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1、毕业答辩,题目:电流检测与显示系统设计答辩人：侯君言指导老师:钮王杰 王新海,2 方案设计2.1 方案比较与选择2.1.1 系统方案的选择,方案一：采用数字电路来搭建，可选用CPLD等可编程逻辑器件。这种方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对传送的信号处理比较困难。方案二：采用AT89S51单片机作为系统的控制单元，通过A/D转换将被测值转换为数字量送入单片机中，再由单片机来送显。此方案各类功能易于实现，能很好的满足题目的设计与要求，而且成本低、功耗低。综上所述，本设计采用第二种方案。,2.1.2 电流检测电路的选择,方案一：电阻检测法。在电流路径中以串联的方式插入一个低阻值的
2、检测电阻会形成一个小的电压降，该压降可被放大从而被当做一个正比于电流的信号。但是，利用电阻检测电流的需要根据具体应用环境和检测电阻的位置，这种技术将对检测放大器造成不同的挑战。而且在实际电路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想，检测电阻损耗大。方案二：电流互感器检测法。电流互感器的作用是把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。实际应用中在大功率电路检测电流时实用的是电流互感器。电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小，损耗也小，检测电阻可选用稍大的值，如20欧的电阻。
3、所以本设计中选用电流互感器检测法。,2.1.3 A/D转换器的选择,方案一：选用AD574。AD574的数字量位数可设成8位也可以设为12位，且无需外接CLOCK时钟，转换时间达到25s，输出模拟电压可以是单极性的0-10V或0-20V，也可以是双极性的5V或10V之间。AD574精度高，但与8位的单片机接口较复杂，且价格昂贵，考虑到体温计是对温度的测量，其响应时间的要求不高，故不选用此方案。方案二：选用ICL7135。这类芯片比较适合于低速测量仪器，适用于精度高、速度要求不高的系统设计中。ICL7135的输出为动态扫描BCD码，与单片机的接口较复杂，且它的满量程输入为2V，如在本设计中使用要
4、进行衰减，较难保证转换精度，故不用此方案。方案三：选用MCP3204。MCP3204使用SPI协议兼容的简单串行端口与器件通信。器件的转换速率可高达100ksps。MCP3204器件具有2.7V至5.5V的宽工作电压范围。低电流设计使它仅消耗500nA和320A的典型待机电流和工作电流。但价格较高且不宜购买。,方案四：选用A/D0809。ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码 器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完
5、的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。且价格低廉，在实验中应用较多便于购买综上所述，AD0809DE功耗、成本和精度各方面符合本设计要求，本设计采用A/D0809作为A/D转换器,2.1.4 显示器件的选择,方案一：采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。方案二：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。所以采用了LED数码管作为显示。,2.2 设计方案,本设计采用
6、互感器电流检测法，电流互感器将待测大电流通过变比转换为数值较小的电流，再通过电流互感器的副级检测电阻转化为电压，取样回来的电压经过二极管和电容组成的峰值检波电流送入A/D转换为数字量，数字信号被单片机识别后进行数据处理转换为实际电流值，并将实际电流值送数码管显示。温度的检测是通过DS18B20温度传感器来实现。同时本设计还增加了掉电存储功能。系统设计框图如图2-1所示。,继电器,3 系统硬件设计3.1 电流检测电路3.1.1 电流互感器工作原理,在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是
7、非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器原边接在一次系统，副边接测量仪表、继电保护等。电流互感器工作原理、等值电路与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，与电流互感器副边负载无关,电流互感器工作原理、等值电路与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（
8、即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，与电流互感器副边负载无关。原边只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。副边匝数多，导线细，与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈)构成闭路。电流互感器的运行情况相当于副边短路的变压器，电流互感器原边电流I1与副边电流I2的比，叫实际电流比，且有公式：I1/I2=N2/N1=k。,3.1.2 LM324简介,LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言
9、）。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。功能特性如下：短路保护输出；真差动输入级；单电源工作：3.0伏至32伏；低输入偏置电流：最大100纳安；每一封装四个放大器；内部补偿；共模范围扩展到负电源；行业标准引脚输出；在输入端的静电放电箔位增加可靠性而不影响器件的工作。管脚连接图如图3-1所示。,3.1.3 电流检测电路设计,该部分电路设计如图3-2所示。电流互感器将大电流转换为小电流，由原边电流与副边电流=匝数反比即I1/I2=N2/N1=k得，副边电流I2=N1I1/N2=I1/k，电流经200的采样电阻转换为电压。因为市电
10、为正弦波，所以电压经D1和C1组成的峰值检波电路后得到电压的峰-峰值。电路中LM324和二极管D2组成电压保持电路。该电压值输入A/D转换为数字量。,3.2 A/D转换电路3.2.1 A/D0809简介,ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道,允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2、AD0809 的工作原理 IN0IN7：8 条模拟量输入通道
11、 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条,ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输 入。通道选择表如下表所示。C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0
12、1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7,数字量输出及控制线：11 条 ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电
13、压输入。该部分电路设计如图3-4所示。,3.3 单片机控制电路3.3.1 单片机简介,单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，如温度等物理量的测量、与计算机联网构成二级控制系统、楼宇自动通信呼叫系统、超声诊断设备及病床呼叫系统等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。20世纪80年代初，在MCS-48系列单片机的基础上，Intel公司推出了MCS-51系列8位高档单片机。从系统结构上看，它们不仅具有相同的地址空间和寻址方式，相同的指令系统，甚至连引脚也完全兼容。AT89S51具有价格便宜，性能优良，可
14、在线编程等特点。AT89S51的性能参数：兼容MCS-51内核单片机。4Kbytes可在线编程Flash存储器，可有效擦出/读写1000次。工作电压范围4.0V5.5V。完全静态工作：0Hz33MHz。ROM三级加密模式。1288bit内置RAM。,32位可控I/O引脚。2个16位的时钟源。6个中断源。全双工UART串行接口。低功耗工作模式。看门狗计时器。两个数据指针。快速编程特性。ISP在线编程。AT89S51的内部结构：MCS-51系列单片机都是在8051的基础上增加部分资源，例如程序存储器、数据存储器、I/O口、定时器/计数器及一些其他特殊部件构成的，其一般都含有8051除程序存储器外的
15、其他基本硬件。兼容MCS-51内核系列的单片机一般可寻址64KB程序存储器，或64KB数据存储器，其内部程序存储器一般在032KB之间。AT89S51由CPU内核、程序存储器、数据存储器、IO口、复位与时钟、定时器与计数器、中断系统、串行通讯接口、看门狗和ISP在线编程接口组成。,3.3.2 控制电路设计,该部分电路设计如图3-5所示。本设计中单片机的时钟信号采用内部振荡方式，在XTAL1与XTAL2之间接入12MHz晶振，两个引脚对地再分别再接入一个47pF的电容。复位电路采用按键电平复位方式，令RST经10uf电解电容与VCC电源接通而实现。单片机的P1口负责接收A/D转换送来的数据，同时
16、控制24C04实现掉电保存数据功能。单片机的P3口负责采集温度值。P2口控制显示电路。单片机P3.3口控制蜂鸣器报警电路，P3.2控制电磁继电器，当所测值超出安全值范围时，蜂鸣器蜂鸣报警，并控制继电器切断电路电源。,3.4 温度采集,本设计中采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功效、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于多点测温系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围为-55+155摄氏度，可编程为912位A
17、/D转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远程引用，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使得DS18B20成为此次设计的首选。引脚定义：DQ：数字信号输入/输出端；GND：电源地；VDD：外接供电电源输入端（寄生供电方式时接地），如图3-6所示 DS18B20是单总线控制，I/O引脚与单片机P3.4相连实现与单片机的通信,3.5 显示电路3.5.1 74LS164简介,74LS164为8
18、位移位寄存器，管脚图如图3-7所示。当/MR为低电平时，输出端（Q0-Q7）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。74ls164引脚如图：,3.5.2 显示电路设计,该部分电路设计如图3-8所示。LED数码管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g、h，分别和同名管脚相连。当发光二极管导通时发光。每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成一个显示字符。若将单片机的I/O口与数码管的a-g和h相连，高电平（对应共阴极数码管）或低电平（对应共阳极数码管）的位对应的发光二极管就会
19、亮，这样，I/O口输出不同的代码就可以控制数码管显示不同的字符。在实际应用中，很多时候需要多个数码管显示多个字符，如果将数码管的对应引脚直接接到单片机的引脚上，单片机的I/O不够用，这时，就需要专门的芯片利用串转并的方式控制数码管。本设计选用74LS164作为数码管驱动芯片。显示部分的数码管是通过1片74LS164来驱动译码的，用循环送显的方式，通过9013来选择要送显的数码管。单片机来控制74LS164的数据端和时钟端，74LS164的输出Q0-Q7分别对应接到数码管的a-h端口，从而实现单片机控制数码管显示的功能。,3.6 供电电源,电源部分提供整个电路所需各种电压，由电源变压器、整流电路
20、、滤波电路及辅助稳压输出构成，电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足功率余量。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。稳压电路有分立元件稳压电路和集成稳压电路两种，其中集成稳压电路主要用于低电压小电流的整流电路，具有体积小，电路简单，稳压精度高，使用调试方便等特点。本设计中供电电源电路如图3-9所示，交流电经过二极管后再经过
21、电容滤波进入稳压块LM7805，经过LM7805的输出得到的是+5V电源，可供电路中元器件供电使用。,3.7 继电器电路,继电器部分采用电磁式继电器，继电器的工作原理由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。,4 系统软件设计4.1 系统软件设计应用环境简介,Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件
22、开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使设计员可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。C51V7版本是目前最高效、灵活的8051开发平台。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。因此，C51V7版本无疑是8051开发用户的最佳选择。集成功能：1、集成源极浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件。用详细的符号信息
23、来优化用户变数存储器。2、文件寻找功能：在特定文件中执行全局文件搜索。3、工具菜单：允许在V2集成开发环境下启动用户功能。4、可配置SVCS接口：提供对版本控制系统的入口。5、PCLINT接口：对应用程序代码进行深层语法分析。,6、Infineon的EasyCase接口：集成块集代码产生。7、Infineon的DAVE功能：协助用户的CPU和外部程序，DAVE工程可被直接输入uVision2。编辑器和调试器：一、源代码编辑器：uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使你更快速地检查和修改程
24、序。二、断点：uVision2允许用户在编辑时设置程序断点（甚至在源代码未经编译和汇编之前）。用户启动V2调试器之后，断点即被激活。断点可设置为条件表达式，变量或存储器访问，断点被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。,在属性框(attributes column)中可以快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。代码覆盖率信息可以让你区分程序中已执行和未执行的部分。三、调试函数语言：uVision2中，可以编写或使用类似C的数语言进行调试。1、内部函数：如printf,memset,rand及其它功能的函数。2、信号函数：模拟产生CPU的模拟信号和脉冲信号(simulate analog and
25、digital inputs to CPU)。3、用户函数：扩展指令范围，合并重复动作。四、变量和存储器：用户可以在编辑器中选中变呈来观察其取值。双层窗口显示，可进行以下调整：当前函数的局部变量；用户在两个不同watch窗口页面上的自定义变量；堆栈调用(call stack)页面上的调用记录（树）；不同格式的四个存储区。Keil C51兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构上、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。,4.2 软件设计流程,本系统软件设计流程如图4-1所示,开始,初始化程序,读取AD,送显,判断是否达到界定值,报警值输出,数据处理,蜂鸣器报警,电磁
26、式继电器,N,Y,4.3 单片机程序设计,AT89S51系列单片机有5个独立的寻址空间：64KB程序存储器（ROM）空间（00FFFFH）；64KB外部数据存储器（RAM/IO）空间（00FFFFH）；256B RAM空间（00FFH）；128B内部特殊功能寄存器（SFR）空间（80H0FFH）；位寻址空间（00FFH）。AT89S51系列单片机的存储器有程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），程序存储器通常存放程序指令、常数及表格等，系统在运行过程中不能修改其中的数据；数据存储器则存放缓冲数据，系统在运行过程中可修改其中的数据。,4.3.1 温度采集程序设计,DS18B20是64位ROM
27、的结构，开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如表4-1所示。低5位一直为，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读
28、出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。,当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。DS18B20的读写程序如下：readds18b20(void)/读一个字节unsigned char i=0,dat=0;for(i=8;i0;i-)DQ=0;dat=1;DQ=1;,if(DQ)dat|=0 x80;sdelay(4);return(dat);writeds18b20(unsigned char dat)/写一个字节 unsigned char
29、 i=0;for(i=8;i0;i-)DQ=0;DQ=dat,sdelay(5);DQ=1;dat=1;,4.3.2 数据处理过程,由于采样电路输出的电压值是峰-峰值，所以需要进行转换才能显示实际电流值。设采集到的电压值经A/D转换送入在单片机后在单片机内转换为实际电压的峰-峰值为U，则电压有效值为0.707U，根据采样电阻为200，所以电流互感器副边的电流为I2=U/R=0.707U/200，再根据电流互感器的特性：I1/I2=N2/N1，得到电流互感器原边的电流值为I1=0.707UN2/200N1，及该电流值为待测电流值，单片机将该电流值送入数码管显示电路显示。,4.3.3 送显程序设计
30、,74LS164是串行输入、并行输出的接口器件，这里使用可以节省单片机的I/O口。因为74LS164输出高电平电流比输出低电平电流要小，所以适合选用共阳数码管。本设计选用4位一体共阳数码管。数据从74LS164至数码管的流程如图4-2所示,6 总结,本文论介绍了采用电流互感器测试家用电器中电流的方法。由单片机将电流值与温度值通过数码管显示出来，当测量值超出安全范围时，单片机控制蜂鸣器报警提醒并关掉电路电源。本文提供的设计方法简单实用，成本低廉。本设计采用互感器电流检测法，电流互感器将待测大电流通过变比转换为数值较小的电流，再通过电流互感器的副级检测电阻转化为电压，取样回来的电压经过二极管和电容
31、组成的峰值检波电流送入A/D转换为数字量，数字信号被单片机识别后进行数据处理转换为实际电流值，并将实际电流值送数码管显示。温度的检测是通过DS18B20温度传感器来实现。同时本设计还增加了掉电存储功能。电路图部分运用protel软件绘制原理图以及PCB图，再依据PCB图制作电路板。,软件部分，单片机接收A/D传递的电流值和温度值后，进行送显，送显方式采用循环显示。同时单片机内部对数值进行比较，检验数值是否大于界定值，如不大于则继续循环显示并检测，如果比较之后大于界定值则运行下面程序对继电器发出指令关掉电路电源，并将数值传递给主机。编程运用keil C51V7标准C编译器运用C语言编程。这次的毕业设计及论文撰写，是对我大学四年学习生活的检验，也帮助我回忆了一些很久没用过的知识。同时这次毕业设计也是对学校四年来对我培养的肯定。这次设计也是我在面向社会以前学校给我上的最后一课。通过这次毕业设计，对我以后的工作必将有着深远的影响。,结束,感谢各位老师的点评,
