基于单片机的数字电流表的设计

郑州电力职业技术学院毕业生论文题目：＿基于单片机的数字电能表设计＿＿系别＿＿＿电力工程系＿＿＿＿＿＿专业＿＿＿建筑电气工程技术＿＿＿班级＿＿建筑电气班＿＿＿＿＿学号＿＿＿ 09401060170＿＿＿姓名＿＿＿＿周莉＿＿＿＿＿＿＿论文成绩指导教师答辩成绩主答辩教师综合成绩答辩委员会主任目录摘要 (3)关键词 (3)一、工作原理 (4)1.1数字电流表的工作原理 (5)1.2电流采样电路的性能 (5)1.3显示电路与电流采样电路的逻辑关系 (5)1.4放大器 (5)1.5峰值保持电路 (10)A转换芯片 (13)1.6双积分型D1.7独立式非编码键盘的接口 (14)1.8 LED动态显示器接口及显示方式 (14)1.9 89C51单片机 (16)二、测量系统的总体结构设计 (20)2.1 系统框图 (20)2.2整机设计 (19)三、程序流程图 (23)四、实验结果 (26)参考文献 (2725)摘要本电流表各模块之间使用标准信号进行传输的，这些标准信号都符合国际标准。

国际电工委员会在1973年四月第65次技术委员会通过的标准规定了国际统一信号标准，过程控制系统的模拟直流信号为4到20MA，模拟直流电压信号为1到5伏，我国的DDZ-3型电动单元组合仪表采用了国际的信号标准。

关键词电流采样，A/D转换，放大器，单片机随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量、控制仪表领域新的技术革命。

采用单片机作为测量仪器的主控制器，这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。

基于单片机的智能综合仪表是基于智能化、数字化、网络化新一代智能仪表的设计理念，采用智能调理、灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术，综合指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录仪表功能．具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。

一、工作原理1.1数字电流表的工作原理用单片机及其扩展的外部电路先做成一个理想电压表[3]，图1中用G表示。

由于通常所说的电流表是指灵敏电流计其量程太小，不能直接测量电流，仅用于检测有无电流和电流的方向，所以要想得到一个有多量程或量程较大的电流表需要将一个理想电压表改装而成。

本设计是用一个内阻视为无穷大的电压表并联分流电阻而成的数字电流表。

待测电流I随搬动开关K的位置而流过R1或R2，因而本电流表的两个量程就取决于G的满量程电压和R1、R2的阻值，记G的满量程电压为Ug，根据欧姆定律Ug=RgIg，若Ug和Rg已知则Ig就是电流表的满量程电流。

图1数字电流表的基本原理1.2电流采样电路的性能峰峰值检波器本身具有采样保持的功能，由于A/D转换器的转换时间为100ms，所以峰峰值检波电路能够保证A/D转换器有足够的转换时间[6]。

交流信号不只包括正弦波，对于其它规则的交流信号，也可以用本采样电路采样。

档位选择需要将独立按键与放大器中集成运放的外围电阻组合在一块。

独立按键不仅有选择档位的功能，还有复位等其它功能。

由于负反馈放大器的输入电阻已达到10M欧以上，所以有单片机构成的测量系统，可以看作一个理想电压表。

通常所说的偏转式电流表是根据线圈的偏转程度线性刻画未测电流的大小，仿照此原理给待测电流加一个线性电阻，然后再用一个理想电压表测电流在电阻上的压降，然后适当选择放大器的放大倍数就可以做成多量程的电流表。

1.3显示电路与电流采样电路的逻辑关系如果不用单片机，也可以做成一个电流表，不过这样的表功能单一，不能同时测量直流或者交流，而用单片机做成的电流表可以通过编程方便实现，规则交流波形的有效值测量[2]。

1.4放大器目前集成运放有双列直插式和圆管封装式两种，若采用双列直插式的的μA741集成运算放大器，其外引线排列图如图2所示。

图2 μA741外引线排列图1）测试放大器的传输特性及输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最v当作运算放大器的大幅度。

为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅opp最大动态范围。

其测试电路如图3图3运算放大器输出电压最大摆幅的测试电路图3中i v 为正弦信号。

当接入负载L R 后，逐步加大输入信号i v 的幅值，直至示波器上输出电压的波形顶部或底部出现削波为止。

此时的输出电压幅度opp v 就是运算放大器的最大摆幅。

若将i v 送示波器的X 轴，0v 送Y 轴，则可利用示波器的X-Y 显示，观察到运算放大器的传输特性，并可测出opp v 的大小。

opp v 与负载电阻L R 有关，不同的L R ，opp v 亦不相同。

根据已知的L R 和opp v ，我们可以求出运算放大器的输出电流的最大摆幅：opp I =L OPP R V 。

（1）运算放大器的opp v 除与L R 有关外，还与电源电压cc v ±和输入信号的频率有关。

随着电源电压的降低和信号频率的升高，opp v 将降低。

如果示波器X-Y 显示出运算放大器的传输特性是正常的，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其它几项参数。

（2）测开环电压放大倍数vo A开环电压放大倍数是指：运算放大器没有反馈时的差模电压放大倍数，即运放输出电压0v 与差模输入电压i v 之比。

测试电路如图4。

f R 为反馈电阻，通过搁置电容和电阻R 构成闭环工作状态，同时与1R 、2R 构成直流负反馈，减少了输出端的电压漂移。

由图可知：F N V R R R V 212+= （2）FN N P V V V R R R V V V V V A 0221000+=≈-= （3） 此时信号源的频率应在运算放大器的带宽之内，μA741的带宽约为7Hz 。

图4测开环电压放大倍数电路（3）测输入失调电压IO V输入失调电压的定义是：放大器输出为零时，在输入端所必需引入的补偿电压。

根据定义，测试电路如图5闭合开关S ，令此时测出的输出电压为1o v ，因为闭环电压放大倍数111R R R V V A F IO O vf +==（4） 所以，输入失调电压011111011V V R R R V O F IO =+= （5）图5测IO IO I V 和的实验电路（4）测输入失调电流IO I输入失调电流是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的差值，用IO I 表示。

显然，IO I 的存在将使输出端零点偏离，且信号源阻抗越高，输入失调电流影响越严重。

测试电路同图5只要断开开关S 即可，用万用表测出该电路的输出电压，我们令它为2o v ，则 F O F O O IO R R R R V V R R R V V I +∙-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=111021121 （6） 5）测共模抑制比cmr k根据定义，运算放大器的cmr k 等于放大器的差模电压放大倍数vd A 和共模电压放大倍数vc A 之比，即： ()vcvd cmr vv vd cmr A A dB k A A k ==或 （7） 测试电路见图6。

运算放大器工作在闭环状态，对差模信号的电压放大倍数vd A =1R R f,对共模信号的电压放大倍数Ivc V V A 0,所以只要测出0v 和i v ，即可求出： ()()dB V V R R dB k I f cmr ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∙=01lg 20 （8）为保证测量精度，必须使''11,F F R R R R ==,否则会造成较大的测量误差。

运算放大器的共模抑制比cmr k 愈高，对电阻精度要求也就愈高。

经计算，如果运算放大器的cmr k =80DB ，允许误差为百分之五，则电阻相对误差:00.010010011≤⨯∆R R 。

（9）图6测量cmr K 的实验电路（6）测增益-带宽积运算放大器的重要交流参数是频率响应。

由于运算放大器可以工作在直流状态，即零频率工作状态，因此其带宽等于截止频率响应c f ，在截止频率处的输出电压增益，此直流时的输出电压增益低3DB 。

运放的增益-带宽积为常数A*BW=C 该常数C 决定与特定的放大器，开环时因增益太高，带宽很窄，很少使用。

闭环时，增益1R R A F -=,它的带宽与大小成反比。

测试电路如图7，输入为正弦信号。

逐步增加i v 的频率。

由A μ741集成运放和两个电阻组成一个负反馈放大器， R R U U A L I uf ==0电压放大倍数： （10）电路如图8所示。

图7测量增益带宽积的电路图8A μ741集成运放1.5峰值保持电路实用的峰值保持电路是半波整流电路、存储电容和缓冲放大器组成的闭环电路。

在存储电容上还并联有一只复位开关。

图9给出了同向型峰值保持电路。

图中运算放大器1A 具有半波整流结构，2A 组成电压跟随器，其输出电压c u u =0，它在存储电容和输出负载之间起缓冲作用。

图9同相型峰值保持电路当i u u <0时，2VD 导通，1VD 截止，1A 将误差电压放大，通过2VD 对C 充电，使0u 跟踪i u 。

i u u 0时，1VD 导通，2VD 截止，存储电容C 与1A 的联系隔断，c u u =0，不再跟踪i u 保持过去检出i u 峰值。

1VD 的导通是为1A 提供反馈通路，防止当2VD 截止时，1A 被深度饱和。

当复位指令 U 出现，场效应管 V 导通，C 通过 V 放电，uc 回到零。

U 消失后，V 截止， 又开始新的峰值保持过程。

这种电路由于VD1 的作用，使VD2 的反向电压大大减小，因而反向漏电流很小，增加 了峰值保持事件。

如果还要进一步增加保持时间，可选输入级为场效应管的运算放大器作 为 A2 以提高放大器的输入阻抗。

图中电容 C1 , C2 是为了提高电路的稳定性和改善瞬态响应。

R 为保护电阻，防止电压 突变损坏 A2 。

前面介绍的是正向峰值保持电路，如果需要负向峰值保持，可以把正向峰值保持电路 中的二极管及其它元件适当改接，就能实现。

图 10 是一个反向峰值保持电路，图中二极管VD2 是否导通，完全取决于 U1 与 u0 的 差值。

当 U1 - u0  0 时，VD2 导通，电路处于跟踪状态； U1 - u0  0 时，VD2 截止，电 路处于保持状态。

此电路的输入信号 u i 应为负极性，而输出 u0 为正极性。

其功能可等效为 一个同相型负峰值保持电路加一个反相器。

图 10 反相型峰值保持电路把正向峰值保持电路和负向峰值保持电路组合起来，就可以得到峰峰值保持电路。

图 11 和 12 分别是峰峰值检波的组成框图和原理电路。

图中 A1 ， A2 构成跟随器，作负 峰值检波; A3 , A4 构成跟随器，作为正峰值检波，其正、负峰值电压经差动运算放大器 A5 输 出。