1、作品設(shè)計(jì)報(bào)告高精度大電流測量參賽隊(duì)員：宋增艷 童強(qiáng) 李麗指導(dǎo)老師：袁益民陜西師范大學(xué)2008年8月目 錄第1節(jié) 引 言11.1 作品摘要介紹11.2 作品設(shè)計(jì)的意義1 1.3 設(shè)計(jì)要求 1第2節(jié) 總體方案論證與比較 12.1 總體設(shè)計(jì)方案的介紹 12.2與其他設(shè)計(jì)方案的比較 12.2.1系統(tǒng)控制方案的比較論證12.3總體硬件組成框圖22.4電路性價(jià)比的評估 2第3節(jié) 主要系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)33.1 電路的設(shè)計(jì)33.2 adc轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)43.3 四位數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 4第4節(jié) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 64.1系統(tǒng)的軟件流程 64.2核心程序的介紹 6第5節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析7 5.1測試使用的

2、儀器儀表75.2系統(tǒng)調(diào)試的方法75.3測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析8第6節(jié) 實(shí)驗(yàn)總結(jié)86.1實(shí)驗(yàn)心得8附錄 10. 實(shí)物圖10. 電路總設(shè)計(jì)原理圖11. pcb圖12. 元件清單12.參考文獻(xiàn)122008年陜西省德州儀器（ti）杯大學(xué)生模擬及模數(shù)混合電路應(yīng)用設(shè)計(jì)競賽參賽作品原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的參賽作品報(bào)告，是本人和隊(duì)友獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果，不侵犯任何第三方的知識(shí)產(chǎn)權(quán)或其他權(quán)利。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。參賽隊(duì)員簽名： 宋增艷 童強(qiáng) 李麗 2008 年 8月 29 日高精度大直流測量儀

3、第1節(jié) 引 言用單片機(jī)的軟硬件來代替硬件功能，并且應(yīng)用其強(qiáng)大的的運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)儀表測量，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及軟件修正，通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的大范圍高精度等功能。于是我們提出了以ti公司開發(fā)的mspfx24x單片機(jī)及組委會(huì)提供的相關(guān)模數(shù)集成芯片來實(shí)現(xiàn)高精度大直流的測量。1.1 作品摘要介紹我們組設(shè)計(jì)的高精度大直流測量儀是測量有效范圍為025a的電流測量儀，分辨率可達(dá)到6.104ma，而顯示單位則統(tǒng)一定位a。使用了ti公司提供的mspfx24x單片機(jī)，運(yùn)算放大器等模擬元件。在一般的電流測量系統(tǒng)中，都是使用眾所周知的原理方法來測量的，在此作品中我們將利用硬件的精確度和單片機(jī)cpu 的高

4、速強(qiáng)大的運(yùn)算及可編程功能來實(shí)現(xiàn)電流量高精度智能化的測量。1.2作品設(shè)計(jì)的意義大電流測量儀在電冶金、電化學(xué)等高耗電行業(yè)電解法生產(chǎn)工藝過程中占有重要地位。直流大電流用戶提高測量質(zhì)量，是提高電能利用率和降低生產(chǎn)成本的重要技術(shù)途徑。但直流大電流測量技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，長期困擾電冶金、電化工行業(yè)生產(chǎn)管理的技術(shù)進(jìn)步，影響用戶現(xiàn)代企業(yè)管理制度的建立和節(jié)電工作的開展。為了改變目前電冶金、電化工行業(yè)直流大電流計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀,必須從根本上改進(jìn)測量技術(shù)路線和測量管理運(yùn)行機(jī)制，完善直流大電流計(jì)量檢測體系，以提高直流大電流測量質(zhì)量和用戶強(qiáng)直流電的自我計(jì)量保證能力。本作品可以有效地減小由于人為因素而造成的測量誤差，利用

5、軟硬件結(jié)合能有效的提高大電流測量的精度。第2 節(jié) 總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用單片機(jī)msp430為系統(tǒng)控制的核心，此系統(tǒng)主要包括led顯示模塊、adc12模塊、io端口等。下面對各模塊的設(shè)計(jì)逐一進(jìn)行論證。2.1 總體設(shè)計(jì)方案的介紹本作品的設(shè)計(jì)思想是通過電流傳感器，運(yùn)放及高精度的模擬元件的結(jié)合，將待測的的大電流采樣轉(zhuǎn)換為電壓，實(shí)現(xiàn)ad模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終采用led數(shù)碼管顯示。2.2 與其他設(shè)計(jì)方案的比較與論證2.2.1 系統(tǒng)控制方案的比較論證方案一：采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，51單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是 8 位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是 8 位的，雖然經(jīng)過各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本

6、身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。因此ad轉(zhuǎn)換模塊，必須使用外圍模塊，這樣使得硬件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度加大。方案二: 采用凌陽單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，凌陽單片機(jī)內(nèi)部的ad轉(zhuǎn)換是10位的，因此ad轉(zhuǎn)換的精度較低。方案三：采用msp430實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。msp430內(nèi)部自帶adc12轉(zhuǎn)換模塊，adc12模塊主要有以下特點(diǎn)：ad轉(zhuǎn)換為12位，數(shù)據(jù)的測量精度高；采樣速度快；片內(nèi)參考電壓的產(chǎn)生可以有軟件編程選擇，也可以由軟件選擇內(nèi)部參考還是外部參考；可以選擇轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源；具有單通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換，序列通道單次轉(zhuǎn)換和序列通道多次轉(zhuǎn)換4種轉(zhuǎn)換模式；具有中斷矢量寄存器；16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)寄存器。

7、比較以上三種方案，方案三有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此采用方案三。2.2.2 led顯示方式的論證與比較方案一：采用靜態(tài)顯示方式，在靜態(tài)顯示方式下，每位的字選線與獨(dú)立的8位端口相連，這種方式引線較多，電路復(fù)雜，因此成本較高。方案二：采用動(dòng)態(tài)顯示方式，這種顯示方式是將所有數(shù)碼管的各字段電極對應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位端口控制。而每個(gè)數(shù)碼管的共陰極或共陽極點(diǎn)分別由另一個(gè)端口的相位i/o口線控制。這個(gè)端口送出的信號用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，這種方式連線簡單，因此成本較低.比較以上二種方案，方案二有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此采用方案二。2.3 總體硬件組成框圖電流電壓傳輸電路輸電路電流采樣電路 mspfx24xmculed

8、數(shù)碼管顯示圖2-1-1 總體硬件組成框圖 系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由四大模塊組成即電壓電流轉(zhuǎn)換電路模塊、電壓傳輸電路模塊、msp430 模塊、led數(shù)碼管顯示模塊。2.4電路性價(jià)比的評估該作品采用了較少的元器件，僅使用了電流傳感器，運(yùn)算放大器，msp430單片機(jī)，四位數(shù)碼管和少數(shù)的分立元件，但采用了精度較高的元件和合理的ad修正算法，使得測量的結(jié)果精確度較高，且測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，因此適宜在大直流供電系統(tǒng)的測試與監(jiān)測中使用，所以該作品的性價(jià)比較高。第3節(jié) 主要系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)為使作品測量的精確度更高，并且使總體設(shè)計(jì)更具有模塊化，我們對系統(tǒng)的硬件做了精心設(shè)計(jì)，模塊具體設(shè)計(jì)如下：3.1 大直流轉(zhuǎn)換

9、為電壓及電壓傳輸模塊電路的設(shè)計(jì) 電壓電流轉(zhuǎn)換電路及電壓傳輸電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路的關(guān)鍵部分，這部分電路設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到測量電流的大小，分辨率，精確度等重要指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)中我們采用lem公司的電流傳感器ltsr 25-np和ti公司的運(yùn)算放大器.下面我們介紹電流傳感器ltsr 25-np： ltsr 25-np的各個(gè)參數(shù)如下所示：: 電流的最小值 ：允許測量電流的最大值: 電流傳感器的輸出電壓其輸入電流與輸出電壓的關(guān)系如圖3-1-1：前側(cè)視圖 圖3-1-2傳感器與運(yùn)算放大器的連接電路如下圖：圖3-1-3 大電流轉(zhuǎn)換為電壓電路及電壓傳輸原理圖推導(dǎo)公式為； 滑動(dòng)變阻器微調(diào)，ad=u1 第一級放大器

10、可以減去2.5，使圖3-1-2中的直線平行下移，使單片機(jī)可以接受到02v的可以轉(zhuǎn)換電壓，后一級跟隨器過濾，消除干擾。3.2 msp430的adc12轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案的介紹msp430的adc12模塊實(shí)現(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，因硬件采用四位數(shù)碼管顯示，其ad轉(zhuǎn)換的分辨率接近6.104ma,使轉(zhuǎn)換精度大大提高,msp430單片機(jī)的引腳排列及引腳功能描述如圖3-2-1和表3-2-1 引腳功能p3.0p3.7輸出p4.6p4.7 輸出a0a2a0，a1，a2分別輸入0.647v ，1.893v，待測電壓p6.0p6.2外圍模塊圖3-2-1 msp430的引腳排列圖表3-2-1引腳功能描述：3.3 四

11、位數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)其部分電路由芯片sm420564組成,采用動(dòng)態(tài)顯示,msp430與數(shù)碼管連接電路原理圖如圖3-3-1所示：圖3-3-1 msp430與數(shù)碼管連接電路原理圖第4節(jié) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件是控制該led數(shù)碼管顯示高精度的重要組成部分，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中我們也使用了模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性，在最后的程序調(diào)試中再將各個(gè)子程序根據(jù)需要糅合。4.1系統(tǒng)的軟件流程本系統(tǒng)中msp430的主要功能就是實(shí)現(xiàn)ad轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的讀取及l(fā)ed數(shù)碼管顯示等功能。其主程序流程如圖4-1-1所示。 圖4-1-1 主程序流程圖否等待msp430根據(jù)采

12、樣信號進(jìn)行采樣，并進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換判斷是否有中斷標(biāo)志志？中斷標(biāo)志？開機(jī) 機(jī)系統(tǒng)初始化多次轉(zhuǎn)換求平均值運(yùn)算ad轉(zhuǎn)換系數(shù)ad修正并反轉(zhuǎn)換led數(shù)碼管顯示待測數(shù)據(jù)是 4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換修正子程序及其思想 因?yàn)閙sp430的adc12轉(zhuǎn)換內(nèi)部本身具備誤差,因此在作品中我們通過軟件進(jìn)行修正,使測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度提高,采用的思想如下：msp430有8個(gè)外部通道a0a7，可以實(shí)現(xiàn)外部8路模擬信號的輸入，該作品由通道a0輸入0.647v由通道a1輸入1.893v， ad轉(zhuǎn)換結(jié)果分別為存到vin0.647 result 1.893 2.5results 1results2results0其修正關(guān)系： results0與

13、results1，確定的直線就為ad轉(zhuǎn)換模擬量與數(shù)字量的線性關(guān)系，則由通道a2輸入變換來的電壓值，相應(yīng)的通過ad轉(zhuǎn)換后的結(jié)果results2，利用得到的ad轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系可得到待測模擬電壓的值result。修正子程序：void repire( void)float k,b;k=(results1-results0)/1.246;b=results0-k*0.647;result=(results2-b)/k; 通過以上擬合方法，可以客觀的得到ad轉(zhuǎn)換前后的模擬量與數(shù)字量的關(guān)系，將adc12模塊系統(tǒng)自帶的誤差修正。此算法在提高數(shù)據(jù)顯示的精確度中扮演極重要的角色。第5節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析5.

14、1 使用的儀器儀表 開關(guān)式電源供應(yīng)器 （up15011050） 數(shù)字萬用表 （dt1000）電源發(fā)生器 （mps-3003l-3）5.2系統(tǒng)調(diào)試的方法根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對各電路模塊功能進(jìn)行逐級測試：led驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試，adc12模塊的調(diào)試，最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試。本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。硬件調(diào)試：對各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定功能。軟件調(diào)試：軟件調(diào)試采用lsd-test430f16x_v2.0a學(xué)習(xí)板及微機(jī)，將編好的程序進(jìn)行調(diào)試

15、，主要是檢查語法錯(cuò)誤。軟硬件聯(lián)調(diào)：將調(diào)試好的硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，主要調(diào)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能。5.3 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果較好，led顯示屏能準(zhǔn)確顯示結(jié)果。測試數(shù)據(jù)：待測電流值數(shù)碼管顯示值待測電流值 數(shù)碼管顯示值0.934a0.911a11.131a11.01a6.952a6.812a15.124a15.11a測試結(jié)果分析： 由測試數(shù)據(jù)可知本作品具有較高穩(wěn)定性，但也有不可忽視的誤差。誤差來源：50hz的燥聲干擾；隨著元件溫度的變化，電阻的阻值與電壓呈現(xiàn)非線形關(guān)系。方案改進(jìn)：為了克服50hz的燥聲干擾，ad轉(zhuǎn)換的采樣頻率大于50hz，多次采樣進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換，減小誤差。在作品中我們采用了

16、ti公司的高精度的運(yùn)算放大器。為了使電阻阻值與電壓呈現(xiàn)線形關(guān)系，在測量讀數(shù)完成后要立即斷電。第6節(jié) 實(shí)驗(yàn)總結(jié)6.1實(shí)驗(yàn)心得msp430的大學(xué)計(jì)劃增進(jìn)了在校生接觸新技術(shù)，新器件的機(jī)會(huì)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。在此次競賽中，我們深刻的了解了msp430的高性能，懂得了如何在最短的時(shí)間設(shè)計(jì)電路原理，并且學(xué)會(huì)了pcb板制作的工藝，也獲得了面對面對陌生問題時(shí)，敢于提出假設(shè)的勇氣，并去驗(yàn)證，同時(shí)在設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，我們組員進(jìn)行了合理的分工合作，讓我們體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。此次競賽是一次受益匪淺的實(shí)踐性活動(dòng)，它將理論與實(shí)踐的關(guān)系展現(xiàn)的淋漓盡致，更加激發(fā)我們在學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)的積極性?？傊芍缘母兄xti公司為我們提供的這次動(dòng)手機(jī)會(huì)！附錄附1 實(shí)物圖 附2電路總設(shè)計(jì)原理圖附3 pcb圖附4元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量電流傳感器ltsr 25-mp1三端穩(wěn)壓器1117-2.5 1雙集成運(yùn)