高精度大直流测量.doc

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1、作品设计报告高精度大电流测量参赛队员：宋增艳 童强 李丽指导老师：袁益民陕西师范大学2008年8月目 录第1节 引 言11.1 作品摘要介绍11.2 作品设计的意义1 1.3 设计要求 1第2节 总体方案论证与比较 12.1 总体设计方案的介绍 12.2与其他设计方案的比较 12.2.1系统控制方案的比较论证12.3总体硬件组成框图22.4电路性价比的评估 2第3节 主要系统硬件的设计33.1 电路的设计33.2 ADC转换电路的设计43.3 四位数码管显示电路的设计 4第4节 系统的软件设计 64.1系统的软件流程 64.2核心程序的介绍 6第5节 系统调试与测试结果分析7 5.1测试使用的

2、仪器仪表75.2系统调试的方法75.3测试数据及结果分析8第6节 实验总结86.1实验心得8附录 10. 实物图10. 电路总设计原理图11. PCB图12. 元件清单12.参考文献122008年陕西省德州仪器（TI）杯大学生模拟及模数混合电路应用设计竞赛参赛作品原创性声明本人郑重声明：所呈交的参赛作品报告，是本人和队友独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。参赛队员签名： 宋增艳 童强 李丽 2008 年 8月 29 日高精度大直流测量仪

3、第1节 引 言用单片机的软硬件来代替硬件功能，并且应用其强大的的运算能力，可以实现仪表测量，并能进行数据分析处理及软件修正，通过这种方法可以实现测量数据的大范围高精度等功能。于是我们提出了以TI公司开发的MSPFX24X单片机及组委会提供的相关模数集成芯片来实现高精度大直流的测量。1.1 作品摘要介绍我们组设计的高精度大直流测量仪是测量有效范围为025A的电流测量仪，分辨率可达到6.104mA，而显示单位则统一定位A。使用了TI公司提供的MSPFX24X单片机，运算放大器等模拟元件。在一般的电流测量系统中，都是使用众所周知的原理方法来测量的，在此作品中我们将利用硬件的精确度和单片机CPU 的高

4、速强大的运算及可编程功能来实现电流量高精度智能化的测量。1.2作品设计的意义大电流测量仪在电冶金、电化学等高耗电行业电解法生产工艺过程中占有重要地位。直流大电流用户提高测量质量，是提高电能利用率和降低生产成本的重要技术途径。但直流大电流测量技术基础薄弱，长期困扰电冶金、电化工行业生产管理的技术进步，影响用户现代企业管理制度的建立和节电工作的开展。为了改变目前电冶金、电化工行业直流大电流计量技术基础薄弱的现状,必须从根本上改进测量技术路线和测量管理运行机制，完善直流大电流计量检测体系，以提高直流大电流测量质量和用户强直流电的自我计量保证能力。本作品可以有效地减小由于人为因素而造成的测量误差，利用

5、软硬件结合能有效的提高大电流测量的精度。第2 节 总体方案设计本系统采用单片机MSP430为系统控制的核心，此系统主要包括LED显示模块、ADC12模块、IO端口等。下面对各模块的设计逐一进行论证。2.1 总体设计方案的介绍本作品的设计思想是通过电流传感器，运放及高精度的模拟元件的结合，将待测的的大电流采样转换为电压，实现AD模数转换，最终采用LED数码管显示。2.2 与其他设计方案的比较与论证2.2.1 系统控制方案的比较论证方案一：采用51单片机实现系统控制，51单片机由于其内部总线是 8 位的，其内部功能模块基本上都是 8 位的，虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本

6、身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。因此AD转换模块，必须使用外围模块，这样使得硬件的设计复杂度加大。方案二: 采用凌阳单片机实现系统控制，凌阳单片机内部的AD转换是10位的，因此AD转换的精度较低。方案三：采用MSP430实现系统控制。MSP430内部自带ADC12转换模块，ADC12模块主要有以下特点：AD转换为12位，数据的测量精度高；采样速度快；片内参考电压的产生可以有软件编程选择，也可以由软件选择内部参考还是外部参考；可以选择转换的转换时钟源；具有单通道单次转换，单通道多次转换，序列通道单次转换和序列通道多次转换4种转换模式；具有中断矢量寄存器；16位的转换结果存储寄存器。

7、比较以上三种方案，方案三有明显的优点，因此采用方案三。2.2.2 LED显示方式的论证与比较方案一：采用静态显示方式，在静态显示方式下，每位的字选线与独立的8位端口相连，这种方式引线较多，电路复杂，因此成本较高。方案二：采用动态显示方式，这种显示方式是将所有数码管的各字段电极对应的并联在一起，由一个8位端口控制。而每个数码管的共阴极或共阳极点分别由另一个端口的相位I/O口线控制。这个端口送出的信号用来选择第几位数码管工作，这种方式连线简单，因此成本较低.比较以上二种方案，方案二有明显的优点，因此采用方案二。2.3 总体硬件组成框图电流电压传输电路输电路电流采样电路 MSPFX24XMCULED

8、数码管显示图2-1-1 总体硬件组成框图 系统框图如图2-1所示，系统主要由四大模块组成即电压电流转换电路模块、电压传输电路模块、MSP430 模块、LED数码管显示模块。2.4电路性价比的评估该作品采用了较少的元器件，仅使用了电流传感器，运算放大器，MSP430单片机，四位数码管和少数的分立元件，但采用了精度较高的元件和合理的AD修正算法，使得测量的结果精确度较高，且测量数据稳定，因此适宜在大直流供电系统的测试与监测中使用，所以该作品的性价比较高。第3节 主要系统硬件的设计为使作品测量的精确度更高，并且使总体设计更具有模块化，我们对系统的硬件做了精心设计，模块具体设计如下：3.1 大直流转换

9、为电压及电压传输模块电路的设计 电压电流转换电路及电压传输电路的设计是整个电路的关键部分，这部分电路设计的好坏直接关系到测量电流的大小，分辨率，精确度等重要指标。本次设计中我们采用LEM公司的电流传感器LTSR 25-NP和TI公司的运算放大器.下面我们介绍电流传感器LTSR 25-NP： LTSR 25-NP的各个参数如下所示：: 电流的最小值 ：允许测量电流的最大值: 电流传感器的输出电压其输入电流与输出电压的关系如图3-1-1：前侧视图 图3-1-2传感器与运算放大器的连接电路如下图：图3-1-3 大电流转换为电压电路及电压传输原理图推导公式为； 滑动变阻器微调，AD=U1 第一级放大器

10、可以减去2.5，使图3-1-2中的直线平行下移，使单片机可以接受到02V的可以转换电压，后一级跟随器过滤，消除干扰。3.2 MSP430的ADC12转换电路的设计方案的介绍MSP430的ADC12模块实现12位精度的模数转换，因硬件采用四位数码管显示，其AD转换的分辨率接近6.104mA,使转换精度大大提高,MSP430单片机的引脚排列及引脚功能描述如图3-2-1和表3-2-1 引脚功能P3.0P3.7输出P4.6P4.7 输出A0A2A0，A1，A2分别输入0.647V ，1.893V，待测电压P6.0P6.2外围模块图3-2-1 MSP430的引脚排列图表3-2-1引脚功能描述：3.3 四

11、位数码管显示电路的设计其部分电路由芯片SM420564组成,采用动态显示,MSP430与数码管连接电路原理图如图3-3-1所示：图3-3-1 MSP430与数码管连接电路原理图第4节 系统的软件设计软件是控制该LED数码管显示高精度的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也使用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性，在最后的程序调试中再将各个子程序根据需要糅合。4.1系统的软件流程本系统中MSP430的主要功能就是实现AD转换，数据的读取及LED数码管显示等功能。其主程序流程如图4-1-1所示。 图4-1-1 主程序流程图否等待MSP430根据采

12、样信号进行采样，并进行AD转换判断是否有中断标志志？中断标志？开机 机系统初始化多次转换求平均值运算AD转换系数AD修正并反转换LED数码管显示待测数据是 4.2 模数转换修正子程序及其思想 因为MSP430的ADC12转换内部本身具备误差,因此在作品中我们通过软件进行修正,使测量数据的准确度提高,采用的思想如下：MSP430有8个外部通道A0A7，可以实现外部8路模拟信号的输入，该作品由通道A0输入0.647V由通道A1输入1.893V， AD转换结果分别为存到Vin0.647 result 1.893 2.5results 1results2results0其修正关系： results0与

13、results1，确定的直线就为AD转换模拟量与数字量的线性关系，则由通道A2输入变换来的电压值，相应的通过AD转换后的结果results2，利用得到的AD转换的线性关系可得到待测模拟电压的值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; 通过以上拟合方法，可以客观的得到AD转换前后的模拟量与数字量的关系，将ADC12模块系统自带的误差修正。此算法在提高数据显示的精确度中扮演极重要的角色。第5节 系统调试与测试结果分析5.

14、1 使用的仪器仪表 开关式电源供应器 （UP15011050） 数字万用表 （DT1000）电源发生器 （MPS-3003L-3）5.2系统调试的方法根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：LED驱动模块的调试，ADC12模块的调试，最后将各模块组合后进行整体测试。本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。硬件调试：对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定功能。软件调试：软件调试采用LSD-TEST430F16X_V2.0A学习板及微机，将编好的程序进行调试

15、，主要是检查语法错误。软硬件联调：将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。5.3 测试数据及测试结果分析此次系统设计结果较好，LED显示屏能准确显示结果。测试数据：待测电流值数码管显示值待测电流值 数码管显示值0.934A0.911A11.131A11.01A6.952A6.812A15.124A15.11A测试结果分析： 由测试数据可知本作品具有较高稳定性，但也有不可忽视的误差。误差来源：50HZ的燥声干扰；随着元件温度的变化，电阻的阻值与电压呈现非线形关系。方案改进：为了克服50HZ的燥声干扰，AD转换的采样频率大于50HZ，多次采样进行AD转换，减小误差。在作品中我们采用了

16、TI公司的高精度的运算放大器。为了使电阻阻值与电压呈现线形关系，在测量读数完成后要立即断电。第6节 实验总结6.1实验心得MSP430的大学计划增进了在校生接触新技术，新器件的机会，提高了学生的动手能力。在此次竞赛中，我们深刻的了解了MSP430的高性能，懂得了如何在最短的时间设计电路原理，并且学会了PCB板制作的工艺，也获得了面对面对陌生问题时，敢于提出假设的勇气，并去验证，同时在设计的进程中，我们组员进行了合理的分工合作，让我们体会到了团队合作的重要性。此次竞赛是一次受益匪浅的实践性活动，它将理论与实践的关系展现的淋漓尽致，更加激发我们在学习理论知识时的积极性。总之，由衷的感谢TI公司为我

17、们提供的这次动手机会！附录附1 实物图 附2电路总设计原理图附3 PCB图附4元件清单元件数量元件数量电流传感器LTSR 25-MP1三端稳压器1117-2.5 1双集成运算放大器OPA2335AID1三端稳压器1117-3.3 1锁存器74AHCT373N2三端稳压器1117-5.01msp430F247T1晶体震荡器32768Hz和8MHz各1个四位集成数码管SM42056A1电阻，电容若干附5 参考文献1沈建华 杨艳琴 瞿骁曙 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 清华大学出版社，20042沈建华 杨艳琴 瞿骁曙 MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计 清华大学出版社，20053 MSP430单片机应用系统开发典型实例 秦龙 中国电力出版社，2005