摘 要： 本文中数字电流表的控制系统采用AT89S51单片机，A／D转换器采用ADC0809为主要硬件，实现数字电流表的硬件电路与软件设计。该系统的数字电流表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化。数字电流表可以测量0～200 mA的8路输入电流值，并在LCD液晶显示屏上显示出来。
关键词： 单片机；数字电流表；A／D转换器；液晶显示屏
0 引言
在现实中，根据测试系统的要求，往往需要采集被测对象的各种参数，如电压、电流等，这些参数的采集是至关重要的，它们直接影响到整个测试系统的测试精度。在有些应用中，需要对电流进行检测，必须先将其电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号[1]。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，从电阻上取得的电压值可能很小，影响测量精度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，需要采用电流/电压转换芯片，并结合单片机以实现对电流信号的检测。本文中采用精密电阻，克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，同时采用单片机可实现自动检测。
1 硬件电路设计
本设计旨在设计一款测量范围在0～200 mA、显示精度在小数点前一位的基于AT89S51单片机带液晶显示功能的电流表，经查阅多种相关资料，确定本设计的总体框图如图1所示。
图1所示电路工作过程：将需要检测的电流信号经过I/V变换变为电压信号，将其输出的电压信号连接到ADC0809进行A/D转换，电压信号经过采样后，输出到单片机，单片机控制中断的过程以及数据的读取过程，最后通过控制液晶显示所读取的数据。
1.1 I/V变换电路部分
对本设计来说，由于精度要求并不高，故用有源I/V即可满足要求，有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成的，如图2所示。
该有源I/V变换电路利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为：
若取R1=20 Ω，R2=100 kΩ，R3=100 kΩ，R4=25 kΩ，R5=10 kΩ，则当输入电流为0～200 mA时，对应于0～5 V的电压输出。
1.2 A/D转换模块
基于成本、功耗、分辨率、模拟电压转换范围等因素，此处选择ADC0809芯片。ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。在本设计中，选择中断方式，即把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
1.3 单片机模块
该电流表可测量0～200 mA的直流电压，通过电位器调节产生，显示位数3位[2]，工作电压5 V。通过A/D转换芯片ADC0809把模拟信号转换为数字量传送到单片机的P3口，并在P2口把转换的结果显示出来。在仿真软件Protesus[3]里选择元器件后连接电流表总图，如图3所示。
本设计选用的AT89S51是ATMEL公司推出的高性能8位微控制器，由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由AT89S51的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚的脉冲频率是8051时钟频率的1/6。本设计中单片机时钟频率采用6 MHz，则ALE输出的频率是1 MHz，二分频后为500 kHz，符合ADC0809对频率的要求。
1.4 显示部分
本电流表的显示[4]选择LCDl602型LCD，它具有电流小、功耗低、体积小、字迹清晰、美观、方便、使用寿命长、无电磁辐射等优点。从图3中可看出其与AT89S51的P0口相连，其DO～D7为8位双向数据线，VSS为地电源，VDD接5 V正向电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正向电源时对比度最弱，而接地电源时对比度最高。该引脚通过一只1 kΩ的电位器来调整其对比度。RS为寄存器选择引脚，RS为高电平时选用数据寄存器；RS为低电平时选用指令寄存器。RW为可读写信号引脚，RW高电平时为读操作；RW低电平时为写操作。当RS和RW共同为低电平时则写入指令或者显示地址；当RS为低电平、RW为高电平时为读忙信号；当RS为高电平、RW为低电平时为写人数据。E为使能端，当E由高电平跳变为低电平时，LCD液晶模块开始执行命令。
2 电流表软件设计
本电流表的主程序流程包括：系统初始化、中断处理程序、数值转换程序、显示处理程序。较关键的是数据采集部分和显示部分。
2.1 数据采集部分
本部分程序设计的思想如下：首先由ADC0809采集数据，采集完成后单片机通过中断将数据读入，然后将所得十六进制数转换成十进制数，将此十进制数的百、十、个位分别取出，在预先设置好的表中查出其所对应的显示指令并显示出来。以下为数值转换的主代码[5]。
codes=PORT；//将中断值赋予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；//将codes转化为十进制数
bai=code_d/100；//将code_d的百位取出
shi=code_d/10%10；//将code_d的十位取出
ge=code_d%10；//将code_d的个位取出
2.2 数值显示程序
这部分程序首先要将单位mA显示出来，因为这单位是不变的。要把测得的数值在液晶屏上显示出来时，此处调用一个getchar函数。在这个函数中，用了一个do{}while语句。在此语句的一开头首先测试液晶模块是否空闲，若不空闲则等待其空闲，当液晶空闲时，执行嵌套switch/case语句。由于要显示三个数字，所以设定了一个变量i，当i=0时显示百位，当i=1时显示十位，当i=2时显示个位。显示数字时可选择查表法。先建立三个表，每一位对应一个表。以下为显示十位的例子。
case 1：
{
PA=TABLE2[shi*2+t]；
t++；
}break；
显示完成后，进行适当的延时以保证显示的稳定性。
3 结论
在本次设计中，通过使用Proteus绘制电路图，用C语言编写程序，程序运行完毕后，电压表的显示屏上就可以显示出电流数值来。调节电位器，显示数值就会发生变化。电压表的最小显示值是0 mA，最大显示值是200 mA，这与设计目的一致，1 s内大约可以测量2次电压值。
参考文献
[1] 柳金龙．浅谈数字电压表的特点[J]．中国计量，2004（8）：43-44.
[2] 王韬．3位半积分式A/D转换DC电压表[J]．电子设计工程：电子世界，2002（2）：44-45.
[3] 周润景，张丽娜．刘映群.PROTEUS入门使用教程[M]．北京：机械工业出版社，2007．
[4] 马俊，刘晓林．智能键盘字符输入及LCD显示系统设计[J]．电子设计工程，2009，17（1）：66-68.
[5] 马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的C语言应用程序设计（第3版）[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．