西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告.docx

1、西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告1.前言现今时期，电子器件普遍应用于各行各业，功率作为表征电信号能量的大体参数，对其的测量超级重要，此刻市面上也有很多测量功率的仪器。作为电气专业的咱们，更是要把握功率的测量方式，因此，咱们选择了直流功率计的设计。随着单片机在各个领域的普遍应用，许多用单片机作操纵测量系统也应运产生，本课程制作确实是利用宏晶公司的STC系列单片机STC12C5A32S2编程操纵LED七段数码管完成功率大小的计算和动态显示，设计中咱们通过电阻分压采样负载两头电压，通过在被测点串联一个很小的电阻测其两头电压，间接进行电流采样，将所搜集的电压通过适当放大后送入单片机，然后

2、由程序操纵单片机计算出被测电路的直流输入功率并显示在数码管上，且能用键盘切换显示负载电压和被测点电流。另外在单片机工作进程中，工作电压有转变，因此额外加入一个基准电压，以确保所采样的电压准确。那个功率计能测量被测负载电压不超过25V，被测电流不超过2A的直流电路的输入功率（精准到小数点后6位），能在两个四位七段LED数码管上直观的动态显示出功率大小，并能通过键盘切换显示被测负载的电压和电流大小。通过这次直流功率计的设计，使我加倍熟悉有关单片机开发设计原理及方式，并能使自己加深了对单片机的明白得和运用和把握了单片机与外围接口的方式和技术，这些要紧体此刻以下方面：1.学会了单片机总线操纵方式的运用

3、，知道了利用单片机内部A/D转化简化外部电路，节约本钱，同时在此基础上扩展了一些有效性强的外围电路。2.能够了解到LED显示器的结构、工作原理和这种显示器的接话柄例。3.如何扩展显示接口、如何驱动外围元件等。4.了解了通过电压间接测电流和电流电压同步采样的方式。2整体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我们要紧提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将第一对这三种方案的组成框图和实现原理别离进行说明，并分析比较它们的特点，然后论述我最终选择方案的缘故。方案比较2.1.1方案一本方案的整体思路是：依照功率计算公式，要计算功率咱们需要明白负载的电压和电流，因此第一对电路中被测负

4、载进行电压采样和电流采样，将采样的电压送入单片机，由单片机内部集成的A/D转换电路对采样进行模数转换，然后通过编写程序让单片机计算出功率并将功率大小显示在LED数码管上，且能通过按键切换显示负载电压和被测电流，由于在单片机实际工作进程中，电压有可能发生转变，为确保搜集的电压的准确性，因此额外提供了一个基准电压。方案一整体结构框图如图2-1-1所示： 图2-1-1 方案一系统结构框图2.1.2方案二方案二整体思路是：在被测电路中进行电压采样和电流采样后，先由外部器件进行A/D转换，再送入单片机计算和显示，那个地址的单片机只需要一样的不自带A/D转换的单片机就好了。系统框图如图2-1-2所示： 图

5、2-1-2 方案二系统结构框图2.1.3方案三方案三的整体思路确实是用一个功率传感器，直接搜集被测电路的功率送入单片机，由单片机操纵LED数码管显示出功率大小。系统框图如图2-1-3所示： 图2-1-3 方案三框图方案论证方案一电压和电流采样后采纳单片机自带的A/D转换器进行A/D转换，节约了本钱，简化了外围电路，而且方案一外加了基准电压，使电路进行A/D转换时有基准，克服了单片机实际工作时电压不稳固的情形，使测量结果加倍准确，方案二采纳外接A/D转换器进行数模转换，提高了本钱，也使外围电路复杂化了，方案三尽管简单，可是传感器价钱昂贵，而且方案三没有起到通过这次课程设计让咱们对所学知识进行实际

6、应用的能力。方案选择本设计是利用单片机测量被测负载的直流输入功率，并要求显示，通过以上对三个方案的论证，方案一既能相对准确的测量功率，还能将咱们所学知识进行实际运用，是咱们对所学知识进一步把握，而且本钱低，电路简练明了，符合设计要求；方案二相对方案一本钱较高，电路叫复杂；方案三本钱高。综合考虑咱们选择了方案一。3单元模块设计各单元模块功能介绍及电路设计本系统要紧分为电压采样，电流采样，按键复位及档位选择，数码显示，电源电路的设计等模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。 各单元模块3.2.1 电压电流采样模块设计电压和电流需要同步采样，采样的方式有很多，本次设计中咱们采纳电阻分压采样电压

7、，关于电流采样，咱们通过电压进行间接采样，具体方式是在电路中串联一个很小的电阻，通过测那个很小的电阻两头的电压，依照取得电路电流，那个小电阻咱们利用3个和一个的电阻并联取得，采样所得的电压可能很小要通过适当放大再送入单片机。电路中运放OP07采纳外接双电源供电。电压电流采样电路如图3-2-1所示。电压电流采样电路如图3-2-1所示图3-2-1 电压电流采样电路3.2.2 按键和复位模块设计单片机采纳总线操纵方式，由单片机、和作片选操纵信号，通过74HC138译码器来选通。74HC138是一个3-8译码器。74HC138的A、B、C与单片机的、和相连通，咱们能够通进程序操纵、的输出进而操纵3-8

8、译码器的输出，从而达到选位的目的。其选通情形如表3-2-2，位选电路如图3-2-2(a)。表3-2-2 C B A选位情况0 0 10 0 1Y1输出低电平即第1位被选中0 1 10 1 1Y3输出低电平即第3位被选中1 0 01 0 0Y4输出低电平即第4位被选中图3-2-2(a) 位选电路 当和CS3任一名为低电平时输入缓冲器74HC541工作，现在按键有效，键盘分为8个独立按键，一端与74HC541的D1-D8引脚及10K上拉电阻相连，另一端接地，当任一按键按下时，D1-D8低电平有效对应的Q1-Q8输出就能够够对单片机P0口输入信号进行相应操纵，比如KEY4能够切换数码管显示功率、电压

9、和电流。模拟量输入确实是把采样的电压输入单片机A/D转换引脚。电路图如图3-2-2(b)所示：图3-2-2(b) 按键和复位电路3.2.3数码显示电路模块设计本设计制作当选用两个四位共阳极数码管作为显示模块，由和一起操纵74HC573作为段锁存器，当他们低电平常，74HC573工作，由和一起操纵75HC573作为的位锁存器，位锁存器连接驱动芯片ULN2803，驱动数码管工作。显示的连接电路图如图3-2-3所示： 图3-2-3 数码管显示电路3.2.4电源电路设计在电路中由于咱们所用OP07运算放大器需要9V双电源供电，由于咱们测量需要稳固的供电而USB供电不稳固，因此咱们自制+5V电源供电，电

10、源电路图如图3-2-4：图3-2-4 电源电路3.2.5基准电压电路设计咱们用单片机自带的AD进行A/D转换，而单片机实际工作时电压会发生转变，因此在单片机AD检测时外加TL431作为基准源，当输出电压转变时，口电压维持恒定。电路图如图3-2-5：图3-2-5 基准电压电路参数的计算及元件选择因为咱们要测量的范围是，负载电压不超过25V，电流不超过2A，而单片性能够同意的电压小于5V，因此咱们电压采样时，用和电阻分压的方式，如此就算电压取得25V时，咱们所采的电压也只有，单片机也能正常工作，电压采样后通过一个电压跟从器，降低输出阻抗，电流采样时，通过电压间接采样，因为咱们所串联的电阻很小，由3

11、个和一个的电阻并联，所采得的电压也很小，通过放大单片机识别更准确，因此放大26倍后再送入单片机。 特殊器件的介绍3.4.1 TL431芯片简介TL431是一个有良好的热稳固性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就能够够任意地设置到从Vref（）到36V范围内的任何值。TL431特点： 可编程输出电压为36V 电压参考误差： ，典型值25（TL431B） 低动态输出阻抗，典型 负载电流能力 to 100mA 等效全范围温度系数50 ppm/典型 温度补偿操作全额定工作温度范围 低输出噪声电压TL431引脚图:图3-4-1 TO92 封装引脚3.4.2 STC12C52A06S2单片

12、机简介STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机械周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度要快812倍，内部集成8路高速10位A/D转换（250K/S）。STC12C5A60S2单片机管脚图如图3-4-2。图3-4-2 STC12C5A60S2单片机引脚图4 软件设计 说明软件设计原理及所用工具本系统的程序设计使用Keil uVision3软件进行编写，编译，链接，软件调试等。目标单片机型号为STC12C5A32S2，该单片机具有完全兼容51单片机，功耗小，内部资源丰硕，价钱廉价等优势；本设计应用单

13、片机内部自带A/D完成电压、电流样本的搜集。该系统程序的要紧功能是对电压、电流信号和基准电源进行同时搜集，然后依照采样比例计算出实际电压、电流和功率，再转换成相应显示码，由8位数码管显示出结果。功率或电压和电流的显示通过按键进行切换。A/D采样为单片机内部寄放器操作，采取多次采样求平均值的方式进行软件滤波可减小误差，同时也达到了显示结果稳固的目的。在A/D转换进程中停止单片机所有I/O口操作可提高转换的准确度。LED显示利用的是单片机内部按时器产生按时中断进行扫描显示，通过设置合理的按时初值能够稳固不中断地显示，超出量程时可闪烁显示进行报警。由于A/D转换时刻极短，因此在A/D转换时停止的I/

14、O操作对显示没有阻碍。键盘扫描程序利用了延时去抖的算法可幸免了误触发，并在程序主循环中进行挪用，能保证按键信息实时捕捉的不丢失的要求。STC系列单片机具有在系统可编程（ISP）的特性，程序下载利用厂商提供的ISP 下载工具通过单片机串口完成程序烧写，利用方便，无需其他编程工具。 软件设计结构及其功能 图4-2 软件结构及功能框图软件设计流程框图程序流程见图4-3(a)(b)(a)主程序程序流程 (b) 按时器溢出中断程序流程图4-35系统调试对系统的OP07运放模块，电压电流采样模块，数码显示模块进行了调试。调试环境本设计采纳的是Proteus的ISIS进行设计、仿真和调试。Proteus的I

15、SIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各类电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，利用方便。该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极为壮大，仿真很方便。同时，还能输出位图，方便将所设计的电路图打印出来，利用超级方便。硬件调试将电路准确的焊接好，然后通电，查看电源及数码管是不是正常工作，同时查看各个芯片是不是有异样，比如发烧，有烧臭味等。确认电路无错误后，用万用表测试运放OP07的2脚和3脚对地的电压是不是为供给的V，对电路进行调试，直到所取得的电压是外接电源供给的V。然后将该电路与单片机相连，接入直流稳压电源，改变直流稳压电源的输出电压，用探针测试被

16、测点的电流电压是不是符合要求。同时注意观看数码管的显示是不是正确，假设超量程了是不是闪烁报警，以此来判定单片机的工作状态和A/D通道是不是工作正常。通过对程序的不段调试，达到咱们测试功率和电压电流的最终目的。在调试进程中，咱们发觉所选的负载电阻能经受的功率过小，于是换了一个 的滑动变阻器。调试中咱们用到的工具还有直流稳压源，万用表和程序的调试软件Keil 和下载软件STC-ISP，另外还有假设干导线。利用ISIS画出仿真电路，将程序下载到单片机上，运行仿真，观看数码管可否正确显示现在测试点的电压电流。6系统功能、指标参数直流功率计的设计主若是能够准确测试出被测点的功率和对应的电压电流。系统能实

17、现的功能本系统能实现的功能是测量电路的直流输入功率，并能通过键盘切换显示负载电压和被测电流。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能。系统指标参数测试通过调试，取得以下一组数据，如表6-2。表格上部份是直流稳压电源输出的数据，下部份那么是通过功率计读出来的数据。从表格中能够看出来，在不超过量程即电压在25V以下，电流在2A以下时，功率计能够比较准确的测出被测电路的功率及对应的电流电压。直流稳压电源电压（V）252015105电流（A）功率（W）19直流功率计电压（V）电流（A）功率（W）表6-2系统功能及指标参数分析系统整体上由四部份组成，既采样电路、按键与复

18、位电路、数码管显示电路、电源电路。第一由采样电路对被测电路进行电压和电流采样，因为单片性能够同意的电压小于5V，因此咱们电压采样时，用和电阻分压的方式，如此就算电压取得25V时，咱们所采的电压也只有，单片机也能正常工作，电压采样后通过一个电压跟从器，降低输出阻抗，电流采样时，通过电压间接采样，因为咱们所串联的电阻很小，由3个和一个的电阻并联，所采得的电压也很小，通过放大单片机识别更准确，因此放大26倍后再送入单片机，有单片机进行A/D转换和计算功率，并将功率大小显示在数码管上，还能通过键盘切换显示被测负载电压和电流大小。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能

19、。电源电路主若是提供系统所需要的大体工作电压，让系统能够正常工作。7 结论本次系统以单片机为操纵核心，实现了电路直流功率的测量。LED能持续稳固的显示被测功率，并能通过按键切换显示电压电流大小，在超过量程时数码管闪烁报警。系统硬件设计时，由于USB供电不稳固，因此设计了一个5V的恒压电源，而且咱们还自己设计了所需的9V电源供运算放大器工作，另外由于单片机实际工作时电压会发生转变，因此在单片机AD检测时外加TL431作为基准源，当输出电压转变时，口电压维持恒定。恒定电压为。本系统设计可推行到各类电子测量系统中，实现直流电路各参数的测量。在生产生活中，本系统简单明了为生活带来便利；在工业生产中，能

20、够加以各类适当转变，进行电路参数的自动测量，如对电路负载的直流电压、电流和功率自动测量显示。进而能够随时的观看到电路的转变，进行电路的检测，保护。如在电路系统中能够依照不同的负荷取得不同的电压信号，再由电压信号取得各类参数了解电路负荷的转变，以便实时检测。实现系统的自动化调度。综上所述，该系统的设计和研究具在社会生产和生活中具有重腹地位。本系统设计实现了电路的直流输入功率的测量，并能通过键盘切换显示负载电压和被测电流。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能。可是由于以前做的实践性工作不是很多，设计的器件不够精准和环境不够专业，该系统设计并非能实现精准的功率测

21、量。由于时刻的限制，也没有再进一步的改良，要达到工业生产生活中的要求还有必然距离。该系统的进一步研究应该从提高采样精度和系统工作电压的稳固性动身，取得更精准的测量结果。由于以前做的实践设计不是很多，本次系统设计中遇见了很多的阻碍。起初的设计没考虑到单片机工作电压会转变，没加基准电压，致使测量误差专门大，通过认真的试探和查找缘故，咱们加上了基准电压，使得单片机A/D转换时有个基准解决了单片机实际工作电压转变的问题。可是发觉结果仍是存在误差，通过请教和认真试探，最终是因为USB供电不稳固，因此自行设计了所需9V和5V电源。最后是按键部份，在该部份的设计中的要紧问题是键盘去抖动的延不时刻设置。键盘的

22、延不时刻不能太长，也不能太短，不然会使按键失效或持续跳动，而且按键在切换功率和电压电流显示时会有一段空白时刻，刚开始改程序，改成切换时会闪烁显示一段随机数字，经进程序的不断调试，取得了比较理想的按键功能（理想只是对自己在延时按键时刻上的感觉）。通过不断的调试和修改，整体系统实现了对电路直流输入功率的较精准测量。8 总结与体会这次课程设计作品是直流功率计的设计，通过对电路负载电压和电流的采样，对采样进行AD转换，再依照功率计算公式，由单片机计算并操纵LED数码管动态显示。固然咱们所设计的作品确信是不完美的，有很多不足的地方。如测量不能取得超级的精准，存在必然的误差，还有确实是当设计作品长时刻工作

23、时的稳固性等问题。在测量精度上咱们能够用更精准的器件而且在程序方面编写的更完善以取得更精准的测量。至于本系统其他方面确信还有问题，在以后的进一步研究中，我会从相应的起点着手，更精准的测量电路直流输入功率。而在本次为期4周的课程设计中，遇见了相当多的问题，所需要的知识点很多，因此咱们从头温习了这学期所学的单片机内容和电力电子技术还有模拟电子和数字电子课程的知识要点，而且熟悉了电子作品设计和制作的整个流程，较为熟悉的把握了ISIS仿真、PROTEL画原理图和PCB图和Keil C51等软件的利用方式，同时也熟悉了C语言程序的编写。而且依照课程设计的要求和通过参考有关资料拟的方案，写好程序流程图，在

24、程序流程图的基础上，依照芯片的功能写出相应的程序，达到能够实现所要求的功能。 在写程序时，在每条指令后都写好注释，以便在程序犯错的检查进程中能够更易查找取得。在调试进程中，咱们也碰到了很多问题，咱们也一一解决了，使咱们对调试的进程和方式加倍清楚。就如此我又增强了以前所学到的书本知识，而且在实际设计中取得了专门好的发挥，也锻炼了咱们的实际动手能力。9 谢辞在余建华教师和谢维成教师的指导下，让咱们这组顺利地完成了本次设计。在这次设计中，余建华教师和谢维成教师不仅教会咱们如何用Protel 和 Proteus 来进行电路的设计和仿真，而且培育了咱们独立解决问题的能力。通过去图书馆查阅相关资料和在网上

25、搜素信息，都对咱们解决问题有莫大的帮忙。在此，我再一次感激余建华教师和谢维成，感激你们让咱们学到除书本上的知识外，对自己的能力的提升有帮忙的东西。固然，还要感激和我一个团队的组员，在显现困难的时候一路解决问题，在解决问题的进程中彼此学习，最终顺利完成任务。10参考文献1 张毅刚、 彭喜元、 董继成 单片机原理及其应用 高等教育出版设，20032 王兆安 、黄俊 电力电子学 （第四版） 北京机械工业出版社，20013 姚国强、 钱锐、 陆成鹰 机电设备的单片机操纵技术科学出版社，20064 杨振江、杜铁军.流行单片机有效子程序及应用实例M.西安电子科技大学出版社，2002.5 张培仁.基于 C

26、语言编程 MCS-51 单片机原理与应用M.清华大学出版社，2003.6 陈日耀金属切削原理M北京机械工业出版社，1985年3月7 庞思勤、刘成伟激光加工高性能复合材料的工艺与机理研究J兵工学报，1992(4)8 何立明MCS-51 单片机外围器件利用手册M北京航空航天大学出版社，19989 何立明主编MCS-51 单片机应用系统设计系统配置与接口技术J北京航空航天大学出版社，198910康华光电子技术基础（第五版）M高等教育出版社，200611阎石数字电子技术基础（第四版）J高等教育出版社，1998附录1系统的原理电路图 公板：万用板：附录2 系统PCB图附录3 设计实物图万用板：公板：附录

27、4 程序代码主程序#include #include#include #include #include #define vol_scale 7.66667f /ch5 电压采样比#define cur_scale 1.42727f /ch6 电流采样比#define vol_max 50000.0f /最大电压#define cur_max 5000.0f /最大电流void main() t0_dis_init(); /初始化系统 delay(200); /延时 显示hello_欢迎界面 while(1)key_scan(); if(key1)dis_mod=dis_mod; /切换显示模

28、式AD_read_data(42000,0); /AD采集42000次dis_change(dis_mod); /转换成显示码 中断显示程序 void timer0_init() interrupt 1 using 1 /中断显示static uchar i,j;TH0=0xf8;TL0=0xcf; /赋值按时器初值R0=0; / 关闭T0 if(i+7) /移位i=0;if(j+80)j=0; /闪烁频率调整 if(led_flag&(140) /闪烁判定led_sel_port=(1i); /位选led_com_port=led_tab17; /关闭显示TR0=1;return;led_sel_port=(1i); /位选led_com_port=dis_tabi; /段码输出TR0=1; /TO运行