拟就可完成转换。优点是它是所有A/D转换器中速度最快的，但价格也昂贵，分辨率却不是很高。在转换精度、转换速率、以及经济上的考虑，该系统决定选用逐次逼近式A/D转换器的ADC0809型。ADC0809是典型的8位MOS型8通道逐次逼近式A/D转换器，每采集一次一般需100s。输入数字电流输入电流 电流比拟器顺序脉冲发生器逐次逼近存放器 DAC图3.1 逐次逼近式A/D转换原理图3.3 LED显示电路的选择LED显示器是由N个LED显示块拼接成N位LED显示器。N个LED显示块有N跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。1LED静态显示方式：LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或共阳极连接在一起并接地或+5V；每位的段选线adp分别与一个8位的锁存器输出相连。所以称为静态显示。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口编程容易。付出的代价是占用口线较多，假设用I/O接口，那么要占用4个8位I/O口，假设用锁存器接口，那么要用4片74LS373芯片。如果显示器位数增多，那么静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。2LED动态显示方式：在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。假设要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字节的段码。在确定LED不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。所以，由于本系统涉及到4位显示输出，采用LED动态扫描显示方式。3.4 所需元器件清单器件类型器件名数值数量单片机AT89S511A/D转换器ADC08091数码管TSEG-MP*4-CC-BLUE1开关按键开关1电容C1、C233uF2电解电容C310uF1电阻R11K2排阻RP12001变阻器RV11K1晶振X11MHz1第四章 数字式电流表的硬件设计4.1 硬件电路设计概述硬件电路设计主要包括：AT89S51单片机系统，A/D转换电路，显示电路。测量最大电压为5A，显示最大值为5.00A。本实验采用AT89S51单片机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的数字电流表。硬件电路设计由6个局部组成; A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电流输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。 时钟电路 复位电路A/D转换电路测量电流输入显示系统AT89C51 P1 P2 P2 P0 图4.1 数字式电流表系统硬件设计框图4.2 主要元器件的介绍4.2.1 单片机AT89S51AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机。图4.2和4.3分别为其实物图和内部总体结构图。AT89S51片内含有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部 RAM，32个I/O 口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两个16 位定时/计数器,一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时,S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.2.2 主要性能参数与MCS-51产品指令系列完全兼容；4K字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.05.5 V工作电压范围；全静态工作模式：0Hz33MHz；三级程序加密锁；128字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位的定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；低工耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗(WDT)及双数据指针；掉电标识和快速编程特性；灵活的在系统编程4.2.3 AT89S51的引脚AT89S51芯片为40引脚双列直插式封装，其引脚排列如图4.2所示。图4.2 AT89S51的引脚图(1)VCC：电源电压；(2)GND：接地；(3)P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，每位引脚可驱动8个TTL逻辑门路。对P0口的管脚写“1时，被定义为高阻抗输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时，它可以被定义为数据总线和地址总线的低八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口；当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。(4)P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P1口管脚写入“1后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P1口还具有第二功能，如表4.1所示。    表4.1 P1口的第二功能端口引脚第二功能MOSI(用于ISP编程)MISO(用于ISP编程)SCK(用于ISP编程) (5)P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P2口管脚写入“1后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在访问8位地址外部数据存储器时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (6)P3口：P3口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口管脚写入“1后，被内部上拉电阻拉高，可用作输入。P3口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部接有上拉电阻的缘故。P3口除了一般I/O线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表4.2所示。P3口同时为FLASH编程和编程校验接收一些控制信号表4.2 P3口的第二功能端口引脚第二功能RXD串行输入口TXD串行输出口/INTO外部中断0/INT1外部中断1T0定时器0外部输入T1定时器1外部输入/WR外部数据存储器写选通/RD外部数据存储器读选通 (7) RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 (8) ALE/RPOG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳