本 科 生 毕 业 设 计
开 题 报 告
题 目 高精度数字电流表 专 业 电子信息工程
班 级 电子091班 姓 名 王旭特 指导教师 许森 所在学院 信息科技学院
开题时间 2012年12月
一、选题的背景与意义
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与测量控制技术结合在一起，在测量工程自动化，测量结果所举处理以及功能的多样化方面取得了巨大的进步。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、计算仪表与记录仪表功能。具有高测量控制精度、工可靠性稳定性的特点。
二、研究的基本内容与拟解决的主要问题
（一）研究的基本内容
利用单片机对整个系统进行总体控制，采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电流）转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电流表功能单一，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，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。本次设计要具体目标是设计出一个基于单片机的利用A/D转换技术把电压量从数码管中显示出来的高精度数字电流表。研究的主要内容如下：
1．熟悉单片机的最小系统和基本应用。
2．理解数字电流表的基本原理。 3．理解AD芯片的基本工作原理。
4．设计硬件电路，用PROTEL画出电气原理图和PCB图。 5．编写软件程序，实现数字电流表的基本功能。 6．完成相关的功能测试。
（二）主要技术问题
以单片机和AD转换为核心，16位A/D转换器，理论上测量连续信号的数字电流表理论设计精度可达到16位，显示精度达到0.0001，设计分为硬件电路和软件编程两部分。 硬件方面：电源供电模块，单片机模块，AD转换模块，电流显示模块。
软件方面：通过程序编写将采集的数据进行分析同时结合单片机的处理正确得出所测电流，主要部分有：AD部分，显示部分。
三、研究的方法与技术路线
（一）电流表设计方案
方案一：实用数字电路实现，采用译码芯片CD4543作为借口芯片，这种方案可实现功能但是稳定性不高 ，结构复杂。
方案二：采用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有单片机来送显。
由于方案二各类功能易于实现，成本低 功耗低 显示稳定，所以选择单片机为核心的数字电流表最为合适。
（二）电流表系统整体结构
系统主要由电源模块，单片机系统，A/D转换模块和显示模块四大部件组成。整体系统结构如下图1所示： 输入信号 放大 滤波 A/D模块 单片机系统 显示模块 图1 系统整体框图
（三）各个模块的设计方案和实现
1、电源模块的设计
电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电
路（ASIC）、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。电路图如图一所示。
U2LM29401VIGNDVO3C147nF2C222nF 图一 电源驱动图
2、A/D转换模块的选择和设计
方案一：采用8位A/D转换器ADC0809来实现模数转换功能。ADC0809是一种典型的A/D转换器是8位8通道的A/D转换器。ADC0809由一个8位A/D转换器、一个8路模拟量开关、8路模拟量地址锁存、译码器和一个三态数据输出锁存器组成。
方案二：采用ADS1115转换芯片，它是16位的高精度模拟到数字转换器，功耗和易于记住的实施。ADS1115工作在连续转换模式或单拍模式，大大降低了空闲期间的电流消耗。封装尺寸比最接近的竞争产品要小70%，从而减小了系统尺寸，可升级集成的产品系列选项和减少的组件数，14 倍的采样速率支持严苛的测量要求，集成的可编程比较器简化了系统监控。
ADC0809是8位A/D转换器，具有较强的接口处理能力。但是由于使用的是8位高分辨率的A/D转换器，而根据本次设计的要求更高的分辨率，故本次设计选择16位AD选择器ADS1115。
3、单片机控制模块的选择和设计
由于单片机at89c51的功能强大且易于实现，价格便宜，所以选择51单片机为系统的控制单片机，时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端(XTALl及XTAL2)以及12 MHz晶振X1,电容C2，C3组成，采用片内振荡方式。如图二所示。
C11nF19U1X1XTAL1CRYSTALP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617C21nF18XTAL2R1C31uF11R9RST293031PSENALEEA12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51 图二 单片机的最小系统
4、显示模块的选择和设计
方案一：七段数码管，七段数码管是数码管的一种是半导体发光器件，其基本单元是发光二极管数码管是一类价格便宜，使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。 方案二：LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示器的简称，LCD具有显示性能高，数字式接口，耗能低等优点。LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表。
由于LCD价格比七段数码管高出许多并且本次设计在显示方面无需做到高分辨率和清晰度，所以选择最常见的七段数码管作为显示器件。