电量数据采集系统设计.docx
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电量数据采集系统设计
《控制系统》课程设计
课题：
电量数据采集仪
系别：
电气与电子工程系
专业：
自动化
姓名：
学号：
指导教师：
2011年1月7日
成绩评定·
一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
二、评分（按下表要求评定）
评分项目
设计报告评分
答辩评分
平时表现评分
合计
（100分）
任务完成
情况
（20分）
课程设计
报告质量
（40分）
表达情况
（10分）
回答问题
情况
（10分）
工作态度与纪律
（10分）
独立工作
能力
（10分）
得分
课程设计成绩评定
班级姓名学号
成绩：
分（折合等级）
指导教师签字年月日
一、设计目的
设计一种电量数据采集仪用于实现电压、电流交替显示，如果单独查看电压或电流，可以通过安检控制查看电压或电流。
二、设计要求
1、绘制多电量采集系统结构框图。
2、实现电压、电流的交替显示。
3、若单独查看电压或电流，可以通过安检控制查看电压或电流。
三、系统设计
一、总体设计
系统结构框图
本设计是AT89C51单片机控制的电量检测系统。
其工作原理是：
先由电量传感器采集数据，启动A／D转换，后将数据读入单片机中进行运算并显示，即由数据采集，数据分析和数据处理三部分完成。
本设计中，控制系统的控制器有单片机AT89C51为核心，系统采用WB1414AS1（交流电流传感器）和WBV1414AS3﹝交流电压传感器﹞对电流和电压进行数据采集，并输出标准电流4mA～20mA，WB1414AS1、WBV1414AS3具有新型电磁隔离，高精度变送等优点。
AT89C51单片机控制AD0809进行模数转换，数据经过单片机的运算，输出结果，并把结果在4位8段数码管上显示。
二、硬件电路设计
1、WB系列交流电量传感器
传感器型号及技术指标
采用WBV413AS3﹝交流电压传感器﹞和WB1414AS1﹝交流电流传感器﹞对电流和电压进行数据采集。
WBV141AS3技术指标：
输入规格：
10V～1000VAC
输出规格：
4mA～20mA
响应时间:
250MS
负载能力：
6V
静态功耗：
50MW
供电电源：
+12或+24
其他指标：
（1）线性范围：
0～120%标称输入
（2）输入频响：
25～5K
（3）环境条件：
0℃～+50℃
WB1414AS1技术指标：
输入规格：
5A～50A
输出规格：
4mA～20mA
精度等级：
0.5级
响应时间：
300ms
负载能力：
6V
静态功耗：
800mW
供电电源：
+12或+24
其他指标：
（1）线性范围：
0～120%标称输入
（2）输入频响：
25Hz～5kHz，特别适合工频至中频
（3）环境条件：
0℃～+50℃。
2、控制电路的设计
（1）单片机的选择
本设计选用AT89C51单片机.
AT89C51的极限参数：
工作温度:
-55℃to+125℃；储藏温度：
-60℃to+150℃；任一引脚对地电压：
-1.0℃to+7.0℃；最高工作电压：
6.6V；直流输出电压：
15.0mA。
（2）模数转换部分的设计
A／D转换器的种类繁多，工作原理各异，但逐次比较型A／D转换器是应用较多的类型之一，其原因是该类型的A／D转换器转换速度快、精度高。
因此本次设计选用一款逐次比较型A／D转换器ADC0809.
被采样的电压、电流信号分两路进入ADC0809进行模数转换，写信号WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存和转换器，即当START上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A／D转换，在转换期间，START应保持低电平。
EOC通过非门连接到AT89C51的INTO脚，可通过查询方式来检测转换是否完成。
当EOC为高电平时，表明转换结束，否则表明正在进行A／D转换，即ECO=1时，读信号RD和P2.7控制的ADC0809的OE信号即控制三条锁存器向单片机输出转换得到的数据。
ADC0809引脚图
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
通道选择表
（3）键盘输入部分
在此系统中，查看电压、电流只需要两个按键，比较简单，所以就采用独立式按键接口电路。
3、LED显示部分设计
LED的动态显示方式
在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个8位I/O控制，形成段选线的多路复用。
而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。
其中段选线占用一个8位I/O口，而位选段占用一个4位I/O口。
由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。
若要将各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时段选线上输出相应位要显示字节的段码。
在确定LED不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定的延迟，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。
但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是以牺牲CPU时间换取元就爱你的减少。
LED静态显示方式
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极﹝或共阳极﹞连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选码（a～dp）分别与一个8位的锁存器输出相连，所以称为静态显示。
各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，知道显示另一个字符为止。
也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。
这种显示方式接口编程容易，付出的代价是占用口线较多，若用I／O接口，则要占用4个8位口，若用锁存器接口，则要4片74HC595芯片。
如果显示器位数较多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。
由于本系统只涉及到4位显示输出，就采用了4片8位移位寄存器串级使用的LED静态显示方式。
三、软件系统设计
1主程序流程图
主程序流程图
2按键程序流设计
在本系统中，有查看电压或电流的功能，由两个按键KEY1和KEY2控制。
首先要判断是否有减按下，如果的确有键按下，例如KEY1，选通模拟通道，单片机通过P2.7口发出启动转换信号ADC0809，转换结束，将数据从ADC0809中读取送入AT89C51单片机中进行标度转换和拆数等运算，并显示于LED数码管。
标度转换的目的是要把实际采样的二进制转换成BCD形式的电量值，然后存放到显示缓冲区。
一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片会有轻微的弹跳，需要经过一个短暂的时间才会可靠的接触。
若在簧片抖动时惊醒扫描就可能得到不正确的结果。
因此，在程序中需要考虑到防抖动的问题。
最简单的办法是在检测到有键按下时，延时一段时间再次检测看是否有键按下，这个可以通过调用子程序来解决。
按键程序流程图
3定时器0中断服务程序设计
AT89C51内部有两个16位的可编程定时器／计数器，T0和T1。
定时器实际上是工作在计数方式下，只不过对固定频率的脉冲计数，由于脉冲周期也固定，由计数值可以计算出计数时间，有定时的功能。
AT89C51的T／C是加1计数的。
当工作在定时器方式时，对振荡源12分频的脉冲计数，即每个机器周期计数值加1，计数速率1／12fosc，当fosc=12MHz时，计数速率=1000KHz,即计数器每加1用时1us。
KEY1和KEY2子程序流程图
4A/D转换程序设计
被采样的电压、电流信号分两路进入ADC0809进行模数转换，写信号WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存器和转换器，即当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A／D转换，在转换期间，START应保持低电平。
转换完成后，读信号RD和P2.7共同控制的ADC0809的OE信号即控制三条输出锁存器单片机输出转换得到的数据。
流程图如图4-5所示。
定时器0中断流程图
A/D转换流程图
四、设计总结
我做的基于单片机的电量检测系统课程设计完成了，基本上达到了预期的目的。
当初拿到这个题目的时候都不知道怎么入手，但在老师的指导下，自己找资料、看书，总算完成了。
通过此次的课程设计，使我对单片机有了更深一层的了解，从理论和实践我都得到了很大的提高，所以这次任务的完成使我学到了很多知识。
首先，丰富了自己的知识面，学通了以前没学通的东西，具体了解了怎么去完成一个电路的设计。
在此次的设计中，学到了单片机AT89C51的内部结构及工作原理，了解了时钟电路和控制电路的工作原理，还有共阳极数码管的工作原理，同时也提高了我的C语言使用能力，并且挺高了自己分析问题和解决问题的能力，有了理论联系实际的机会，为以后从事这个方面的工作打好了基础，这也是这次毕业设计的最大收获。
这次的课程设计总的来说还是比较成功的，能够实现电压、电流交替显示，如果单独查看电压或电流，可以通过安检控制查看电压或电流，但是还是有许多不足之处，不过的确从中学到了很多，也发现了自己的很多问题，为自己以后的学习、进步打下了不错的基础。
五、参考文献
［1］张毅民，彭喜元.《MCS—51单片机应用技术》［M］.哈尔滨工业大学出版社，2003.7
［2］何立民.《MCS—51单片机应用系统设计》［M］.北京航空航天大学出版社，1998.7
［3］李华.《MCS—51系列单片机实用接口技术》［M］北京航空航天大学出版社，1993.3
［4］廖忠.单片机对交流电量直接采样测试的实现［J］南昌水专学报，1995.2
［5］詹新生，张江伟.基于AT89C51的数控直流电压源的设计［J］现代电子技术，2008.1
［6］杨妍，孙震，苏为均.基于AT89C51的双路智能测控仪的设计与实现［J］.北京工商大学学报，2007.7
［7］林添成，赫魏东，徐健等.基于AT89C51的电量测量仪设计［J］.中国科技信息，2007.12
［8］赵负图.《传感器集成电路手册》［M］.化学工业出版社.2002.4
［9］袁卫华.多电量参数检测用点偏激系统设计［J］.自动化技术与应用.2006.5
［10］潘文诚.交直流数据采集系统的研制［J］.电子技术应用，2000.4
附录1设计原理图
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