直流微安電流表

1、第一章 摘要本次競賽要求每位參賽者獨立完成一個數(shù)字式直流微安電流表，在完成基本測試指標的基礎(chǔ)上能由參賽者改進電流表。待測電流為微小電流，制作者必須對放大電路設(shè)計、干擾處理與原件選擇都要有嚴格。報告作者完成的電流表經(jīng)萬用表標定測試達到基本要求，同時也在精確度、分辨力和量程方面有合理改進。第二章 理論分析電流表需要測試電路中的電流為0200uA，所以電流表內(nèi)部需有一個精密取樣電阻串聯(lián)進測試電路，將電路中電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后再經(jīng)由多級電壓放大電路將取樣得到的微小電壓放大至合適的伏特級別。放大后的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后被單片機讀取，單片機根據(jù)程序?qū)ψx取的數(shù)據(jù)進行換算得到原始的電流數(shù)據(jù)，最后將電流顯示在顯

2、示屏上。第三章 方案比較及軟硬件設(shè)計一、硬件設(shè)計1.電源：通過USB接口為電流表提供5V工作電源。2.單片機：由于MSP430模塊I/0口較少且占用空間較大，所以選擇STC公司近年生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機。該款單片機為高速單片機，具有超過30個數(shù)字I/0口，并且內(nèi)置10位AD轉(zhuǎn)換功能，其P1口能作為AD輸入端讀取輸入電壓，參考電壓為單片機的供電電壓5V。能滿足設(shè)計電路的要求。3.取樣電阻：取樣電阻要求對測試電路中的電流影響小，同時取樣得到的電壓不宜過小。選取2精密電阻作為取樣電阻，將測試電路中的電流轉(zhuǎn)換成單片機可以讀取的電壓。4.運算放大器：取樣得到的電壓為微伏級別，所以對運放的失

3、調(diào)電壓、失調(diào)漂移電壓和噪聲電壓有嚴格要求。故選取AD8628ARZ運算放大器，該運放能在5V單電源下正常工作，對電源要求低，最高能達到130dB增益，比需要雙電源供電的運放使用方便，能簡化電路、減少干擾。其失調(diào)電壓低至1uA，失調(diào)電壓漂移小于0.005 µV/°C,噪聲僅為0.5µV峰峰值(0 Hz至10 Hz)，滿足要求。5.顯示部分：選用LCD1602作為顯示屏幕。該LCD屏具有有8位并行數(shù)據(jù)輸入口，最多顯示32字符。6.電路設(shè)計：取樣電阻兩端的電壓范圍為0400uV，所以設(shè)計放大電路能將取樣電壓放大10000倍。放大后電壓范圍為04V，符合單片機AD轉(zhuǎn)換的電

4、壓范圍。為了避免放大后的電壓失真，采用二級放大電路，每級電壓增益40dB（100倍）。因為輸入為直流小信號，所以濾波電路采用普通接法即可，濾波電容均為0.1uF。放大電路如下：圖3-1 放大電路每一級放大電路電壓放大倍數(shù)：Av=RfRi+1（Rf為負反饋端電阻，Ri為運放負輸入端輸入電阻）；選取Rf=100k，Ri=1k，兩級同相放大電路將取樣電阻兩端的電壓放大約10000倍整體電路圖設(shè)計如下：圖3-2 整體電路除單片機最小系統(tǒng)外，放大后的電壓輸入單片機P1.0口。單片機P2口控制LCD1602的八位數(shù)據(jù)端。7.PCB設(shè)計采用單層布線，為了減少運放受到的干擾，運放單元的連線盡量與其他原件引腳避

5、開，PCB圖如下：圖 3-3 PCB二軟件設(shè)計1.參數(shù)計算：經(jīng)萬用表標定：取樣電阻： Rtest=2.1；一級放大電路： Rf1=100.6k，Ri1=0.975k，計算Av1=100.60.975+1=104.179二級放大電路： Rf2=100.3k，Ri2=0.973k，計算Av2=100.30.973+1=104.083設(shè)需要測量電路中電流數(shù)值為I， 單位為 uA，則：取樣電阻兩端電壓： Vtest=2.1*I （uV）輸入單片機P1.0口電壓： V=Av1*Av2*Vtest= 22770.852*I（uV）=0.02277 *I（V）單片機讀入的電壓模擬值經(jīng)過10位AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為

6、數(shù)字量：AD_val=V5 *1024AD_val數(shù)值可由單片機程序從P1.0口讀入綜上所述，需要顯示的測試電路實際電流值：I=V/0.02277 （uA）其中：V= AD_val1024 *5單片機參考電壓為5V，經(jīng)計算量程可擴大至220uA。2.程序設(shè)計程序?qū)1.0口轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字量AD_val進行十次求和再求平均，提高測量精確度。因為采用10位內(nèi)置AD，故分辨力能達到200/1024=0.195 uA.在AD轉(zhuǎn)換過程適當加入延時函數(shù)保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定。LCD顯示部分函數(shù)每次只刷新電流值，每次刷新電流數(shù)據(jù)總共需要60ms。數(shù)據(jù)刷新率大于10Hz。具體程序見附錄。第四章 實際測試一、 數(shù)據(jù)記錄：

7、測試電路中電源采用使用過一段時間的干電池，電壓如圖：圖4-1 測量電路輸入壓降電路中串聯(lián)若干不同阻值電阻和調(diào)節(jié)電位器輸出不同電流，測試結(jié)果如下表：測量次數(shù)萬用表讀數(shù)自制電流表讀數(shù)1234567表 4-1 測量結(jié)果二、 結(jié)果分析七組隨機測試數(shù)據(jù)個位最大誤差均在1%以內(nèi)，自制電流表微安級別讀數(shù)個位顯示穩(wěn)定且基本與萬用表相同。滿足要求。附錄：#include<STC12C5A60S2.H>#include"lcd.h"#include"intrins.h"#include<string.h>#include"stdio.h&q

8、uot;#include"math.h"#define uint unsigned int #define uchar unsigned charunsigned int AD_get(unsigned char channel)ADC_CONTR=0x88|channel; /開啟AD轉(zhuǎn)換1000 1000 即POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/要經(jīng)過4個CPU時鐘的延時，其值才能夠保證被設(shè)置進ADC_CONTR 寄存器while

9、(!(ADC_CONTR&0x10); /等待轉(zhuǎn)換完成ADC_CONTR&=0xe7; /關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換，ADC_FLAG位由軟件清0return(ADC_RES*4+ADC_RESL); /返回AD轉(zhuǎn)換完成的10位數(shù)據(jù)(16進制)/*/double AD_work(unsigned char channel)double AD_val; /定義處理后的數(shù)值A(chǔ)D_val為浮點數(shù)unsigned char i;for(i=0;i<100;i+) AD_val+=AD_get(channel); /轉(zhuǎn)換100次求平均值(提高精度)AD_val/=100;AD_val=(AD_v

10、al*5)/1024; /AD的參考電壓是單片機上的5v，所以乘5即為實際電壓值return AD_val;/-void delay(unsigned int a) /延時約1msunsigned int i;while (-a!=0)for(i=600;i>0;i-); /-void serial_init()TMOD=0x20;TH1=0xfd;TL1=0xfd; /設(shè)置9600波特率SCON=0x50; /串口方式1，允許接收TR1=1;/-void AD_init()P1ASF=0xff; /P1口全部作為模擬功能AD使用ADC_RES=0; /清零轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器高8位ADC_R

11、ESL=0; /清零轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器低2位ADC_CONTR=0x80;/開啟AD電源delay(2); /等待1ms，讓AD電源穩(wěn)定 void main(void) double current,c;uint a1,a2=0,i=0;unsigned long int b1;uchar v13,v26,v03;uchar v4='.'uchar v316="The current is :"uchar v53="uA" AD_init(); /A/D轉(zhuǎn)換初始化 serial_init();LcdInit(); /串口初始化while(v3

12、i!='0') LcdWriteData(v3i);i+;LcdWriteCom(0xC0+4);LcdWriteData(v4);LcdWriteCom(0xC0+8);LcdWriteData(v50);LcdWriteData(v51); while(1) current=AD_work(0)/0.02277; a1=(int)current; b1=(long int)(double)(current-a1)*100);if(a1<10)sprintf(v0,"%d",a1);v10=' 'v11=' 'v12=

13、v00;else if(a1>=10)&&(a1<100)sprintf(v0,"%d",a1);v10=' 'v11=v00;v12=v01; else sprintf(v1,"%d",a1); sprintf(v2,"%ld",b1); LcdWriteCom(0xC0+1); for(i=0;i<3;i+) LcdWriteData(v1i);LcdWriteCom(0xC0+5);i=0; while(v2i!='0') LcdWriteData(v2i);i+

14、;delay(400); #include"lcd.h"/延時函數(shù)void Lcd1602_Delay1ms(uint c) unsigned int x,y; /STC12c5a60s2為快速單片機，需要加延時，這個單片機延時10倍for(x=c*10;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-); #ifndef LCD1602_4PINS /當沒有定義這個LCD1602_4PINS時void LcdWriteCom(uchar com) /寫入命令LCD1602_E = 0; /使能LCD1602_RS = 0; /選擇發(fā)送命令LCD1602_RW

15、= 0; /選擇寫入LCD1602_DATAPINS = com; /放入命令Lcd1602_Delay1ms(1);/等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602_Delay1ms(5); /保持時間LCD1602_E = 0;#else void LcdWriteCom(uchar com) /寫入命令LCD1602_E = 0; /使能清零LCD1602_RS = 0; /選擇寫入命令LCD1602_RW = 0; /選擇寫入LCD1602_DATAPINS = com; Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602

16、_Delay1ms(5);LCD1602_E = 0;/Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_DATAPINS = com << 4; /發(fā)送低四位Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602_Delay1ms(5);LCD1602_E = 0;#endif/ 函數(shù)功能 : 向LCD寫入一個字節(jié)#ifndef LCD1602_4PINS void LcdWriteData(uchar dat)/寫入數(shù)據(jù)LCD1602_E = 0;/使能清零LCD1602_RS = 1;/選擇輸入數(shù)據(jù)LCD1602_RW = 0;/

17、選擇寫入LCD1602_DATAPINS = dat; /寫入數(shù)據(jù)Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602_Delay1ms(5); /保持時間LCD1602_E = 0;#elsevoid LcdWriteData(uchar dat)/寫入數(shù)據(jù)LCD1602_E = 0; /使能清零LCD1602_RS = 1; /選擇寫入數(shù)據(jù)LCD1602_RW = 0; /選擇寫入LCD1602_DATAPINS = dat;Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602_Delay1ms(5);LCD1602_E = 0;LCD1602_DATAPINS = dat << 4; /寫入低四位Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /寫入時序Lcd1602_Delay1ms(5);LCD1602_E = 0;#endif/函數(shù)功能 : 初始化LCD屏#ifndefLCD1602_4PINSvoid LcdInit() /LCD初始化子程序 LcdWriteCom(0x38); /開顯示LcdWriteCom(0x0c); /開顯示不顯