【正文】 IV V 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)的單相電壓電流表設(shè)計(jì) 38 37 顯示模塊 電壓電流采樣 單片機(jī) 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 信號(hào)處理 順序脈沖發(fā)生器 逐次逼近寄存器 ADC 電壓比較器 輸入電壓 輸入數(shù)字量 電壓互感器采樣 一級(jí)放大處理 二級(jí)放大處理 整流 一級(jí)放大處 理 電流互感器采樣 二級(jí)放大處理 整流 返回主程序 轉(zhuǎn)換結(jié)束？ 取轉(zhuǎn)換結(jié)果 初始化 地址鎖 存 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 送位碼 返回主程序 循環(huán)次數(shù) i 8? 關(guān)顯示 送段碼 開(kāi)始 延時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)處理 顯示子程序 初始化 通道選擇 i ？ 電壓采樣 電流采樣 。 else i 1。 t++。 void timer0 interrupt 1 using 1 TH0 6553650000 /256。 //采樣電流 tackle 。 ad_dat[1] ADC_0809 。 break。 while 1 switch i //大約每隔 100ms 采樣一次 case 0: addr 1。 // AD 初始化 timer0_int 。 //k t0 TR0 1。 EA 1。 TH0 6553650000 /256。 delayus 1000 。//關(guān)顯示 P1 data_xian[k]。k++ P1 0。 for k 0。 break。 data_xian[6] ad_dat[0]ad_dat[0]%100 /100。///////////////倍數(shù)轉(zhuǎn)換 data_xian[4] ad_dat[0]%10。 break。 data_xian[2] ad_dat[0]ad_dat[0]%100 /100。 data_xian[0] ad_dat[0]%10。 return ad_data。 delayus 5 。 //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，此引腳輸出低電平為正在轉(zhuǎn)換 ADC_OE 1。 _nop_ 。 //下降沿開(kāi)始 _nop_ 。 _nop_ 。 //上升沿復(fù)位 _nop_ 。 _nop_ 。 //ALE 0 時(shí)地址被鎖存住 _nop_ 。 _nop_ 。 //ALE 1 時(shí)地址進(jìn)入鎖存器 選擇模擬輸入通道 _nop_ 。 /* dac0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換 uchar ADC_0809 uchar ad_data。 _nop_ 。 ADC_ALE 0。 _nop_ 。 ADC_ALE 1。 _nop_ 。 ADC_ALE 0。 ADC_OE 0。i1 。 //電流顯示左→右 1 2 3 4 /* 函數(shù)名： delayus i 功 能：延時(shí) t 12*i+14 us 參 數(shù)： i 返回值：無(wú) 備 注 : 晶振 12MHz void delayus uint i1 for i1。 //存儲(chǔ)要顯示的電壓 or，電流值，從左到右依次存儲(chǔ)電壓的低位→高位，電流的低位→高位 uchar code shu[] 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, // 數(shù)碼管 字模 // 0 1 2 3 4 5 6 7 0x80,0x90 。 // 采集電壓 or 電流選擇信號(hào) uchar ad_dat[2] 0,0 。 uint t。 sbit D6 P0^6。 sbit D4 P0^4。 // AD 數(shù)據(jù)口位定義 sbit D2 P0^2。 //AD 模擬通道選擇， addr 1 選擇電壓， 0 選擇電流 sbit D0 P0^0。 sbit ADC_EOC P3^3。 // AD 控制引腳位定義 sbit ADC_ALE P3^4。 ***師兄閱歷豐富，見(jiàn)識(shí)廣博，樂(lè)于助人，耐心細(xì)致地解答我在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的每一個(gè)問(wèn)題，為我的設(shè)計(jì)任務(wù)付出了大量汗水。 ***老師淵博的學(xué)識(shí)、過(guò)硬的專業(yè)技能、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、忘我的工作熱情、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度讓我十分崇敬，也激發(fā)了我的學(xué)習(xí)熱情，使我受益匪淺。比如從安全性考慮可以做一個(gè)高壓報(bào)警與保護(hù)電路，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性；時(shí)間充裕的前提下，還可以做 PCB 板，使制成的電路可靠性更高、更專業(yè)、更美觀；還能進(jìn)一步擴(kuò)展功能，使其具有通信能力，能夠?qū)y(cè)量值上傳給上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，這在自動(dòng)化生產(chǎn)車間中具有重要的意義。例如在信號(hào)處理模塊電路的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)輸出電壓不隨采樣電阻的改變而改變，即出現(xiàn)了輸 出電壓死區(qū)，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)幾天的認(rèn)真檢查，才發(fā)現(xiàn)是一級(jí)運(yùn)放的反饋電阻的阻值太大，使運(yùn)放的輸出提前飽和的原因，然而這在 protues 仿真軟件上仿真時(shí)卻不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題；在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的編程，也遇到了很大的困難，由于是對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換出來(lái)的結(jié)果送給數(shù)碼管顯示前需要做一個(gè)倍乘處理，以顯示未被衰減的被測(cè)電壓電流值，但兩路信號(hào)的倍乘系數(shù)是不一樣的，所以不能統(tǒng)一處理，這是一個(gè)算法問(wèn)題，花了很長(zhǎng)的時(shí)間也沒(méi)解決，最后請(qǐng)教了指導(dǎo)老師才得以解決。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基本的功能要求，創(chuàng)新之處在于能夠同時(shí)顯示電壓和電流值，而不需要進(jìn)行檔位轉(zhuǎn)換顯示，另外還能根據(jù)需要改變量程，最大可測(cè)量的電壓可以達(dá)到 1000V，最大可測(cè)量電流可以達(dá)到 10A，這是因?yàn)閷?duì)電壓或電流的采樣電阻使用了電位器的原因。軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化設(shè)計(jì)，為調(diào)試提供了很大的方便。第 5 章為本設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分，包括模 /數(shù)轉(zhuǎn)換部分軟件設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示模塊軟件設(shè)計(jì)以及主程序設(shè)計(jì)等。第 3 章為硬件電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型，從功能如何實(shí)現(xiàn)的角度介紹如何設(shè)計(jì)電路，由于篇幅的原因而淡化了具體元器件參數(shù)的選擇方法，只是將元件值標(biāo)注在具體的電路當(dāng)中。文章從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，即硬件設(shè)計(jì)與制作，軟件設(shè)計(jì)與制作。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，可以保證單片機(jī)可靠復(fù)位。本設(shè)計(jì)中用萬(wàn)用表測(cè)得的 XTAL1引腳的電壓為 ， XTAL2 的引腳為 ,說(shuō)明晶振起振了。 （ 2）晶振：晶振要能起振，單片機(jī)才能工作。改進(jìn)方法是增大二級(jí)放大器同相輸入端的平波電容以及在輸出采樣電位器兩端并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓電容，改進(jìn)后的電路仿真情況如圖 所示： 圖 改進(jìn)后信號(hào)處理模塊輸出仿真 由圖 可以看出電路經(jīng)改進(jìn)后，其輸出信號(hào)直流特性良好，提高了本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度。 6 系統(tǒng)調(diào)試 采樣模塊、信號(hào)處理模塊調(diào)試 該模塊正確工作，正確輸出，是本設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，本設(shè)計(jì)采用 Protues 軟件仿真作為硬件電路制作和元器件參數(shù)選擇的理論指導(dǎo)。 //采樣電流 tackle 。 ad_dat[1] ADC_0809 。 break。 while 1 switch i //大約每隔 100ms 采樣一次 case 0: addr 1。 // AD 初始化 timer0_int 。//送位碼 delayus 1000 。//關(guān)顯示 P1 data_xian[k]。k++ //設(shè)定循環(huán)次數(shù) P1 1。 for k 0。 return ad_data。 delayus 5 。 //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，此引腳輸出低電平為正在轉(zhuǎn)換 ADC_OE 1。 _nop_ 。 //下降沿開(kāi)始 _nop_ 。 _nop_ 。 //上升沿復(fù)位 _nop_ 。 _nop_ 。 //ALE 0 時(shí)地址被鎖存住 _nop_ 。 _nop_ 。 //ALE 1 時(shí)地址進(jìn)入鎖存器 選擇模擬輸入通道 _nop_ 。 圖 數(shù)碼管焊接圖 5 軟件設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 根據(jù) ADC0809 的工作原理，設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖 所示： N Y 圖 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖 A/D 轉(zhuǎn)換 C 語(yǔ)言程序如下： uchar ADC_0809 uchar ad_data。按上面的方法找到了數(shù)碼管的共陽(yáng)極端，即位選端，接下來(lái)用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，檔位選 擇測(cè)通斷檔，用紅表筆接位選端，黑表筆一個(gè)一個(gè)的接觸其它引腳，例如當(dāng)黑表筆接觸到段碼“ a”時(shí)，段“ a”將會(huì)被點(diǎn)亮，以此類推，可以逐個(gè)找出其它段碼。首先數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測(cè)試能亮，說(shuō)明是共陰極的，反之共陽(yáng)極；若公共端接電源，其他端分別接地，測(cè)得各端亮，則說(shuō)明是共陽(yáng)極的，反之為共陰極的。此時(shí)對(duì)應(yīng)插孔的標(biāo)號(hào)就是三極管相對(duì)應(yīng)的一極。測(cè)試方法如下：利用萬(wàn)用表測(cè)量β（ HFE）值的檔位，判斷發(fā)射極 e和集電極 c。芯片的邏輯圖通常和管理圖有差異。 芯片的焊接 焊接的時(shí)候，通常先確定芯片的空間位置，先將芯片焊在電路板上。 圖 電壓采集、處理電路焊接圖 （ 2）正確操作電烙鐵，避免出現(xiàn)虛焊等焊接不可靠現(xiàn)象；還要避免焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，燒壞元器件的現(xiàn)象。 焊接注意事項(xiàng) （ 1）由于本設(shè)計(jì)元器件較多，電路比較 繁雜，在焊接前應(yīng)根據(jù)電路原理圖適當(dāng)調(diào)整實(shí)際元件擺放的空間位置，對(duì)元器件進(jìn)行整體排版，這樣可以使走線更合理更清晰，減少出錯(cuò)概率，也能為硬件調(diào)試提供方便。為了增強(qiáng)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，數(shù)碼管采用圖 所示 方式驅(qū)動(dòng)： 圖 共陽(yáng)極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式圖 數(shù)碼管段選端驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提過(guò)，數(shù)碼管段選端采用 P1 口控制，這里加入三態(tài)緩沖芯片74HC244 增強(qiáng) P1 口驅(qū)動(dòng)能力，位選端串接 電阻限制單片機(jī)灌入電流；段選端串接 510 歐限流電阻，使驅(qū)動(dòng)電流約為 10mA，保證段碼能被點(diǎn)亮。 顯示模塊電路設(shè)計(jì) 數(shù)碼管位選端驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)以上分析，本模塊采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)段碼（ a， b， c， d， e， f， g， dp）的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不 會(huì)亮。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 COM 的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 圖 晶振電路圖 根據(jù)以上分析，單片機(jī)模塊總電路設(shè)計(jì)如圖 所示： 圖 單片機(jī)控制電路圖 顯示模塊 顯示模塊功能分析 該模塊用于顯示被測(cè)量的電壓、電流值，采用兩個(gè)四位一體數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 復(fù)位電路 具有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位功能，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電容阻值選為 1uF，其充電時(shí)間遠(yuǎn)大于單片機(jī)兩個(gè)機(jī)器周期（ 2us） ,能保證單片機(jī)可靠復(fù)位。當(dāng) RCKL 1 或 TCKL＝ 1 時(shí)，此標(biāo)志位無(wú)效，定時(shí)器