基于单片机的电网数据采集系统的设计.doc

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基于单片机的电网数据采集系统的设计III

摘要

家庭和实验室中各种对电压要求比较高的电器和设备，在电压产生过高或者过低的波动时会产生误差或者损坏，此时必须对电压进行实时的在线监测。

本系统采用凌阳SPCE061A单片机作为核心控制器件来控制的电压采集系统。

利用霍尔电压传感器来对220伏，50赫兹的电压信号进行数据采集。

经电压调理电路的调理和滤波器的滤波得到适合单片机的直流电压信号，进行采样信号的分析和处理，并与设定的基准值相比较，对其结果用LED实时输出。

本设计涉及语言学、计算机科学、信号处理、模/数电转换等诸多领域，在煤矿、生产制造都可广泛运用，该技术有非常广阔的应用前景。

关键词：

单片机，波动，监测，数据采集，滤波

Abstract

Thisdesignisbasedonacquisitionsystemwithmicroprocessorcontrolledvoltage.Homeandlaboratoryonthevoltagerequirementsofvariouselectricalappliancesandequipmentrelativelyhigh,toohighortoolowinvoltagefluctuationsgeneratedwhenerrorsordamaged,itisessentialforreal-timemonitoringofvoltage.ThesystemusesSunplusSPCE061AMCUasthecorecontroldevice,usingHallvoltagesensoron220volts,50Hzvoltagesignaldataacquisition.TheconditioningcircuitfilterconditioningandfilteringbytakingintoaccountwavedevicesforsinglechipDCvoltagesignal,sampledsignalanalysisandprocessing,andwiththereferencevaluesetbycomparingitsresultswithreal-timeLEDoutput.Thedesigninvolveslinguistics,computerscience,signalprocessing,analog/digitalpowerconversionandmanyotherfields,incoalmines,productioncanbewidelyused,thetechnologyhasverybroadapplicationprospects.

Keyword:

SCM,volatility,monitoring,datacollection,filtering

目录

1绪论 1

1.1电压数据采集的现状 1

1.2电压数据采集的基本原理 1

1.3本系统设计的目的 2

1.4本系统完成的功能 3

2模块特性介绍 5

2.1SPCE061A模块的介绍 6

2.2SPCE061A单片机的介绍 8

3系统的硬件设计 15

3.1电压传感器的选择和设计 15

3.2调理电路的设计 17

3.3二阶滤波器的原理及设计 19

3.4采样的方式和原理 21

3.5整个电路的绘制 22

4系统软件的设计 25

4.1编程语言的选择 25

4.2编程环境的介绍 26

4.3系统的程序 28

5采集系统调试与运行结果分析 32

5.1数据采集系统硬件的调试 32

5.2系统测试时出现的问题及解决方法 33

5.3小结 33

参考文献 34

致谢 35

基于单片机的电网数据采集系统的设计36

1绪论

随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实时性要求也愈来愈迫切。

显然，不论在哪个应用领域中，数据处理越及时则经济效益就越大。

例如在实时监控系统中，必然要求对测量数据实时处理。

又如在新型飞机试飞中如能实现对某些关键数据的实时处理和监测，就能在这些数据发生异常变化时及时发现并采取措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。

可见，实时处理数据意义是很大的。

由于电子计算机技术和大规模集成电路技术的蓬勃发展，为提高数据处理的实时性提供了广阔的前景[1]。

1.1电压数据采集的现状

随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中己成为必不可少的部分。

数据采集经过几十年的发展，已经成为一门很成熟的技术。

但国内对电压在线监测装置的研究和开发起步较晚，大约20世纪90年代才逐渐开始，但其发展速度很快。

数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。

它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需的数据。

同时，还可以用计算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视。

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被采集量，其中电压量的采集最为经常。

电压的采集方法可以将一些处理模拟量的问题转化为处理数字量的问题。

现代数字逻辑电路集成度越来越高，不仅有利于电网电压采集的小型化，更可贵的是能够提高可靠性。

电网数据的采集从最早的指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表等，这些仪器仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性，但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而目前还在被广泛使用。

随着单片机的出现和广泛应用，国外生产和制造仪器的各大公司纷纷把它用于测量仪器中，产生了仪器发展中的一次革命，研制出了各种智能仪器，由模拟电子线路实现仪器的信号测量，并由微处理器来增加仪器的功能，简化仪器结构。

这类仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。

这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用[2]。

1.2电压数据采集的基本原理

数据采集一般主要完成两部分的工作:

一是信号的采样，主要由采样/保持电路完成；二是采样值的量化，主要由A/D变换器完成。

现在A/D的集成化很高，很多都内置了采样/保持放大器和电压参考源等单元电路，为应用的简化提供了方便。

模拟信号经过前置放大器放大后进入采集系统，先经过信号调理电路进行信号的放大、滤波、使信号的带宽限制在需要的范围内，并使信号的幅度与A/D的量程相匹配。

经过以上处理后，信号被送入采样保持器进行采样，然后被模数转换器进行量化，量化后的数据被送入存储器进行存储或者以供处理。

由电压传感器输出的信号是一个连续的模拟信号，要通过数据采集系统变换为单片机能够处理的信号。

数据采集部分是整个测量部分的核心。

它的整体设计和实现都要紧紧围绕着被测信号来考虑。

根据采样定理，如果采样频率不够高，输入信号将会产生混叠现象，采样得到的数据将不能完全恢复出原始信号。

为了能够恢复出原始信号，采样频率必须大于信号频率的至少两倍，一般工程上要求采样频率要比信号频率高4～5倍。

也就是说，在被测信号经过前向通道降低为合适的电平被数据采集装置采集之后，转化的结果能否最大限度的逼近真实信号，取决于数据采集装置的采样速度。

采集速度主要由数据采集装置的单片机的A/D转化系统决定。

电压模拟信号进入数据采集部分后，先通过采样/保持器，再进行A/D转换。

A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度，采样/保持器的引入，大大提高了数据采集系统的采样频率。

A/D转换所得的数据写入A/D转换器的输出寄存器，然后比较电路或软件计算程序，从输出寄存器中提取数据，与基准值进行比较，做出预期的判断[3]。

1.3本系统设计的目的

在家庭电压波动对要求高的电器是一种考验，往往使其不能正常工作，导致电器的寿命下降甚至烧掉，造成不必要的损失。

在社会生产领域，高科技孕育大量电子企业，其生产往往伴随着大量精密电子控制系统的广泛使用，同样参与生产的过程控制装置PLC、工业机器人等都是对电压波动十分敏感的负荷，表1-1详细列举了电压波动给各种敏感设备带来的不良影响。

表1-1电压波动对一些设备的影响（以电压额定值的100%为标准）

设备名

电压波动造成的影响

某公司芯片测试仪

当电压低于85%，芯片被毁，测试仪停止工作，内部电子电路主板故障。

可编程控制器（PLC）

当电压低于80%时，PLC停止工作，一些I/O设备，当电压低于90%，持续几个周波就会被切除。

精密机械工具

由机器人控制的精密加工机械，为保证产品的质量和安全，工作电压门槛值一般设为90%，当电压低于此值，持续2～3个周波时跳闸。

调速驱动器（ASD）

当电压低于70%，持续时间超过6个周波时，ASD被切除；而对于一些精细加工工业中的电机，当电压低于90%，持续时间超过3个周波时，电机会被跳闸而退出运行。

交流接触器

有报告表明当电压低于50%，持续时间超过1个周波，接触器就会脱扣；也有报告表明当电压低于70%甚至更高，接触器就会脱扣。

计算机

当电压低于60%，持续12个周波时，计算工作将受到影响。

直流电机

当电压低于80%时，直流电机被跳闸。

在现代工业中，广泛应用着这些设备，任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。

尤其是当今个人计算机的应用十分普遍，当电压下降到额定值的60%及以下时，可能造成计算机程序紊乱，数据丢失。

这也就是一些重要的计算机设备都要装配不停电电源（UPS）的原因。

同样，对基于单片机原理的数控设备、复印机、银行自动提款机等都会遇到类似的问题。

由于家庭电压时常出现波动，就需要监测电压是否在正常范围内，起到一个报警的作用。

所以本课题要设计一个采集家庭电网电压为220V，采样频率为50Hz的电压信号。

此系统运用电压传感器采集一路电压信号，经调理电路的调理和滤波器的滤波将电压转化成单片机能够接受的直流电压信号，通过数据处理后与设定值的比较，报告电压的正常与否，图1-1是系统设计的基本流程。

图1-1电压采集系统的基本流程

1.4本系统完成的功能

系统整体硬件设计如图2-2所示，整个系统以SPCE061A为核心，前向通道包括传感器及其信号采集电路，按键输入电路；后向通道包括：

LED显示电路。

SPCE061A内部有8路10位精度的A/D转换器，可以直接将信号输入其A/D转换通道。

由于启动按钮电路和LED灯显示电路都是61板自带功能，所以本设计的任务主要是电压传感器的设计、调理电路得设计和二阶滤波器的设计，同时还有软件方面完成对于数据采集和A/D转换的功能。

图1-2系统功能图

2模块特性介绍

电压数据采集的硬件主要以电压传感器的设计，调理电路的设计和二阶滤波电路的设计，其核心控制原件为SPCE061A单片机为主控制的61板,其电路原理图和电路实物图如下所示[4]。

图2-161