摘  要： 本文中數(shù)字電流表的控制系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)，A／D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809為主要硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電流表的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的數(shù)字電流表電路簡(jiǎn)單，所用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)字電流表可以測(cè)量0～200 mA的8路輸入電流值，并在LCD液晶顯示屏上顯示出來。

　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；數(shù)字電流表；A／D轉(zhuǎn)換器；液晶顯示屏

0 引言

　　在現(xiàn)實(shí)中，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，往往需要采集被測(cè)對(duì)象的各種參數(shù)，如電壓、電流等，這些參數(shù)的采集是至關(guān)重要的，它們直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。在有些應(yīng)用中，需要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，必須先將其電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后才能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[1]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單方便，但是這種方法當(dāng)電流很小時(shí)，從電阻上取得的電壓值可能很小，影響測(cè)量精度，因而很難選擇一個(gè)合適的阻值；其次，所得到的電流檢測(cè)信號(hào)只有通過放大以后才能進(jìn)入電路中的比較器，從而增加了電路設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)的復(fù)雜度。因此，需要采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片，并結(jié)合單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)。本文中采用精密電阻，克服了常規(guī)測(cè)量電流方法存在的測(cè)量范圍小、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)，可提高測(cè)量精度，同時(shí)采用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一款測(cè)量范圍在0～200 mA、顯示精度在小數(shù)點(diǎn)前一位的基于AT89S51單片機(jī)帶液晶顯示功能的電流表，經(jīng)查閱多種相關(guān)資料，確定本設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

　　圖1所示電路工作過程：將需要檢測(cè)的電流信號(hào)經(jīng)過I/V變換變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將其輸出的電壓信號(hào)連接到ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電壓信號(hào)經(jīng)過采樣后，輸出到單片機(jī)，單片機(jī)控制中斷的過程以及數(shù)據(jù)的讀取過程，最后通過控制液晶顯示所讀取的數(shù)據(jù)。

　　1.1 I/V變換電路部分

　　對(duì)本設(shè)計(jì)來說，由于精度要求并不高，故用有源I/V即可滿足要求，有源I/V變換是利用有源器件——運(yùn)算放大器和電阻電容組成的，如圖2所示。

　　該有源I/V變換電路利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為：

　　若取R1=20 Ω，R2=100 kΩ，R3=100 kΩ，R4=25 kΩ，R5=10 kΩ，則當(dāng)輸入電流為0～200 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)于0～5 V的電壓輸出。

　　1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　基于成本、功耗、分辨率、模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍等因素，此處選擇ADC0809芯片。ADC0809與8051單片機(jī)的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時(shí)等待方式。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。在本設(shè)計(jì)中，選擇中斷方式，即把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

　　1.3 單片機(jī)模塊

　　該電流表可測(cè)量0～200 mA的直流電壓，通過電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生，顯示位數(shù)3位[2]，工作電壓5 V。通過A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送到單片機(jī)的P3口，并在P2口把轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示出來。在仿真軟件Protesus[3]里選擇元器件后連接電流表總圖，如圖3所示。

　　本設(shè)計(jì)選用的AT89S51是ATMEL公司推出的高性能8位微控制器，由于ADC0809無片內(nèi)時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)可由AT89S51的ALE信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳的脈沖頻率是8051時(shí)鐘頻率的1/6。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用6 MHz，則ALE輸出的頻率是1 MHz，二分頻后為500 kHz，符合ADC0809對(duì)頻率的要求。

　　1.4 顯示部分

　　本電流表的顯示[4]選擇LCDl602型LCD，它具有電流小、功耗低、體積小、字跡清晰、美觀、方便、使用壽命長(zhǎng)、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)。從圖3中可看出其與AT89S51的P0口相連，其DO～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，VSS為地電源，VDD接5 V正向電源，VEE為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正向電源時(shí)對(duì)比度最弱，而接地電源時(shí)對(duì)比度最高。該引腳通過一只1 kΩ的電位器來調(diào)整其對(duì)比度。RS為寄存器選擇引腳，RS為高電平時(shí)選用數(shù)據(jù)寄存器；RS為低電平時(shí)選用指令寄存器。RW為可讀寫信號(hào)引腳，RW高電平時(shí)為讀操作；RW低電平時(shí)為寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)則寫入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí)為讀忙信號(hào)；當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時(shí)為寫人數(shù)據(jù)。E為使能端，當(dāng)E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，LCD液晶模塊開始執(zhí)行命令。

2 電流表軟件設(shè)計(jì)

　　本電流表的主程序流程包括：系統(tǒng)初始化、中斷處理程序、數(shù)值轉(zhuǎn)換程序、顯示處理程序。較關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)采集部分和顯示部分。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集部分

　　本部分程序設(shè)計(jì)的思想如下：首先由ADC0809采集數(shù)據(jù)，采集完成后單片機(jī)通過中斷將數(shù)據(jù)讀入，然后將所得十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，將此十進(jìn)制數(shù)的百、十、個(gè)位分別取出，在預(yù)先設(shè)置好的表中查出其所對(duì)應(yīng)的顯示指令并顯示出來。以下為數(shù)值轉(zhuǎn)換的主代碼[5]。

　　codes=PORT；//將中斷值賦予codes

　　codes1=（codes&0xf0）>>4；//取出codes的高4位

　　codes0=codes&0x0f；//取出codes的低4位

　　code_d=codes1*16+codes0；//將codes轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)

　　bai=code_d/100；//將code_d的百位取出

　　shi=code_d/10%10；//將code_d的十位取出

　　ge=code_d%10；//將code_d的個(gè)位取出

　　2.2 數(shù)值顯示程序

　　這部分程序首先要將單位mA顯示出來，因?yàn)檫@單位是不變的。要把測(cè)得的數(shù)值在液晶屏上顯示出來時(shí)，此處調(diào)用一個(gè)getchar函數(shù)。在這個(gè)函數(shù)中，用了一個(gè)do{}while語(yǔ)句。在此語(yǔ)句的一開頭首先測(cè)試液晶模塊是否空閑，若不空閑則等待其空閑，當(dāng)液晶空閑時(shí)，執(zhí)行嵌套switch/case語(yǔ)句。由于要顯示三個(gè)數(shù)字，所以設(shè)定了一個(gè)變量i，當(dāng)i=0時(shí)顯示百位，當(dāng)i=1時(shí)顯示十位，當(dāng)i=2時(shí)顯示個(gè)位。顯示數(shù)字時(shí)可選擇查表法。先建立三個(gè)表，每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)表。以下為顯示十位的例子。

　　case 1：

　　{

　　PA=TABLE2[shi*2+t]；

　　t++；

　　}break；

　　顯示完成后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)以保證顯示的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

　　在本次設(shè)計(jì)中，通過使用Proteus繪制電路圖，用C語(yǔ)言編寫程序，程序運(yùn)行完畢后，電壓表的顯示屏上就可以顯示出電流數(shù)值來。調(diào)節(jié)電位器，顯示數(shù)值就會(huì)發(fā)生變化。電壓表的最小顯示值是0 mA，最大顯示值是200 mA，這與設(shè)計(jì)目的一致，1 s內(nèi)大約可以測(cè)量2次電壓值。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 柳金龍．淺談數(shù)字電壓表的特點(diǎn)[J]．中國(guó)計(jì)量，2004（8）：43-44.

　　[2] 王韜．3位半積分式A/D轉(zhuǎn)換DC電壓表[J]．電子設(shè)計(jì)工程：電子世界，2002（2）：44-45.

　　[3] 周潤(rùn)景，張麗娜．劉映群.PROTEUS入門使用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

　　[4] 馬俊，劉曉林．智能鍵盤字符輸入及LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（1）：66-68.

　　[5] 馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第3版）[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．