直流数字电流表的设计(编辑修改稿)

直流数字电流表的设计(编辑修改稿)内容摘要：

强、集成方便，还可与 PC 实时通信。 数字电压表是诸多数字 化仪表的核心与基础。 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。 课题研究的现状和发展趋势 最近的十几年来，随着半导体技术、集成电路 (IC)和微处理器技术的发展， 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，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管的型式发展到了现在的全固态化、集成化 (IC 化〕。 另一方面，精度也从 %提高到了现在的 %—— %，而且从实验中空用的“高价样品” 开始已发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，以后数字电流表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。 2 直流数字电流表的设计 智能仪表目前发展状况 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发展的。 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基础，以控制对象的数学模型为依据。 当今，控制理论已发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发展，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基础，体现人的智能行为。 人工智能是智能控制理论的基本组成部分之一，它以知识为基础，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。 基于智能控制理论基础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则，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 (FCFuzzy Controller)，也称模糊逻辑控制器 (FLCFuzzy 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 第一章 引言 3 个部分组成。 其中，模糊化、模糊决策、清晰化是主要和基本的部分，“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，提供给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。 4 直流数字电流表的设计 第二章 设计任务及可行性分析 5 第二章 设计任务及可行性分析 系统设计要求 可以测量 05V 的 8 路输入电压值； 测量结果可在四位 LED 数码管上轮流显示后单路选择显示； 测量最小分辨率为 ； 测量误差约为 +； 系统设计思路 根据设计要求，选择 AT89S51 单片机作为核心控制器件。 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。 电压显示采用 4 位一体的 LED 数码管。 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。 图 主控模块 显示模块 A/D 转换模块 6 直流数字电流表的设计 总体结构 数字电流表的组成 图 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 图 所 示。 图 数字电流表系统设计方案框图 电路设计 IO 口资源分配 AT89C51 P0 P2 P1 P3 ADC0809 4 位 LED 显示 上电复位 串口通信 电源电路 第二章 设计任务及可行性分析 7 ① P3 口连接 ADC0804 的 8 位数据口； ② 连接 ADC0804 的 3 引脚，进行数据读取控制； ③ P0 口连接 LED 数码管段码 AH； ④ P 0P 2 连接 LED 数码管的位选驱动； ⑤ , 连接按键 , 连接 LED 指示灯； 10 倍放大器电路 下图是一个最简单的 10 倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的OP07，利用它，可以把 0～ 200mV的电压放大到 0～。 在使用的数字电 流表量程为 时，特别有用。 如果把它应用在基本量程为 177。 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 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。 ） 8 直流数字电流表的设计 本电路中，输入的是 0～ ，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 AC－ DC 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较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D 转换完成， EOC 变为高电平，指示 A／ D 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，输出三态门打开，转换结果的数字量 输出到数据总线上。 图 ACDC转换电路 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。 第二章 设计任务及可行性分析 9 图 电桥输入（差分输入，比例输入）电路 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 4～ 20mA 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 204=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 16*＝ 1000mV相等，显示就是 1000 个字。 图 测量电路 10 直流数字电流表的设计 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 2325 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 2μｓ 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 P 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 11 第三章 元器件的选择 单片机的选择 20 世纪 80 年代以来，单片机的发展非常迅速，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： MCS— 51系列及其增强型系列 美国 Motorola 公司： 6801 系列和 680。