摘 要： 本文中數字電流表的控制系統采用AT89S51單片機，A／D轉換器采用ADC0809為主要硬件，實現數字電流表的硬件電路與軟件設計。該系統的數字電流表電路簡單，所用的元件較少，成本低，調節工作可實現自動化。數字電流表可以測量0～200 mA的8路輸入電流值，并在LCD液晶顯示屏上顯示出來。
關鍵詞： 單片機；數字電流表；A／D轉換器；液晶顯示屏
0 引言
在現實中，根據測試系統的要求，往往需要采集被測對象的各種參數，如電壓、電流等，這些參數的采集是至關重要的，它們直接影響到整個測試系統的測試精度。在有些應用中，需要對電流進行檢測，必須先將其電流信號轉換為電壓信號，然后才能實現A/D轉換。常用的轉換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流信號轉換為電壓信號[1]。這種方法的優點是測量簡單方便，但是這種方法當電流很小時，從電阻上取得的電壓值可能很小，影響測量精度，因而很難選擇一個合適的阻值；其次，所得到的電流檢測信號只有通過放大以后才能進入電路中的比較器，從而增加了電路設計調試時的復雜度。因此，需要采用電流/電壓轉換芯片，并結合單片機以實現對電流信號的檢測。本文中采用精密電阻，克服了常規測量電流方法存在的測量范圍小、測量誤差大等缺點，可提高測量精度，同時采用單片機可實現自動檢測。
1 硬件電路設計
本設計旨在設計一款測量范圍在0～200 mA、顯示精度在小數點前一位的基于AT89S51單片機帶液晶顯示功能的電流表，經查閱多種相關資料，確定本設計的總體框圖如圖1所示。
圖1所示電路工作過程：將需要檢測的電流信號經過I/V變換變為電壓信號，將其輸出的電壓信號連接到ADC0809進行A/D轉換，電壓信號經過采樣后，輸出到單片機，單片機控制中斷的過程以及數據的讀取過程，最后通過控制液晶顯示所讀取的數據。
1.1 I/V變換電路部分
對本設計來說，由于精度要求并不高，故用有源I/V即可滿足要求，有源I/V變換是利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成的，如圖2所示。
該有源I/V變換電路利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數為：
若取R1=20 Ω，R2=100 kΩ，R3=100 kΩ，R4=25 kΩ，R5=10 kΩ，則當輸入電流為0～200 mA時，對應于0～5 V的電壓輸出。
1.2 A/D轉換模塊
基于成本、功耗、分辨率、模擬電壓轉換范圍等因素，此處選擇ADC0809芯片。ADC0809與8051單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式。A/D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。在本設計中，選擇中斷方式，即把表明轉換完成的狀態信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。
1.3 單片機模塊
該電流表可測量0～200 mA的直流電壓，通過電位器調節產生，顯示位數3位[2]，工作電壓5 V。通過A/D轉換芯片ADC0809把模擬信號轉換為數字量傳送到單片機的P3口，并在P2口把轉換的結果顯示出來。在仿真軟件Protesus[3]里選擇元器件后連接電流表總圖，如圖3所示。
本設計選用的AT89S51是ATMEL公司推出的高性能8位微控制器，由于ADC0809無片內時鐘，時鐘信號可由AT89S51的ALE信號經D觸發器二分頻后獲得。ALE引腳的脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。本設計中單片機時鐘頻率采用6 MHz，則ALE輸出的頻率是1 MHz，二分頻后為500 kHz，符合ADC0809對頻率的要求。
1.4 顯示部分
本電流表的顯示[4]選擇LCDl602型LCD，它具有電流小、功耗低、體積小、字跡清晰、美觀、方便、使用壽命長、無電磁輻射等優點。從圖3中可看出其與AT89S51的P0口相連，其DO～D7為8位雙向數據線，VSS為地電源，VDD接5 V正向電源，VEE為液晶顯示器對比度調整端，接正向電源時對比度最弱，而接地電源時對比度最高。該引腳通過一只1 kΩ的電位器來調整其對比度。RS為寄存器選擇引腳，RS為高電平時選用數據寄存器；RS為低電平時選用指令寄存器。RW為可讀寫信號引腳，RW高電平時為讀操作；RW低電平時為寫操作。當RS和RW共同為低電平時則寫入指令或者顯示地址；當RS為低電平、RW為高電平時為讀忙信號；當RS為高電平、RW為低電平時為寫人數據。E為使能端，當E由高電平跳變為低電平時，LCD液晶模塊開始執行命令。
2 電流表軟件設計
本電流表的主程序流程包括：系統初始化、中斷處理程序、數值轉換程序、顯示處理程序。較關鍵的是數據采集部分和顯示部分。
2.1 數據采集部分
本部分程序設計的思想如下：首先由ADC0809采集數據，采集完成后單片機通過中斷將數據讀入，然后將所得十六進制數轉換成十進制數，將此十進制數的百、十、個位分別取出，在預先設置好的表中查出其所對應的顯示指令并顯示出來。以下為數值轉換的主代碼[5]。
codes=PORT；//將中斷值賦予codes
codes1=（codes&0xf0）>>4；//取出codes的高4位
codes0=codes&0x0f；//取出codes的低4位
code_d=codes1*16+codes0；//將codes轉化為十進制數
bai=code_d/100；//將code_d的百位取出
shi=code_d/10%10；//將code_d的十位取出
ge=code_d%10；//將code_d的個位取出
2.2 數值顯示程序
這部分程序首先要將單位mA顯示出來，因為這單位是不變的。要把測得的數值在液晶屏上顯示出來時，此處調用一個getchar函數。在這個函數中，用了一個do{}while語句。在此語句的一開頭首先測試液晶模塊是否空閑，若不空閑則等待其空閑，當液晶空閑時，執行嵌套switch/case語句。由于要顯示三個數字，所以設定了一個變量i，當i=0時顯示百位，當i=1時顯示十位，當i=2時顯示個位。顯示數字時可選擇查表法。先建立三個表，每一位對應一個表。以下為顯示十位的例子。
case 1：
{
PA=TABLE2[shi*2+t]；
t++；
}break；
顯示完成后，進行適當的延時以保證顯示的穩定性。
3 結論
在本次設計中，通過使用Proteus繪制電路圖，用C語言編寫程序，程序運行完畢后，電壓表的顯示屏上就可以顯示出電流數值來。調節電位器，顯示數值就會發生變化。電壓表的最小顯示值是0 mA，最大顯示值是200 mA，這與設計目的一致，1 s內大約可以測量2次電壓值。
參考文獻
[1] 柳金龍．淺談數字電壓表的特點[J]．中國計量，2004（8）：43-44.
[2] 王韜．3位半積分式A/D轉換DC電壓表[J]．電子設計工程：電子世界，2002（2）：44-45.
[3] 周潤景，張麗娜．劉映群.PROTEUS入門使用教程[M]．北京：機械工業出版社，2007．
[4] 馬俊，劉曉林．智能鍵盤字符輸入及LCD顯示系統設計[J]．電子設計工程，2009，17（1）：66-68.
[5] 馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機的C語言應用程序設計（第3版）[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．