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1、湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项项 目目 申申 报报 表表项目名称: 基于 AT89S52 单片机的智能冲击电流计的设计与开发学校名称湖南理工学院南湖学院学生姓名专 业性 别入 学 年 份周旭阳电子信息工程男2010朱玉军电子信息工程男2010杨中华电子信息工程男2010范春波电子科学与技术男2010赵艳杰电子科学与技术男2010指导教师梅孝安职称副教授学科专业电子与通信学生曾经参与科研的情况项目组成成员均学习刻苦、成绩优秀、积极上进，都具有扎实的专业基础 知识、较强的解决实际问题的能力。每位成员各有特色与长处，能够恰到好处 的互补，是一个强强联合
2、的优秀团队。项目组成员长期在信息学院创新基地进 行项目开发与设计，其中赵艳杰等同学曾参加过学校挑战杯比赛，取得了优秀 的成绩。周旭阳周旭阳，项目主持人，曾多次担任学生干部，具有很强的组织、协调和沟 通能力以及感召力。专业成绩优秀，具有扎实的专业理论知识，在单片机开发、 数字信号处理方面有很深的理论功底，长期在信息学院创新基础学习实践，开 发了电子天平等系统，能从宏观上把握整个项目的运作。 朱玉军朱玉军，动手能力强，专业成绩优秀，电子线路设计能力强，能胜任本系 统硬件的设计。 杨中华杨中华，思维敏捷，具有较好的计算机软件编程能力，擅长程序调试与改 进，能胜任本项目软件系统的设计。 范春波范春波，
3、多次担任学生干部，有较强的沟通，协调能力。无论在专业知识 方面，还是团队协作方面，均能发挥积极的作用。 赵艳杰赵艳杰，专业综合成绩优秀。精通单片机设计和 C51 编程，同时，文字功 底很深，能够很好的撰写论文。指导教师承担科研课题情况本项目指导老师梅孝安同志，副教授，电子与通信工程硕士，湖南省青年教学能手。梅孝安同志长期在教学科研一线工作，具有较强的教学与科研能力。近几年梅孝安在国际国内权威刊物上公开发表论文 20 多篇，其中有 10 篇被 SCI、EI收录；主持湖南省科技厅科技计项目一项，主持完成湖南省教育厅科研项目一项（DWDM 系统中非线性效应的研究）；主持完成湖南省教育厅教研项目一项（
4、构建大学物理实验信息平台的探索与实践），重要参与湖南省自然科学基金项目 2 项，重要参与省级精品课程 1 门，主持湖南理工学院重点教改 1 项，一般教研项目 1 项，获湖南理工学院校级教学成果奖特等奖一项。梅孝安同志先后担任过单片机原理与应用、大学物理实验、光纤通信等课程的教学工作，2 次获得湖南理工学院课堂教学比武一等奖，多次荣获学校课堂教学优秀奖。梅孝安同志指导学生完成湖南省大学生研究性学习和创新性实验项目一项，指导学生湖南省大学生“挑战杯”课外创新比赛获二等奖一项。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题冲击电流计不是用来测量电流的，而是直接测量脉冲电量脉冲电量的，常用来测量与电量有
5、关的物理量，如磁感应强度、电容、高电阻等，它是基本精密仪器之一，在工程生产与精密测量领域有着极其广泛的应用。冲击电流计可以测量在暂短时间内流经它的脉冲电流所迁移的电量。本项目利用现代单片机技术与高速 A/D 芯片采用全新的思想设计与开发一套智能冲击电流计。下面以充满电的电容放电为例说明其设计思想。电容放电时其电量的变化情况如图 1 所示。本项目设计的冲击电流计能测量出暂短时间内流经它本项目设计的冲击电流计能测量出暂短时间内流经它的脉冲电流所迁移的电量。的脉冲电流所迁移的电量。设计思想是：如要测出 t1t2 时间内迁移的电量，则在 t1t2 时间内取样，利用高速 A/D 芯片通过单片机测出其电压
6、值，计算出其电流值，乘以间隔时间，即可得到间隔期间的电量值，最后把所测得的电量Q 累加起来，即得到所要的迁移电量，最后通过 4 位数码管显示所测电量值。毫无疑问，取样间隔时间越短，测量精度越高，但对 A/D 芯片的要求也越高。图图 1 1 电容放电情况电容放电情况冲击电流计一个典型的应用是用电容漏电法精确测量高电阻。高电阻一般指 100 万欧以上的电阻，由于惠更斯电桥灵敏度有限，因此高电阻一般不能也不宜用它作精确测量。但用漏电法能比较精确地测量高电阻，其测量原理如图2 所示。图图 2 2 漏电法测高阻电路图漏电法测高阻电路图测量方法是将被测电阻 R 与已知电容 C 并联，先将电容器充电，然后将
7、开关 K 断开，即不与 3 接触，也不与 1 接触，电容器上的电荷将通过高电阻 R 泄漏，精确控制漏电的时间并测出剩余电量就能通过计算得出高电阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏电的时间，即开关动手与秒表手工停启，实验误差非常大。本项目设计的智能冲击电流还设有智能开关控制器智能开关控制器模块，该模块利用单片机定时系统和继电器电磁开关能进行精确的定时控制，用户可以随意设定电容充电的时间、电容对电阻放电的时间，系统自动完成各种状态的切换，测量精度非常高。本项目研究的内容是利用利用 AT89S52AT89S52 单片机、高速单片机、高速 A/DA/D 芯片、继电器以及数芯片、继电器以及数码管等
8、外围器件设计与开发出一套具有精准控时智能开关码管等外围器件设计与开发出一套具有精准控时智能开关 控制器的数字智能冲控制器的数字智能冲击电流计。击电流计。利用此仪器附加其他设备，就可以精确的测量电量、高电阻、电容以及磁场强度，具有极其重要的实用价值。目前，课题组成员经过几个月的前期调研与分析，设计出了系统的主模块，通过计算机仿真，情况良好。主要存在的问题是缺少资金，还没有制成实物，无法验证测量的精度。国内外研究现状和发展动态目前冲击电流计的发展正由传统机械式向电子数字式转变。一、机械式冲击电流计一、机械式冲击电流计利用永久磁铁的磁场对载流线圈作用的原理制成的一种电流计。它的主要结构有固定的永久磁
9、铁和活动的线圈。其结构如图 3 所示，线圈由悬丝悬挂，悬丝除了提供微小的恢复力矩外，还用作通入线圈电流的引线，线圈的另一引线是下螺旋，在动圈的上端装有反射小镜，利用它对光线的反射来指示活动部分的偏转。在距小镜一定距离处安装一标尺，由小灯产生的狭窄光束投向小镜，经小镜反射到标尺上，形成明晰的光标，以指示活动部分的偏转角。这种电流计的灵敏度很高,但极易受外界振动的影响,使用时应将它固定安装在稳固位置或坚实墙壁上。由于操作复杂，对环境要求高，所以使用非常不方便。目前我国部分高校实验室和研究所还在使用此种冲击电流计, 见参考文献1。图图 3 3 机械式冲击电流计结构图机械式冲击电流计结构图二、数字冲击
10、电流计二、数字冲击电流计数字式冲击电流计不同于原来的磁电式冲击电流计，现在市面上的数字冲击电流计是使用大规模 CMOS 集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件组成的数字式测量仪表，它主要用于测量短时间内脉冲所迁移的电量，故可用来测量与此相关的物理量。数字冲击电流计用 LED 数码管显示测量结果，读数清晰，数据自动保持，直至被下一次的测量数据自动取代，因而消除了人为的读数误差。数字冲击电流计相比传统的冲击电流计有无论是在操作性还是结果的准确性上都有很大的提高。数字冲击电流计测高电阻与普通式相比具有以下优点：（1）不用安装在墙上，省去调节光路的麻烦，不怕震动。（2）电路简化，不用接电磁阻尼开关
11、盒换向开关。（3）测量数据超过量限，不会损坏仪器，恢复测量状态非常容易。（4）数字仪表的测量精度比模拟仪表高，测量结果的不确定度小。（5）普通冲击电流计是根据标尺刻度来读数，会因个人读数习惯不同而产生认为不确定度，数字式是数字显示，因此没有认为误差。但是目前市场上的数字冲击电流计有以下缺点缺点：（1）由于使用了大规模 CMOS 集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件，价格昂贵，一台设备的价格大概在 5000 多元；（2）没有包含智能开关控制模块，测量高电阻时，对电容的充电和放电均采用手工完成。由于手工控制完全跟不上电容充放电节奏，所以实验误差比较大。见参考文献2。而本系统研究的智能冲击电流
12、计具有智能开关控制器模块，能精确地设定电容充电和放电时间，因此极大地提高了实验的精度。参考文献：参考文献：1郭鸿章 王景阳.冲击电流计的研究.哈尔滨电工学院学报.Vol.15 No.3 Sep.19982 付时明.用数字冲击电流计测高电阻.物理与工程 Vol.15 No.1 2008. 本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩本项目的学生为电子类的大三本科生，已经完成了对单片机、模拟电子线路、数字电路理论知识的学习。项目组成员长期在信息学院创新基地从事电子系统的设计与开发，项目主持人周旭阳同学开发过电子电平测量系统，赵艳杰同学开发过无线温控智能电风扇等系统。其他同学也开发过相应的小系统，都具有丰
13、富的电子系统设计与开发经验。对于本项目课题组成员在梅孝安老师的指导下进行了详细的前期调研与开发工作。对主系统进行了详细的硬件和软件设计，通过 PROTEUS 仿真，情况良好。下面介绍一下项目组设计的系统主要模块。（1 1） 键盘控制模块键盘控制模块键盘控制模块的电路图如图 4 所示。该模块由 4 个按键电路组成，其作用分别是状态切换、加、减、开始。默认的状态是状态 A 为设置充电时间，当按一下状态切换键是转到状态 B 为设置放电时间，再按一下状态切换键转到状态C 为设定冲击电流计的检测时间，所有的时间都可以用加减键来设定，每按一下。按下开始键，系统开始自动运行，按设定的时间在三种状态自动切换。
14、图图 4 4 键盘电路图键盘电路图（2 2）充放电状态显示模块）充放电状态显示模块该模块的电路如图 5 所示，当充电红灯亮起时表示在给电容充电，当放电绿灯亮起时表示电容正处于放电状态，让用户清楚系统的工作状态。图图 5 5 充放电状态显示电路充放电状态显示电路（3 3）显示模块）显示模块显示电路如 6 所示，由 4 个 8 段 LED 数码管组成了动态显示电路，4 个数码管的 8 位字形码并联在一起，由单片机通过 P0.0P0.7 控制显示的，而 4 个位选线则是由单片机上的 P2.0P2.3 控制。图图 6 6 数码管显示模块数码管显示模块（4 4）A/DA/D 采样模块采样模块A/D 采样
15、电路如 7 所示，我们设计的系统采用 ADC808 为 A/D 采样芯片，ADC0808 是 8 为并行高速 A/D 芯片。ADC0808 的 26 脚为采样模拟信号输入，模拟信号采样后转换为数字信号后通过单片机的 P1 口传入。图图 7 7 A/DA/D 采样模块采样模块（5 5）系统总电路）系统总电路系统主题总电路如图 8 所示。我们采用 PROTEUS 仿真，系统仿真运行情况良好，达到了设计的要求。图图 8 8 系统总电路图系统总电路图综上所述，本课题组成员通过前期充分的调研与论证，可以认为，我们设计的系统方案是科学可行科学可行的。项目的创新点和特色本项目打算利用 AT89S52 单片机
16、、高速 A/D 芯片、继电器以及数码管等外 围器件设计与开发出一套具有精准控时智能开关控制器的数字智能冲击电流计。 本项目的创新与特色点如下： （1）本项目设计的智能冲击电流计是利用 AT89S52 单片机和 ADC0808 芯片 对电流脉冲进行采样测量，通过累加测出其电量，其方法新颖，技术先进技术先进； （2）本项目设计的智能冲击电流计功能齐全功能齐全，具有智能开关控制模块，能 精确的控制开关各种状态的时间，为高电阻的测量等领域提供了强有力的工具， 极大的方便了用户； （3）本项目设计的智能冲击电流计所采用的芯片与技术非常成熟，成本低成本低， 相比较现在市场上 5000 多的数字冲击电流计具有极大的成本优势。项目的技术路线、进度安排及预期成果技术路线：技术路线：本项目主要利用单片机来进行系统过程控制。其中涉及到的主要技术有单片机定时技术、单片机与模数转换器连接控制技术、4 位 8 段 LED 数码管动态显示技术、继电器控制技术以及一些数据处理技术。进度安排：进度安排：序号研究阶段（起止时间）阶
