基于单片机智能交流电压表的设计.pdf

1、嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。1 基于单片机智能交流电压表的设计基于单片机智能交流电压表的设计 摘摘 要要 电工参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机

2、进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。关键词关键词:单片机，智能仪表，数据处理，通信 如需此论文 Word 版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问:嵌入式应用软件园。嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。2 Intelligence alternating voltage meter on Single-chip Microcomputer Abstract Electrical parameter includes voltage,current,p

3、ower,frequency power factor,and soon.The adjustment system of electrical network needs many panel instruments that can show the electrical parameter,such as voltage,current,power,cycle etc.Usually these instrument is not accurate,wastes manpower resource,and the management of the data is inconvenien

4、t and easy to mistake.Recently the development of micro-electronics technology and the advent of SLSI,especially the advent.Of single chip,lead to a new revolution in the field of instrument.In this paper，on the basis of studying the up to date fruit of instrument,a new intellective instrument which

5、 adopts single chip as control core and which can communicate with the PC is designed.This appliance which bases on the single chip compounds the technology of computer and measure.It is improved very much on processing result and the diversification of function.Key words:single chip,intellective in

6、strument,data process,communication.嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。3 目目 录录 引引 言言.6 第一章第一章 方案选择方案选择.7 1.1 设计结构图.7 1.2 芯片的选择.7 第二章第二章 硬件电路设计硬件电路设计.9 2.1 总硬件电路设计.9 2.2 AT89S51 单片机简介.9 2.2.1 芯片特点.9 2.2.2 芯片管脚介绍.10 2.3 电压信号采样.12 2.3.1 设计原理简介.12 2.3.2 精密电压互感器 SPT205B.12 2.4 A/D 转换电路.14 2.4.1 A/D 转换芯片介绍.14 2.4.2 TL

7、C1549 与单片机的连接.15 2.5 显示单元.16 2.5.1 MAX7219 芯片的介绍.16 2.5.2 引脚说明.16 2.5.3 工作原理.17 2.5.4 显示单元与单片机连接电路.18 2.6 通信接口硬件设计.18 2.6.1 数据通信基础.19 2.6.2 RS-232 标准接口总线.19 2.6.3 芯片 MAX485 介绍.20 第三章第三章 软件部分软件部分.23 3.1 软件整体结构.23 3.2 电压采集模块.24 3.2.1 数字滤波.24 3.2.2 A/D 转换.25 3.3 显示模块.26 3.4 通讯模块.27 结论和展望结论和展望.29 参考文献参考

8、文献.30 致致 谢谢.31 附录附录 A 电压表电路图电压表电路图.32 附录附录 B 源程序源程序.33 附录附录 C 外文文献及其译文外文文献及其译文.34 附录附录 D 参考文献摘要参考文献摘要.36 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。4 插图清单插图清单 图 1-1 整体结构图.7 图 2-1 单片机引脚图.10 图 2-2 采样部分的原理图.12 图 2-3 尺寸结构图.13 图 2-4 交流互感器部分电路图.14 图 2-5 TLC1549 引脚排列.15 图 2-6 TLC1549 方式 1 的时序图.15 图 2-7 TLC1549 与单片机 AT89S51 的连接

9、图.16 图 2-8 MAX7219 芯片实物封装图.17 图 2-9 MAX7219 芯片工作时序图.18 图 2-10 MAX7219 与 51 单片机的接线电路.18 图 2-11 MAX485 芯片引脚介绍.21 图 2-12 PC 与单片机串行通讯.22 图 3-1 总体软件流程.23 图 3-2 数字滤波的流程图.25 图 3-3 A/D 转换流程图.26 图 3-4 显示模块流程图.27 图 3-5A 单片机与微机信的软件框图.28 图 3-5B 初始化框图.28 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。5 表格清单表格清单 表 2-1 精密电压互感器 SPT205B 性能指

10、标表.12 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。6 引引 言言 电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机作为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为

11、主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。7 第一章第一章 方案选择方案选择 1.1 设计结构图 本设计是基于单片机智能交流电压表的设计，设计中使用了精密交流互感器，桥式整流器，式滤波单元，串行 A/D 转换器，MCS-51 系列单片机，显示驱动器，LED 数码管，上位通信单元几部分组成。整体结构图如下 1-1 图 1-1 整体结构图 被测交流电压由精密交流互感器降压得到与输入被测电压成比例的交流电压值：经整流滤波得到与输入电压成比例的直流电压值。由 AD 转换芯

12、片 TLC1549 转换成相应的数值量；再由单片机存储在内存单元，做相应的数字信号处理(算法)；然后通过显示驱动器 MAX 7219 驱动四个 LED 数码管显示结果，并通过 MAX485 收发器芯片与上位机相连。智能电压表有简单的监控功能，能实时显示并记录当前电压情况。通过智能交流电压表，达到了监控交流电压有效值变化的目的。1.2 芯片的选择 电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电_工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，

13、容易出错。整流滤波放大单 元 A/D转换器 单片机 通讯单 元 显 示 单 元 交 流 互 感 器 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。8 本设计采用 ATMEL 生产的 MCS-51 系列的 AT80S51 单片机芯片作为主芯片。没有采用其他公司芯片的理由是我们单片机课程详细修过 MCS-51 系列单片机，且 MCS-51单片机所占的市场分额很大，在单片机领域影响力很大，几十年居于单片机领域领头羊地位，其产品大量作为单片机教材范例使用。本想用最常见并主修过的 AT89C51，但现在，89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，89S51 在工艺上进行了改进，89S51采用 0.

14、35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力，并增加了很多新功能，内置看门狗记时器，所以我选择它。整流电路方面本来使用双二极管进行整流，但考虑到更高的精确性，使用了简单实用的桥式整流电路，并采用成本低廉，电路简单的型滤波电路进行滤波。使用精密电压互感器 SPT205B 进行电压信号的降压处理，是为了更高的信号采样精密 度，SPT205B 实际上是一款毫安级精密电流互感器，精密度很高。本想使用电阻级联进行分压，但其精确度和抗干扰性就大大差远了，极大的影响了测量的精确性，所以采用了电压互感器降压。A/D 转换部分采用的 TLC1549 芯片是 TI 工公司生产的 10 位逐次逼近模数转换器

15、，该器件具有两个数字输入端和一个 3 态输出端。没有采用同系列的 8 位 A/D 转换芯片TLC549，是因为本芯片精度更高，可以达到令人满意的效果。显示方面采用了美国 MAXIM 公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器系列芯片 MAX7219，以其功能强大，编程简单，控显可靠，可泛用于工业控制器等力一面的数码显示驱动，比较成熟的应用即为与单片机的结合。选用 LED 数码管显示电压值，精度高，可视距离远。并利用上位 PC 机对电压值进行监控，完成了机械式面板表和一般数字式电压表不能完成的工作。LED 数码管简单经济，使我放弃了本想使用的液晶显示单元，虽然先进有挑战性，但却极大的增加了成本，对

16、产品的功能设计而言毫无意义，所以最后选择了 LED 数码管作为显示单元。在于上位机相连模块，采用了 MAX485 收发器芯片，可实现多片并联并通过 MAX232 与上位机通讯，节省了通讯资源和上位机的利用率，故我选择它。嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。9 第二章第二章 硬件电路设计硬件电路设计 2.1 总硬件电路设计 在智能电压表的设计中主要包括硬件、软件、及仪表工艺三方面的问题。硬件方面采用了桥式整流及 N 式滤波环节，A/D 转换芯片 TLC1549 与单片机配合完成 A/D 转换的工作。选用 MCS-51 系列 AT80S51 芯片进行数据处理。四块八段 LED 进行显示。MAX485 作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。2.2 AT89S51 单片机简介 2.2.1 芯片特点 说到 AT89S51 单片机就不得不说他的原形 AT89C51 单片机。AT89C51 是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单