1、 . . . 省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項 目 申 報 表項目名稱: 基于AT89S52單片機的智能沖擊電流計的設計與開發(fā)學校名稱理工學院南湖學院學生專 業(yè)性 別入 學 年 份周旭陽電子信息工程男2010朱玉軍電子信息工程男2010中華電子信息工程男2010春波電子科學與技術男2010艷杰電子科學與技術男2010指導教師梅孝安職稱副教授學科專業(yè)電子與通信學生曾經參與科研的情況項目組成成員均學習刻苦、成績優(yōu)秀、積極上進，都具有扎實的專業(yè)基礎知識、較強的解決實際問題的能力。每位成員各有特色與長處，能夠恰到好處的互補，是一個強強聯(lián)合的優(yōu)秀團隊。項目組成員長期在信息學院創(chuàng)新基地進行項目開發(fā)與設

2、計，其中艷杰等同學曾參加過學校挑戰(zhàn)杯比賽，取得了優(yōu)秀的成績。周旭陽，項目主持人，曾多次擔任學生干部，具有很強的組織、協(xié)調和溝通能力以與感召力。專業(yè)成績優(yōu)秀，具有扎實的專業(yè)理論知識，在單片機開發(fā)、數字信號處理方面有很深的理論功底，長期在信息學院創(chuàng)新基礎學習實踐，開發(fā)了電子天平等系統(tǒng)，能從宏觀上把握整個項目的運作。朱玉軍，動手能力強，專業(yè)成績優(yōu)秀，電子線路設計能力強，能勝任本系統(tǒng)硬件的設計。中華，思維敏捷，具有較好的計算機軟件編程能力，擅長程序調試與改進，能勝任本項目軟件系統(tǒng)的設計。春波，多次擔任學生干部，有較強的溝通，協(xié)調能力。無論在專業(yè)知識方面，還是團隊協(xié)作方面，均能發(fā)揮積極的作用。艷杰，專業(yè)

3、綜合成績優(yōu)秀。精通單片機設計和C51編程，同時，文字功底很深，能夠很好的撰寫論文。指導教師承擔科研課題情況本項目指導老師梅孝安同志，副教授，電子與通信工程碩士，省青年教學能手。梅孝安同志長期在教學科研一線工作，具有較強的教學與科研能力。近幾年梅孝安在國際國權威刊物上公開發(fā)表論文20多篇，其中有10篇被SCI、EI收錄；主持省科技廳科技計項目一項，主持完成省教育廳科研項目一項（DWDM系統(tǒng)中非線性效應的研究）；主持完成省教育廳教研項目一項（構建大學物理實驗信息平臺的探索與實踐），重要參與省自然科學基金項目2項，重要參與省級精品課程1門，主持理工學院重點教改1項，一般教研項目1項，獲理工學院校級教

4、學成果獎特等獎一項。梅孝安同志先后擔任過單片機原理與應用、大學物理實驗、光纖通信等課程的教學工作，2次獲得理工學院課堂教學比武一等獎，多次榮獲學校課堂教學優(yōu)秀獎。梅孝安同志指導學生完成省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗項目一項，指導學生省大學生“挑戰(zhàn)杯”課外創(chuàng)新比賽獲二等獎一項。項目研究和實驗的目的、容和要解決的主要問題沖擊電流計不是用來測量電流的，而是直接測量脈沖電量的，常用來測量與電量有關的物理量，如磁感應強度、電容、高電阻等，它是基本精密儀器之一，在工程生產與精密測量領域有著極其廣泛的應用。沖擊電流計可以測量在暫短時間流經它的脈沖電流所遷移的電量。本項目利用現代單片機技術與高速A/D芯片采用

5、全新的思想設計與開發(fā)一套智能沖擊電流計。下面以充滿電的電容放電為例說明其設計思想。電容放電時其電量的變化情況如圖1所示。本項目設計的沖擊電流計能測量出暫短時間流經它的脈沖電流所遷移的電量。設計思想是：如要測出t1t2時間遷移的電量，則在t1t2時間取樣，利用高速A/D芯片通過單片機測出其電壓值，計算出其電流值，乘以間隔時間，即可得到間隔期間的電量值，最后把所測得的電量Q累加起來，即得到所要的遷移電量，最后通過4位數碼管顯示所測電量值。毫無疑問，取樣間隔時間越短，測量精度越高，但對A/D芯片的要求也越高。圖1 電容放電情況沖擊電流計一個典型的應用是用電容漏電法精確測量高電阻。高電阻一般指100萬

6、歐以上的電阻，由于惠更斯電橋靈敏度有限，因此高電阻一般不能也不宜用它作精確測量。但用漏電法能比較精確地測量高電阻，其測量原理如圖2所示。圖2 漏電法測高阻電路圖測量方法是將被測電阻R與已知電容C并聯(lián)，先將電容器充電，然后將開關K斷開，即不與3接觸，也不與1接觸，電容器上的電荷將通過高電阻R泄漏，精確控制漏電的時間并測出剩余電量就能通過計算得出高電阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏電的時間，即開關動手與秒表手工停啟，實驗誤差非常大。本項目設計的智能沖擊電流還設有智能開關控制器模塊，該模塊利用單片機定時系統(tǒng)和繼電器電磁開關能進行精確的定時控制，用戶可以隨意設定電容充電的時間、電容對電阻放電

7、的時間，系統(tǒng)自動完成各種狀態(tài)的切換，測量精度非常高。本項目研究的容是利用AT89S52單片機、高速A/D芯片、繼電器以與數碼管等外圍器件設計與開發(fā)出一套具有精準控時智能開關 控制器的數字智能沖擊電流計。利用此儀器附加其他設備，就可以精確的測量電量、高電阻、電容以與磁場強度，具有極其重要的實用價值。目前，課題組成員經過幾個月的前期調研與分析，設計出了系統(tǒng)的主模塊，通過計算機仿真，情況良好。主要存在的問題是缺少資金，還沒有制成實物，無法驗證測量的精度。國外研究現狀和發(fā)展動態(tài)目前沖擊電流計的發(fā)展正由傳統(tǒng)機械式向電子數字式轉變。一、機械式沖擊電流計利用永久磁鐵的磁場對載流線圈作用的原理制成的一種電流計

8、。它的主要結構有固定的永久磁鐵和活動的線圈。其結構如圖3所示，線圈由懸絲懸掛，懸絲除了提供微小的恢復力矩外，還用作通入線圈電流的引線，線圈的另一引線是下螺旋，在動圈的上端裝有反射小鏡，利用它對光線的反射來指示活動部分的偏轉。在距小鏡一定距離處安裝一標尺，由小燈產生的狹窄光束投向小鏡，經小鏡反射到標尺上，形成明晰的光標，以指示活動部分的偏轉角。這種電流計的靈敏度很高,但極易受外界振動的影響,使用時應將它固定安裝在穩(wěn)固位置或堅實墻壁上。由于操作復雜，對環(huán)境要求高，所以使用非常不方便。目前我國部分高校實驗室和研究所還在使用此種沖擊電流計, 見參考文獻1。圖3機械式沖擊電流計結構圖二、數字沖擊電流計數

9、字式沖擊電流計不同于原來的磁電式沖擊電流計，現在市面上的數字沖擊電流計是使用大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運算放大器與優(yōu)質電子元器件組成的數字式測量儀表，它主要用于測量短時間脈沖所遷移的電量，故可用來測量與此相關的物理量。數字沖擊電流計用LED數碼管顯示測量結果，讀數清晰，數據自動保持，直至被下一次的測量數據自動取代，因而消除了人為的讀數誤差。數字沖擊電流計相比傳統(tǒng)的沖擊電流計有無論是在操作性還是結果的準確性上都有很大的提高。數字沖擊電流計測高電阻與普通式相比具有以下優(yōu)點：（1）不用安裝在墻上，省去調節(jié)光路的麻煩，不怕震動。（2）電路簡化，不用接電磁阻尼開關盒換向開關。（3）測量數據超過量限，

10、不會損壞儀器，恢復測量狀態(tài)非常容易。（4）數字儀表的測量精度比模擬儀表高，測量結果的不確定度小。（5）普通沖擊電流計是根據標尺刻度來讀數，會因個人讀數習慣不同而產生認為不確定度，數字式是數字顯示，因此沒有認為誤差。但是目前市場上的數字沖擊電流計有以下缺點：（1）由于使用了大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運算放大器與優(yōu)質電子元器件，價格昂貴，一臺設備的價格大概在5000多元；（2）沒有包含智能開關控制模塊，測量高電阻時，對電容的充電和放電均采用手工完成。由于手工控制完全跟不上電容充放電節(jié)奏，所以實驗誤差比較大。見參考文獻2。而本系統(tǒng)研究的智能沖擊電流計具有智能開關控制器模塊，能精確地設定電容充電和

11、放電時間，因此極提高了實驗的精度。參考文獻：1郭鴻章 王景陽.沖擊電流計的研究.電工學院學報.Vol.15 No.3 Sep.19982 付時明.用數字沖擊電流計測高電阻.物理與工程 Vol.15 No.1 2008. 本項目學生有關的研究積累和已取得的成績本項目的學生為電子類的大三本科生，已經完成了對單片機、模擬電子線路、數字電路理論知識的學習。項目組成員長期在信息學院創(chuàng)新基地從事電子系統(tǒng)的設計與開發(fā)，項目主持人周旭陽同學開發(fā)過電子電平測量系統(tǒng)，艷杰同學開發(fā)過無線溫控智能電風扇等系統(tǒng)。其他同學也開發(fā)過相應的小系統(tǒng)，都具有豐富的電子系統(tǒng)設計與開發(fā)經驗。對于本項目課題組成員在梅孝安老師的指導下進

12、行了詳細的前期調研與開發(fā)工作。對主系統(tǒng)進行了詳細的硬件和軟件設計，通過PROTEUS仿真，情況良好。下面介紹一下項目組設計的系統(tǒng)主要模塊。（1） 鍵盤控制模塊鍵盤控制模塊的電路圖如圖4所示。該模塊由4個按鍵電路組成，其作用分別是狀態(tài)切換、加、減、開始。默認的狀態(tài)是狀態(tài)A為設置充電時間，當按一下狀態(tài)切換鍵是轉到狀態(tài)B為設置放電時間，再按一下狀態(tài)切換鍵轉到狀態(tài)C為設定沖擊電流計的檢測時間，所有的時間都可以用加減鍵來設定，每按一下。按下開始鍵，系統(tǒng)開始自動運行，按設定的時間在三種狀態(tài)自動切換。圖4 鍵盤電路圖（2）充放電狀態(tài)顯示模塊該模塊的電路如圖5所示，當充電紅燈亮起時表示在給電容充電，當放電綠燈

13、亮起時表示電容正處于放電狀態(tài)，讓用戶清楚系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖5 充放電狀態(tài)顯示電路（3）顯示模塊顯示電路如6所示，由4個8段LED數碼管組成了動態(tài)顯示電路，4個數碼管的8位字形碼并聯(lián)在一起，由單片機通過P0.0P0.7控制顯示的，而4個位選線則是由單片機上的P2.0P2.3控制。圖6 數碼管顯示模塊（4）A/D采樣模塊A/D采樣電路如7所示，我們設計的系統(tǒng)采用ADC808為A/D采樣芯片，ADC0808是8為并行高速A/D芯片。ADC0808的26腳為采樣模擬信號輸入，模擬信號采樣后轉換為數字信號后通過單片機的P1口傳入。圖7A/D采樣模塊（5）系統(tǒng)總電路系統(tǒng)主題總電路如圖8所示。我們采用PRO

14、TEUS仿真，系統(tǒng)仿真運行情況良好，達到了設計的要求。圖8系統(tǒng)總電路圖綜上所述，本課題組成員通過前期充分的調研與論證，可以認為，我們設計的系統(tǒng)方案是科學可行的。項目的創(chuàng)新點和特色本項目打算利用AT89S52單片機、高速A/D芯片、繼電器以與數碼管等外圍器件設計與開發(fā)出一套具有精準控時智能開關控制器的數字智能沖擊電流計。本項目的創(chuàng)新與特色點如下：（1）本項目設計的智能沖擊電流計是利用AT89S52單片機和ADC0808芯片對電流脈沖進行采樣測量，通過累加測出其電量，其方法新穎，技術先進；（2）本項目設計的智能沖擊電流計功能齊全，具有智能開關控制模塊，能精確的控制開關各種狀態(tài)的時間，為高電阻的測量

15、等領域提供了強有力的工具，極大的方便了用戶；（3）本項目設計的智能沖擊電流計所采用的芯片與技術非常成熟，成本低，相比較現在市場上5000多的數字沖擊電流計具有極大的成本優(yōu)勢。項目的技術路線、進度安排與預期成果技術路線：本項目主要利用單片機來進行系統(tǒng)過程控制。其中涉與到的主要技術有單片機定時技術、單片機與模數轉換器連接控制技術、4位8段LED數碼管動態(tài)顯示技術、繼電器控制技術以與一些數據處理技術。進度安排：主要階段性成果序號研究階段（起止時間）階段成果名稱成果形式12013.04.01-2013.04.30項目總體規(guī)劃，建立系統(tǒng)硬件模型文檔22013.05.01-2013.05.30項目軟件設計與開發(fā)文檔32013.06.01-2013.08.30 采購硬件設備，制成實物實物、文檔42013.09.01-2013.11.30測試系統(tǒng)數據，優(yōu)化系統(tǒng)，撰寫相應論文實物，文檔52013.12.01-2014.01.30發(fā)表論文，整理研究報告文檔62014.02.01-2014.02.09研究報告撰寫完成文檔72014.02.10-2013.0