基于单片机智能交流电压表的设计Word格式.docx

1、2.5.3 工作原理172.5.4 显示单元与单片机连接电路182.6 通信接口硬件设计182.6.1 数据通信基础192.6.2 RS-232 标准接口总线192.6.3 芯片 MAX485 介绍20第三章 软件部分233.1 软件整体结构233.2 电压采集模块243.2.1 数字滤波243.2.2 A/D 转换253.3 显示模块263.4 通讯模块27结论和展望29参考文献30致谢31附录 A 电压表电路图32附录 B 源程序33附录 C 外文文献及其译文34附录 D 参考文献摘要36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

2、 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

3、件框图28图 3-5B 初始化框图28表格清单表 2-1 精密电压互感器 SPT205B 性能指标表12引言电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。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。第一章 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交 流互 感器整流滤波放大单 元A / D转 换器

4、单 片机通 讯单 元显 示单 元图 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

5、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。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

6、在工艺上进行了改进，89S51采用 0.35 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

7、 工公司生产的 10 位逐次逼近模数转换器，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

8、，虽然先进有挑战性，但却极大的增加了成本，对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。第二章 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

9、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，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多

10、嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其特点如下： 8031 CPU 与 MCS-51 兼容4K 字节可编程FLASH 存储器（寿命：1000 写/擦循环） 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部RAM32 条可编程I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路不过在市场化方面，89C51 受到了PIC 单片机阵营的挑战，89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上 ISP 功能等新功能才能更好延续 MCS-51的传奇。89S51 就是在这样的背景下取代

11、89C51 的，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 0.35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容 89CXX 等 51 系列芯片。同时 ATMEL 不再接受 89CXX 的定单，大家在市场上见到的 89C51 实际都是 ATMEL 前期生产的巨量库存而以。89S51 相对于 89C51 增加的新功能包括：- 新增加很多功能，性能有了较大提升;- ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。- 工作频率为 33MHz，

12、大家都知道 89C51 的极限工作频率只有 24M，就是说 S51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。- 具有双工 UART 串行通道。- 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。- 双数据指示器。- 电源关闭标识。- 全新的加密算法，这使得对于 89S51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。- 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89C51 等等早期MCS-51兼容产品。在 89c51 上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。2.2.2 芯片管脚介绍我所采用的 MCS-51

13、 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图 2-2-1。1P1. 0VCCP1. 1P0. 0P1. 2P0. 1P1. 3P0. 2P1. 4P0. 3P1. 5P0. 4P1. 6P0. 5P1. 7AT89 S5 1P0. 6RST P0. 7P3. 0 （RXD）EA/VPP P3. 1 （TXD） ALE/ PROG P3. 2 （INT0 ）PSENP3. 3 （INT1 ）P2. 7P3. 4 （T0）P2. 6P3. 5 （T1） P2. 5P3. 6 （WR）P2. 4P3. 7 （RD）P2. 3XTAL2P2. 2XTAL1P2. 1GNDP

14、2. 040 239 338 437 536 635 734 833 932 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 图 2-1 单片机引脚图引脚功能：MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照以上单片机引脚图：VCC：供电电压。 GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时

15、，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个TTL门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉

16、低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功

17、能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

18、在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，

19、则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3 电压信号采样2.3.1 设计原理简介我所设计的电压信号采样模块中，被测电压信号经过电压互感器，幅值降低 1000倍，再由桥式线性整流，整流后的脉动直流经型滤波电路滤波得到平直的直流信号，送到TLC1549 的电压输入端。图 2-2 为采样部分的原理

20、图。电 压互 感器桥 式整 流 式滤 波TLC 1549图 2-2 采样部分的原理图2.3.2 精密电压互感器 SPT205B本设计电压采集部分采用电压互感器进行降压处理， 采用精密电压互感器 SPT205B，它使用了精密小巧的 PCB 板焊接安装，高隔离度耐冲击的全树脂密封。性能指标如下表 2-1性能指标：表 2-1 精密电压互感器 SPT205B 性能指标表额定输入电流3mA最大电流常通 10mA额定输出2mA线性范围010mA（Rl4000Vac匝数比1:使用温度-50+65线性度0.1%贮藏温度-60+80相移小于 5（经过补偿后）相对湿度90%副边电阻110W（204A）/210W（

21、204B）/430W（205B）重量1516 克SPT205B 实际上是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为 1mA 至 10mA 任选，输入/输出电流为 3：1，一般额定输入电流为 3mA，额定输出则为 1mA。用户使用时需要将电压信号变为电流信号，初级直接串联一个电阻使输入电压信号被限流变换成电流信号。次级并联一个电阻使输出电流信号变换成电压信号，这样能得到线性度优于 0.1%的输出电压信号。输出电压最大 8 伏。例如，输入 120V，串联 30K 的电阻，输出3.5V，并联 2.625K 的电阻。设原边电压为 U1，副边为 U2，公式如下U23R1=U1R2（3-1）SPT205B

22、的相移和次级回路电阻大小成正比，负载电阻为 1K 时，补偿后可使相移小于 10。要求得到相同输出电压，增大输入额定电流，可减小负载电阻，从而减小相移。线性范围为、010MA，额定输入（不考虑相移）最大负载为 8000。额定输入/输出为 3mA/1mA，非线性度1%。尺寸结构图如下 2-3交流互感器部分电路图如下 2-4图 2-3 尺寸结构图图 2-4 交流互感器部分电路图2.4 A/D 转换电路本电路设计 A/D 转换部分主要核心部分就是我精选的高性价比的 A/D 转换芯片TLC 1549 ，以下会详细介绍2.4.1 A/D 转换芯片介绍TLC1549 是TI 工公司生产的 10 位逐次逼近模

23、数转换器，该器件具有两个数字输入端和一个 3 态输出端，它们提供与微处理器串行端口的 3 线接口。具备自动采样保持功能，采取差分基准电压高阻输入，可按比例量程校准转换范围，实现低误差的转换。TLC1549 的性能特点如下：10 位分辨率 A/D 转换器;内在的采样和保持;总不可调整误差1LSB MAX.片内系统时钟; CMOS 工艺。TLC 1549 的极限参数如下：电源电压范围:-0.5V 至 6.5V；输入电压范围:-0.3V 至 Vcc+0.3V；输出电压范围:正基准电压:Vcc+0.lV；负基准电压:-0.1V；峰值输入电流:20mA； 峰值总输入电流:30mA。 TLC1549 的引脚功能如下：TLC1549 有D，JG，P，FK 等封装形式，其 P 封装的引