高精度数字微安电流表设计(附件)
高精度数字微安电流表设计数字电流表设计属于自动化仪器仪表类控制设计，所需控制与测量的主要参数一般包括电流、电压、功率、频率等。常用的电表主要有电流表、电压表、功率表、电阻表以及集成多功能的电表。传统的电表和目前市场上的又有区别，前者多为指针式面板表，控制精度低，需要人工读数，使用起来不便。数字电流表具有控制精度高，读数方便，易于控制等优点，受到市场主体的青睐。基于51系列单片机控制设计的数字电流表能够实现uA~A等级的电流精确测量显示且具有全自动量程切换功能。该设计主要由精度高阻值小的电阻进行电压采样，后经过误差极小的放大电路转换成想要的电压值给A/D转换器，之后又单片机接受并进行数据处理，最后显示。关键词 电流表，控制，单片机，A/D转换
目 录
1. 引言
1.1课题研究背景
1.2课题研究意义与内容
2. 设计方案选择与确定
2.1 取样电阻的选择
2.2 电压放大器件的选择
2.3量程切换器件的筛选
2.4A/D转换器的选择
2.5微控制器介绍
2.6显示芯片选择
3. 系统原理设计
3.1硬件总体设计及系统原理分析
3.2运算放大电路
3.3量程自动切换电路及代码
3.4A/D转换芯片AD1674
3.5A/D转换电路工作原理
3.6LCD显示器工作原理及控制程序简介
3.7保护电路及报警电路
4. 高精度数字微安电流表的软件设计
4.1量程的整定
4.2软件控制流程
5. 综合调试
结论
致谢
参考文献
附录A 原理图及PCB图
附录B 元件清单
附录C 程序代码
1 引言
课题研究背景
在智能仪表多年的发展过程中，基于微控制器设计的数字电表已经逐步取代了传统的指针式电表的市场需求。基于单片机控制的数字电流表具有数字化、自动量程、显示图形化等明显优点。所谓自动量程，就是在 测量时，即使被测电参量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
十分微弱，也必须遵守程序规则，自动地从高量程逐渐降低或从低量程向高量程自动变换，直至适宜为止。在电流表测电流的时，指针式电流表的缺点非常明显，那就是在测量和读数时，技术人员的读取精度较差，但测试时由于是指针形式的读取，指针摆动的过程非常直接，尤其在幅度变化较大时，其指针的摆动幅度能够比较客观地反映了被测电流的大小。相比较而言，数字电流表读数就非常流畅精确了，能明显看到小数点后几位的变化。
课题研究意义与内容
在电气测量技术领域中，交直流指针式电流表、电压表、功率表、频率计已有悠久的历史。如今的数字式电表不仅功能覆盖他们的全部，而且其绝大多数性能要比传统式要优越。数字式电表增加的功能也是传统的指针式仪表无法实现的。特别是数字式电表在数字化、智能化、自动化测量领域中发挥的越来越重远作用。
对于测量电量跨度较大的的电表量程切换问题一直备受使用者关注。传统的指针式电流表有手动调档的，使用起来不便，而且在忘记转换量程测电流时有可能读出错误的数据，或者用小量程档测大电流时时常造成用电器件的损坏。即使是增加了保护电路的电流表使用起来也只是增加了电路的负担。采用51系列单片机控制的电流表能够在测量时实时读取测量数据，精准而快速，智能控制量程档位的切换，安全无纰漏，且内部还集成了硬件保护以及超量程报警电路，大大延长电表使用寿命。
2 设计方案选择与确定
2.1 取样电阻的选择
本次设计所要测量的电气数据是电流，要测电流的话就一定要对电流进行采样。一般来说电流采样的器件电阻，即通过向被测支路串入一只电阻转化为电压量来进行数据的一系列处理。传统的指针式电流表用的也是这种方法处理。选用电阻一般必须考虑的电气特性有电阻值，精度，功率等参数。小功率电阻器通常为封装在塑料壳中的碳膜电阻，大功率的电阻器通常为线绕式电阻器，通过将大电阻率的金属丝绕在瓷心上制成。要实现精度高的电流测量，就必须选用精度高的电阻。对1Ω以上的电阻，与标识阻值相比±0.5%以内阻值误差的电阻可称为精密电阻，更高精密的可以做到0.01%精度，也就是万分之一精度，这种电阻一般为薄膜电阻。高精度电阻精度常见有:1%，0.5%，0.25%，0.1%，0.05%，0.01%。国家标准规定电阻的阻值按其精度分为两大系列,分别为E24系列和E96系列,E24系列精度为5%,E96系列为1%, 在这两种系列之外的电阻为非标电阻。常用的电阻按制造材料一般可分为碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，无感电阻，薄膜电阻等。金属膜电阻(metal film resistor)，常用符号RJ标志；其同样利用真空喷涂技术在瓷棒上面喷涂，只是将炭膜换成金属膜（如镍铬），并在金属膜车上螺旋纹做出不同阻值，于瓷棒两端镀上贵金属。虽然它较碳膜电阻器贵，但低杂音，稳定，受温度影响小，精确度高成了优势。金属膜电阻的精度较碳膜电阻更高，温漂更小，因此本设计选用金属膜电阻。精密的金属膜电阻一般为五色环电阻，较四色环电阻精度更高，电阻的读数根据色环电阻读数方法。棕1红2橙3黄4绿5蓝6紫7灰8白9黑0金、银表示误差。各色环表示意义如下：第一条色环：阻值的第一位数字；第二条色环：阻值的第二位数字；第三条色环：10的幂数；第四条色环：误差表示。由于电阻总是有误差的，电阻值越大，所造成的取样电压误差也就越大，所以为了实现高精度要求应尽量取用较低阻值的电阻。本次实际中按量程不同选用了两个电阻，阻值分别为0.47Ω和100Ω，精度都为0.5%。所以电阻所造成的误差应设计要求可忽略。
2.2 电压放大器件的选择
较小的采样模拟电压是难以引起A/D转换电路输出数字量变化的，这就要求对应不同量程的采样电压信号进行等比例的放大。模拟量的电压放大一般选用运算放大器组成的放大电路进行选择。微安、毫安级别的电流所需要的放的倍数较大，运算放大电路的输入电阻要求较大，一般为千欧以上，如果单级放大需要MΩ及以上电阻作为反馈电阻，难以实现，会放大误差，同时也和运算放大器的阻抗达到同一级别，运算放大器可能会分流，这是错误的，所以应将大的放大倍数换成多路电压放大电路逐级放大。
算放大器(简称"运放")是具有很高放大倍数的集成电路元件。理想运算放大器参数一般有:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大;输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂，以及噪声均为零。比较OP07、LM324、LM358、UA741后发现OP07具有较低低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在大多数应用场合不需要额外的调零措施。低失调电压漂移为 0.5μV/℃。温漂最小，是最佳的选择。要精度高，消除输入失调电压和减小温漂的影响，除了要选择精度高温漂小的运放外，还要求反馈电阻的阻值比输入电阻不是过大，因为输入失调电压随着放大倍数的增大在增大。
目 录
1. 引言
1.1课题研究背景
1.2课题研究意义与内容
2. 设计方案选择与确定
2.1 取样电阻的选择
2.2 电压放大器件的选择
2.3量程切换器件的筛选
2.4A/D转换器的选择
2.5微控制器介绍
2.6显示芯片选择
3. 系统原理设计
3.1硬件总体设计及系统原理分析
3.2运算放大电路
3.3量程自动切换电路及代码
3.4A/D转换芯片AD1674
3.5A/D转换电路工作原理
3.6LCD显示器工作原理及控制程序简介
3.7保护电路及报警电路
4. 高精度数字微安电流表的软件设计
4.1量程的整定
4.2软件控制流程
5. 综合调试
结论
致谢
参考文献
附录A 原理图及PCB图
附录B 元件清单
附录C 程序代码
1 引言
课题研究背景
在智能仪表多年的发展过程中，基于微控制器设计的数字电表已经逐步取代了传统的指针式电表的市场需求。基于单片机控制的数字电流表具有数字化、自动量程、显示图形化等明显优点。所谓自动量程，就是在 测量时，即使被测电参量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
十分微弱，也必须遵守程序规则，自动地从高量程逐渐降低或从低量程向高量程自动变换，直至适宜为止。在电流表测电流的时，指针式电流表的缺点非常明显，那就是在测量和读数时，技术人员的读取精度较差，但测试时由于是指针形式的读取，指针摆动的过程非常直接，尤其在幅度变化较大时，其指针的摆动幅度能够比较客观地反映了被测电流的大小。相比较而言，数字电流表读数就非常流畅精确了，能明显看到小数点后几位的变化。
课题研究意义与内容
在电气测量技术领域中，交直流指针式电流表、电压表、功率表、频率计已有悠久的历史。如今的数字式电表不仅功能覆盖他们的全部，而且其绝大多数性能要比传统式要优越。数字式电表增加的功能也是传统的指针式仪表无法实现的。特别是数字式电表在数字化、智能化、自动化测量领域中发挥的越来越重远作用。
对于测量电量跨度较大的的电表量程切换问题一直备受使用者关注。传统的指针式电流表有手动调档的，使用起来不便，而且在忘记转换量程测电流时有可能读出错误的数据，或者用小量程档测大电流时时常造成用电器件的损坏。即使是增加了保护电路的电流表使用起来也只是增加了电路的负担。采用51系列单片机控制的电流表能够在测量时实时读取测量数据，精准而快速，智能控制量程档位的切换，安全无纰漏，且内部还集成了硬件保护以及超量程报警电路，大大延长电表使用寿命。
2 设计方案选择与确定
2.1 取样电阻的选择
本次设计所要测量的电气数据是电流，要测电流的话就一定要对电流进行采样。一般来说电流采样的器件电阻，即通过向被测支路串入一只电阻转化为电压量来进行数据的一系列处理。传统的指针式电流表用的也是这种方法处理。选用电阻一般必须考虑的电气特性有电阻值，精度，功率等参数。小功率电阻器通常为封装在塑料壳中的碳膜电阻，大功率的电阻器通常为线绕式电阻器，通过将大电阻率的金属丝绕在瓷心上制成。要实现精度高的电流测量，就必须选用精度高的电阻。对1Ω以上的电阻，与标识阻值相比±0.5%以内阻值误差的电阻可称为精密电阻，更高精密的可以做到0.01%精度，也就是万分之一精度，这种电阻一般为薄膜电阻。高精度电阻精度常见有:1%，0.5%，0.25%，0.1%，0.05%，0.01%。国家标准规定电阻的阻值按其精度分为两大系列,分别为E24系列和E96系列,E24系列精度为5%,E96系列为1%, 在这两种系列之外的电阻为非标电阻。常用的电阻按制造材料一般可分为碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，无感电阻，薄膜电阻等。金属膜电阻(metal film resistor)，常用符号RJ标志；其同样利用真空喷涂技术在瓷棒上面喷涂，只是将炭膜换成金属膜（如镍铬），并在金属膜车上螺旋纹做出不同阻值，于瓷棒两端镀上贵金属。虽然它较碳膜电阻器贵，但低杂音，稳定，受温度影响小，精确度高成了优势。金属膜电阻的精度较碳膜电阻更高，温漂更小，因此本设计选用金属膜电阻。精密的金属膜电阻一般为五色环电阻，较四色环电阻精度更高，电阻的读数根据色环电阻读数方法。棕1红2橙3黄4绿5蓝6紫7灰8白9黑0金、银表示误差。各色环表示意义如下：第一条色环：阻值的第一位数字；第二条色环：阻值的第二位数字；第三条色环：10的幂数；第四条色环：误差表示。由于电阻总是有误差的，电阻值越大，所造成的取样电压误差也就越大，所以为了实现高精度要求应尽量取用较低阻值的电阻。本次实际中按量程不同选用了两个电阻，阻值分别为0.47Ω和100Ω，精度都为0.5%。所以电阻所造成的误差应设计要求可忽略。
2.2 电压放大器件的选择
较小的采样模拟电压是难以引起A/D转换电路输出数字量变化的，这就要求对应不同量程的采样电压信号进行等比例的放大。模拟量的电压放大一般选用运算放大器组成的放大电路进行选择。微安、毫安级别的电流所需要的放的倍数较大，运算放大电路的输入电阻要求较大，一般为千欧以上，如果单级放大需要MΩ及以上电阻作为反馈电阻，难以实现，会放大误差，同时也和运算放大器的阻抗达到同一级别，运算放大器可能会分流，这是错误的，所以应将大的放大倍数换成多路电压放大电路逐级放大。
算放大器(简称"运放")是具有很高放大倍数的集成电路元件。理想运算放大器参数一般有:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大;输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂，以及噪声均为零。比较OP07、LM324、LM358、UA741后发现OP07具有较低低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在大多数应用场合不需要额外的调零措施。低失调电压漂移为 0.5μV/℃。温漂最小，是最佳的选择。要精度高，消除输入失调电压和减小温漂的影响，除了要选择精度高温漂小的运放外，还要求反馈电阻的阻值比输入电阻不是过大，因为输入失调电压随着放大倍数的增大在增大。
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