单片机电压越限报警.docx

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单片机电压越限报警

辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：

电压越限报警器设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

2014.6.16-2014.6.27

课程设计（论文）任务及评语

学号

110301011

学生姓名

刘德聪

专业班级

测控111

设计题目

电压越限报警器设计

课程设计（论文）任务

设计一个能够根据输入电压的大小进行报警的仪器。

设计任务：

1．以单片机为控制核心，利用可变电阻器作为输入电压；

2．设计电压采集电路及A/D转换电路；

3．利用键盘输入电压报警的上下限，并实时显示输入电压的值；

4．设计相应的驱动电路；

设计要求：

1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、A/D转换器等，设计相应驱动电路和键盘显示电路；

2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；

3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。

技术参数：

1．输入电压在0-5v之间；

2．选择8位的A/D转换器；

3．电压的上下限设置为0-5之间的整数值，不包括0和5，下限小于上限。

4.电压显示小数点后两位，如：

X.XX。

工作计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。

（2天，分散完成）

2、选择A/D转换器、单片机等元器件型号。

（1天，实验室完成）

3、绘制硬件电路图。

（1天，实验室完成）

4、按系统的控制要求，编写软件程序。

（3天，分散2天，实验室1天）

5、上机调试、修改程序、答辩。

（2天，实验室完成）

6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

指导教师签字：

总成绩：

年月日

院（系）：

电气工程学院教研室：

测控技术与仪器

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

随着社会的发展和时代的进步，人们不断的对于环境的安全性提出更多的要求，由此设计出一个行之有效的安全报警器是有很大的必要。

自从电的问世以来，随着爱迪生发明了灯泡，电类设备的大量的使用，电这一能源便于人们的生活息息相关，在日常生活及工业生产中扮演着重要的角色，因此对于电的安全使用和电路的保护也尤为重要。

本课题为电压越限报警器设计，以单片机为中心设计一个能够根据输入电压的大小进行报警的仪器。

本设计选为单片机，A/D转换器等元器件为主要部分，利用可变电阻器作为输入电压，来对于电压值进行监控，达到保护作用。

在设定范围0-5V之内，当输入电压值低于下限值或者电压之高于上限值时进行报警。

实际中通过键盘输入电压报警的上下限的电压值，并实时显示输入的电压值，输入电压通过A/D转换器进行模拟信号与数字信号的转换，并将信号送入单片机，最终经单片机处理运算后来进行驱动LED发光显示和报警响铃。

电压越限报警器的广泛使用将会大量降低实际应用中由于电压值越限所带来的影响。

关键词：

单片机；键盘显示；声光报警

第1章

绪论

发展背景

自从电在生常生活中广泛使用以来，电压便是衡量电能质量的指标，对电力系统工作的安全经济运行，保证用户的安全生产以及电气设备的安全具有重要的影响。

在保证供给用电设备电压与用电设备的额定电压值的偏移量不超过所允许的电压范围之内，是电力系统运行调整的基本任务之一。

电压越限报警仪单片机为核心，单片机的出现是计算机发展史上的一个重要的里程碑，开辟了嵌入式计算机领域，而目前单片机在全世界已经成为工控领域，军事领域及日常生活中应用最广泛的计算机。

Intel公司于1976年首推出8位的单片机之后，单片机的已有70多个系列，500多种，单片机的迅速的发展充分带动了。

在电力系统中，当电压偏移量超过所允许的电压范围之内即出现电压越限现象时，系统将进入紧急状态。

虽然短时间之内电力系统的安全工作不会由于电压值的细小变化而出现任何危险状况，不过对于电力系统而言，此时的运行参数已经越限，若不采取有效的处理措施，将会使运行情况进一步恶化，最终导致电力系统的崩溃。

因此在电力系统中当电压出现越限时，既使是很小的变化，我们也应该十分重视，对于电压值的越限问题，我们应该及时发现并且立即采取安全处理措施，只有发现问题才能解决问题。

通过某些电压调整手段的控制，进而把电力系统中的工作电压控制在额定电压或所允许的范围之内。

因此一个好的电压越限报警器关乎着一个电力系统的安全工作。

技术要求

设计一个能够根据输入电压的大小进行报警的仪器，以单片机为控制核心，利用变电阻器作为输入电压，设计电压采集电路及A/D转换电路，利用键盘输入电压报警的上下限，并实时显示输入电压的值，设计相应的驱动电路。

分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、A/D转换器等，设计相应驱动电路和键盘显示电路。

输入电压在0-5v之间，选择8位的A/D转换器电压的上下限设置为0-5之间的整数值，不包括0和5，下限小于上限，电压显示小数点后两位，如：

X.XX。

第2章总体设计

方案论证

电压越限报警器设计以单片机为中心，利用可变电阻器作为输入电压，通过A/D转换器实行模拟信号和数字信号的转换，以输出信号的大小来驱动LED发光显示和报警响铃。

在输入电压时利用键盘输入电压报警的上下限值，并实时进行显示。

本试验采用实验板自带的ADC转换来模拟电压检测，电压在1-4V范围内属于正常，否则报警，报警灯光可以使用闪动的LED发光二极管来模拟，通过操作电压旋转按钮来改变电压模拟波动的过程。

图2.1总体框图

主程序可以不断采样电压值并与设定范围进行比较，如果电压异常，则应该启动定时中断，定时中断完成报警过程，如果报警过程中电压恢复正常，则报警应该结束。

当输入电压值超过所允许的范围之内，经过一系列电路元器件的工作，LED显示和扬声器将会发出报警信号。

器件选型

本设计利用键盘输入电压区域界限的上下限，设置为0-5V之间的整数值并且进行实时的显示输入电压的值，电压显示小数点后两位。

利用可变电阻提供输入电压，通过8位的A/D转换器进行模拟量与数字量的转换。

一单片机选型

AVR单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

单片机技术是计算机技术的一个分支,是简易机器人的核心元件。

1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。

相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势。

AT89S52是构建电压采集电路的核心，AT89S52是单片机AT89系列中的高档性系列，片内包含8KBflash,256RAM和32个可编程的I/O口，两个外部中断，3个16位的定时/计数器和一个全双工串行接口，低功耗，高性能8位微控制器可快速处理多个传感器.AT89S52与MCS-51单片机产品兼容，1000次擦写周期，三级加密程序存储器，全双工UART串行通道和双数据指针，掉点标识符等功能。

经过实际的对比和经济的参考，为了满足电压越限报警器设计的技术要求，本设计采用AT89S52单片机进行实体操作。

　　　　　　　　　　　　图2.2　AT89S52元件图

二A/D转换器选型

MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程（±10V，±5V，0～10V，0～5V）、8通道、12位高精度的A/D转换器。

它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。

三态数据I／O口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。

全部逻辑输入和输出与TTL／CMOS电平兼容。

新型A／D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比，具有极好的性能价格比，仅需单一＋5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计。

ADC0804属于连续渐进式的A/D转换器，此类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）,分辨率高，并且价钱便宜，因此普遍应用于微电脑的接口设计上。

ADC0804转换器模拟输入电压范围为0-5V，8位分辨率，转换值介于0-255之间，转换误差为±1LSB。

对实际方案和经济的参考，为了满足设计的任务要求和精度要求。

采用型号ADC0804的A/D转换器。

图2.3ADC0804元件图

第3章硬件电路设计

电源采集电路

本设计利用可变电阻器作为输入电压，输入电压范围为0-5V，将采集端电压最大值设置为5V，随着可变电阻器百分比的变化输入电压的大小也随之变化。

此电源采集电路元器件简单，并且操作方便，充分满足此设计输入电压的要求。

图3.1电源采集电路图

AD转换单元电路

AD转换是一种非常重要的技术手段，是单片机等控制芯片与外界信号的接口部分。

AD转换将输入的模拟电压转换为与之成正比的的数字量。

常用的AD转换器主要有并联比较性，逐次比较式，双积分式。

本设计采用的ADC0804A/D转换器为8位逐次比较式转换器。

在ADC0804的转换过程中通过引脚WR来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（CS=0时），当WR由高变为低时转换器被清。

在ADC0804元件图中引脚VIN（+）和引脚VIN（-）为模拟电压输入端，单边输入时模拟电压输入接VIN（+）端，VIN（-）端接地。

当转换器进行双边输入时VIN（+）,VIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。

当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在VIN（-）接一个等值的零点补偿电压，变换时将自动从VIN（+）中减去这一电压，在本设计中ADC0804采用单边输入模拟电压。

为保证A/D转换器的所需的时钟信号，通过CLKIN和CLKR外接RC振荡电路。

并且最终通过DB0-DB7输出A/D转换后的二进制结果。

图3.2A/D转换电路图

单片机外围电路

计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

AT89S52单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入（对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个拉低电阻），当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。

此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。

RST变为低电平后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。

单片机采用的复位方式是按键复位方式。

当复位信号输入段RSSET出现一定时间的高电平时，只要高电平时间足够长，就可以使AT89S52有效的复位。

RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，Vss上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。

10MHZ时约为1ms，1MHZ时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。

RC时间常数越大，上电RST端保持高电平的时间越长。

若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。

因此对于中央处理器CPU，在启动状态时复位电路必要。

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。

一般时钟信号有两种方式，内部时钟信号和外部时钟信号。

内部时钟方式为片内震荡器，通过单片机的引脚XTAL1和XTAL2为片内震荡器的输入端和输出端，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，这样就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。

在连接外部时钟方式时，一般采用采用外部震荡器，外部震荡脉冲信号通过XTAL1端接入后直接送至内部时钟发生器，因此输出端XTAL2应悬浮。

不过因为XTAL1的逻辑电平不是TTL的，因此需外接一个上拉电阻。

对于本设计的电压越限报警器，由于电路只需一块单片机芯片进行工作，并且由于在AT89S52单片机芯片的内部有一个高增益反向放大器，因此进行内部时钟方式因此本设计采用内部时钟方式。

图3.3单片机外围电路

键盘显示电路

在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统中输入一些命令或数据，因此系统中设有键盘。

这些键包括数字键，功能键和组合控制键等。

键盘的编制一般有独立式按键和矩阵式按键。

独立式按键直接用I/O口线构成的单个按键电路，独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但I/O口浪费较大。

矩阵式按键适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行，列的交叉点上，行和列分别连接到按键开关的两端。

为了能够将键盘电路进行有效的显示，一般在使用键盘接口的同时都会通过显示接口与之配合，在单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。

这两种显示器件成本低廉，配置灵活并且与单片机接口方便。

当然在科技不断进步的今天，一些更加高端的方便的显示元件不断涌现，例如具有配置简易形式的CRT接口。

不同的显示装置可以根据实际的要求和与之相匹配的驱动电路来进行具体要求的选择。

键盘电路与显示电路可以进行分别连接，也可将键盘与显示做在一起，构成实用的键盘显示电路。

本设计通过采用4位数码管显示器与16个按键的键盘组成键盘显示电路，并通过CH451进行驱动，CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制内置RC振荡电路，可以直接驱动8位数码管，也可驱动64位LED显示器。

具有BCD译码和不译码的功能，并且可实现左移，右移，左循环，右循环和各位独立闪烁等功能。

键盘和显示电路的驱动有多种选择单独的驱动器可以选用74LS245芯片进行驱动，考虑本设计采用键盘与显示做在一起，并结合CH451的功能，因此选用CH451进行驱动。

图3.4键盘显示电路图

报警电路

本电路采用声音和灯光报警。

AT89S52单片机将电源采集，A/D转换的结果与键盘输入的边界域值进行比较,从而判断出此时对应的电压是正常,或者偏高,或者偏低。

当输入电压正常时（小于4V并且大于1V）灯不亮，蜂鸣器不响,当电压偏高（大于4V）时，灯亮,并且同时峰鸣器响;当电压偏低（小于1V）时灯亮,同时蜂鸣器响。

在报警电路中提供报警电路的电源应与其它电路的电源分开,以此做法避报警电路的工作受到干扰。

为了防止瞬间电流产生干扰，对此在电路元器件连接的过程中数字信号地和模拟信号地不要串接,应该分别联接公共地。

图3.5LED报警电路

图3.6蜂鸣器报警电路

第4章软件电路设计

YN

N

Y

图4.1电压越限报警流程图

在完成初始状态后，由键盘对报警边界域的上下限值进行输入，同时通过4位数码管进行显示。

当电源采集电路将电源信号传送到A/D转换器，并最终将数字量传送到单片机，通过单片机与报警边界域的上下限值进行比较，当大于4V或小于1V时进行报警，当大于1V且小于4V时，处于安全状态。

第5章部分实验电路图

图5.1A/D转换实验电路图

对A/D转换进行部分仿真，由可变输入电阻提供输入电压，经过A/D进行信号转换，将模拟量转换为数字量，数字量传入单片机芯片，通过Keil编程软件进行程序编写，并最终导入单片机，经过CH451进行数码管的驱动，并最终在数码管显示数字量。

仿真实行采用实体电路板进行，对ADC0804，AT89S52和键盘显示进行连接，由数码管进行数字量的显示，由于主要对于A/D转换器进行仿真，因此并不能达到键盘控制的功能，只是单纯对于输入的0-5V电压模拟信号的数字量的显示。

在实际的实验中，由于标准量具误差，仪器误差和附件误差等多种因素，测量和实验所得的数据和被测量的真值之间，不可避免的会存在着差异，即使随着科学技术的日益发展和人们认识水平的不断提高，虽可将误差控制的越来越小，但是终究不能消除一个实验的误差对于部分电路实验图的仿真结果进行误差分析，根据数码管显示的数字量，和A/D转换的来计算误差。

通过进行部分实验进行收集3组数字量数据并进行数字量与模拟量的转换，分别得到2.823V，3.246V和3.986V三个电压值，并通过使用万用表分别对对应的数字量的实际电压进行检测分别得出2.836V，3.256V和4.000V。

通过选择三组差距较大的电压值来进行求取误差，可靠性更高。

根据公式：

（5-1）

（5-2）

将三组数据带入公式1，

，

，

。

将得的S三组误差带入公式2可得

，根据误差要求满足设计要求。

第6章设计总结

电压越限报警器设计将在电力系统的运作过程中发挥着巨大的作用，可以有效的防止用电设备电压的偏移量超过所允许的电压范围之内，这样就能够保证用户的安全生产以及电气设备的安全工作。

若电压越限报警器的广泛使用，将会大量减少由于电压越限而带来的电力系统的灾害。

本设计电压越限报警器电路，总体可分为电源采集电路，A/D转换，单片机处理和键盘显示电路。

采用可变电阻器为输入电压，再经A/D转换进行模拟量和数字量的转换，通过键盘进行越限电压边界域的上下限得输入，由单片机处理电路来对于A/D转换器输出的数字量信号与越限电压的边界域上下限进行比较。

在元器件选型方面，无论是A/D转换器，单片机芯片还是键盘显示均采用同功能商品中的高档品。

具有转换速度快（几十至几百us）,分辨率高，并且价钱便宜，普遍应用于微电脑的接口的ADC0804转换器，具有低功耗，高性能8位微控制器，可快速处理多个传感器的AT89S52单片机。

在键盘显示部分，为了节省I/O口线和减少元器件的使用，将键盘电路与显示电路做在一起构成键盘显示电路。

参考文献

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机械工业出版社，2010.6

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黑龙江人民出版社，2011.3

附录

整体电路图

附录