基于单片机的电流电压测量系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的电流电压测量系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

有低 阻抗。 2)输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断 力。 由于被测范围较大，因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击，又要求在超量 10 程值时对档位转换电路进行关断。 当输入量低于表内的测量精度时，也要求将档位选择器关断。 否则，当测量仪表断开时，没有输入量，而输入值量程判断器则认为此时的输入量在最小量程的档位上，当仪表接通待测量时，待测量大于最小量程档位的范围时，档位选择电路及其后级电路必定受到较大的冲击。 所以，输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断，对是否小于最小量程的精度也有 判断能力。 3)电路安全要求。 在本设计中，利用传输的延时，对档位进行从关断测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换， 这样就使得电路在测量完高待测后就能顺利地进行对最低待测量的测量。 4)成本及功耗问题。 由于输入值判断器所判断出的值不是用来测量，而是用于转换量程档位，所转换 出的数值不需要十分精确，故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。 （ 2） 电路设计的实现 1）量程判断电路的设计。 量程判断电路框图如图。 输入的被测量经分压电路分压，并经隔离电路后输入电压判断电路， 再至档位选择器。 图 量程判断电路框图 单量程的量程判断实现电路如图 ： 图 单量程判断实现电路 电路中 Uin代表被测信号，电阻 R R2 组成分压电路。 运放 A1组成隔离电路。 电压判断电路由电压源 UEF2和运放 A3组成的单限电压比较器实现。 该电压比较器的阈值电压 11 为 UT为： UT = （ R3/R4） * UREF (1) 电路下半部分与上半部分的结构和工作原理 相似。 不过，比较电压由 A4 的反 相端输入。 由 (1)式 可知，当跟随器 A1的输出大于 V 时，比较器 A3输出高电平；当跟随器 A2 的输出小于 ，比较器 A4 输出高电平；当 Uin V时，输出为低电平。 电路构成了一个窗口比较器。 量程判断器的总电路如图。 每个运放的输入端都接有稳压管进行限压，以保护运放。 图中上半部分为档位选择电路，正负电压都可由整流桥整流后送分压电阻分压， 下半部 分为输入电压的最小值判断电路，对输入被测量的有和无进行直接判断。 根据前级的分压比可以求得，当被测的电压值大于 小于 V时，输出端 INH才输出高电平。 2） 档位选择器 输入值判断器已经把电压信号分档并转换为高低电平的数字输出值输出． 档位选择器可根据输入值判断器所得结果来设计．输入值判断器的输入端电压与输出端的真值表如表 1所示。 表 1中， 1表示高电平， 0表示低电平。 由真值表的特性可知，档位选择可以用一个 8选 1模拟开关 CD4051完成。 CD4051主要由 8路 CMOS开关，译码电路和电平转换电路 3部分组成，其工作原理是主要由控制端 A、 B、 C的不同的组合状态来选通哪一路输入作为输出。 其译码表如表 2所示。 对照表 1和 表 2，可得出译码电路对各量程选择的输出端，从小到大分别为： Y0、 Y Y Y Y Y Y Y7。 图 量程判断器的总电路 12 表 真值表 表 译码表 输入值 输出值 A B C INH Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 根据芯片输入、输出 的引脚特性，其电路接线图如图。 输入信号分压等变换后送入 CD4051的 X0X7， 8个通道。 其中 1个控制引脚： INH是 4051的禁止端，为低电平开启， INH=1模拟开关被禁止工作， INH=0时，由 A、 B、 C上的信号来控制某一路的选通。 电路引脚中，若 A、 B、 C无输入或悬空时， Y0输出 1，控制档位在最高量程电压档位上，起到保护电路的作用。 Ui 输 出 ( ~ ) (~ 2V) (2~ 20V) (20~ 100V) (100~ 200V) (200~ 400V) (400~ 600V) (600~ 800V) (800~ 1000V) 1000V A 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 B 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 C 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 INH 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 档位状态 截止 ~ 2V 2~ 20V 20~ 100V 100~ 200V 200~ 400V 400~ 600V 600~ 800V 800~ 1000V 截止 13 图 档位判断电路 3）量程自动选择总电路根据上述研究，可 得量程自动转换电路如图 所示。 路中所用的基准电压都是 2 V，可用同一直流电源提供。 稳压管均采用 2． 8 V 工作电压的稳压管。 图 量程自动选择总电路 A/D 模数转换模块 采用 ADC0809转换芯片，采集信号由 INT0输入；数字量输出接至 CPU的 P1口；其 START与 ALE引脚接至 CPU的 ， OE引脚接至 CPU的 ， EOC引脚接至 CPU的 ； A、 B、 C三位地址线共同接地，表示对 INT0的输入信号进行模数转换。 在 INT0的输入端口接一选 14 择开关电路，用以判断对电压测量还是对电流测量。 ADC0809 的工作过程是：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。 主要特性 1） 8 路 8位 A/D 转换器，即分辨率 8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100μs。 4）单个＋ 5V 电源供电。 5）模拟输入电 压范围 0～＋ 5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为 40～＋ 85 摄氏度。 7）低功耗，约 15mW。 外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片有 28个 引脚，采用双列直插式封装，各引脚功 能如下 ： IN0IN7： 8 路模拟量输入端。 D0D7： 8位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号。 高电平时，把三位地址信号送入地址锁存器，经译码选择相应的模拟 输入 通道 ， 使用时，该信号可以和 STARE 信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D 转换。 高电平有效。 START： A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D 转换结束信号 输出端口， 转换期间一直为低电平。 当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平 （有效）。 OE：数据输出允许信号输入 端口 ，高电平有效。 当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋ 5V。 GND：地。 15 显示模块 （ 1） 数码管的选取 LED（发光二极管），它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的 PN 结。 其发光强度与其正向压降 VF和电流 IF 的乘积有关，其乘积越大，则发光强度越大。 工作电流一般在 5MA~20MA。 从系统整体考虑，选用的是 LDS5101BH 型七段 LED 数码管。 （ 2） 驱动芯片 选用 74LS164 芯片。 74LS164 是串行输入 /8位并行输出的移位寄存器。 每片 74LS164有两个串行数据输入端和一个同步移位脉冲输入端，以及 8 个并行输出口。 时钟 CLK 端上每一个上升沿都会使该芯片的 8 位数据输 出右移一位。 显示模块总体原理图如图 所示： 图 显示模块原理图 通信模块 （ 1） 单片机与 PC机通信的概述 在实际应用中，因为单片机功能有限，因而在较大的测控系统中，常常把单片机应用系统作为前端机（也称为下位机或从机）直接用于控制对象的数据采集与控制，而把PC机作为中央处理机（也称为上位机或主机）用于数据处理和对下位机的监控管理。 它们之间的信息交换主要是采用串行通信，此时单片机可直接采用串行接口，而 PC机可利用其配置的 8250或 825 16450等可编程串行接口芯片。 实现单片 机与 PC机串行通信的关键是在通信协议的约定上要一致，例如，应设定相同的波特率及帧格式等。 在正式工作之前，双方应先互发联络信号，以确保通信收发数据的准确性。 （ 2） 本设计的通信 16 串行通信采用 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。 使单片机的 TTL电平与 RS232的电平实现匹配。 RS232使用 3~25V，表示数字 1； 3~25V表示数字 0。 RS232在空闲时处于逻辑“ 1”状态，在开始传送时，首先产生一个起始位，起始位为一个宽度的逻辑“ 0”，紧随其后的为所需要传送的数据，所要传 送的数据由最低位开始依次送出，并以一个结束位标志该字节传送结束，结束位为一个宽度的逻辑“ 1”状态。 单片机与 PC机的通信连接图如图 ，下位机（单片机）将接收的数据从串行口 、 ，上位机接收到数据后在屏幕上进行显示。 图 单片机与 PC机通信连接图 电源部分 单片机电源采用自制 +5V电源供电。 其原理图如图 图 电源电路图 17 4 系统的软件设计 软件的总体设计原理 系统上电后，初始化程序包括对各种参数进行初始化、清零以及一些端口属性的设定，开始进行量程判断，再调用 A/D 转换子程序，对输入信号进行 A/D 模数转换，转换结束，为提高测量精度，系统对输入电压连续采集 10 次进行滑动平均值滤波处理，其结果作为对应的电压值。 再调用 LED 显示子程序，显示所测量的电压或电流 值，最后调。