基于单片机智能交流电压表的设计Word格式.docx

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基于单片机智能交流电压表的设计Word格式.docx

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

2.6.2RS-232标准接口总线 19

2.6.3芯片MAX485介绍 20

第三章软件部分 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

3.2.2A/D转换 25

3.3显示模块 26

3.4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尺寸结构图 13

图2-4交流互感器部分电路图 14

图2-5TLC1549引脚排列 15

图2-6TLC1549方式1的时序图 15

图2-7TLC1549与单片机AT89S51的连接图 16

图2-8MAX7219芯片实物封装图 17

图2-9MAX7219芯片工作时序图 18

图2-10MAX7219与51单片机的接线电路 18

图2-11MAX485芯片引脚介绍 21

图2-12PC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3-3A/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

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

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MAX7219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，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，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作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。

2.2AT89S51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（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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：

8031CPU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RAM

32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，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。

P1.0 VCC

P1.1 P0.0

P1.2 P0.1

P1.3 P0.2

P1.4 P0.3

P1.5 P0.4

P1.6 P0.5

P1.7 AT89S51 P0.6

RST P0.7

P3.0（RXD） EA/VPPP3.1（TXD）ALE/PROGP3.2（INT0） PSEN

P3.3（INT1） P2.7

P3.4（T0） P2.6

P3.5（T1） P2.5

P3.6（WR） P2.4

P3.7（RD） P2.3

XTAL2 P2.2

XTAL1 P2.1

GND P2.0

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，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的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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。

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，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为采样部分的原理图。

电压

互感器

桥式

整流

∏式滤波

TLC1549

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（Rl<

5%Ri）

电压

串联电阻后50V～1000V

可耐冲击

100mA*1秒

50mV～8V（运放输出）

隔离耐压

4000Vac

匝数比

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（204B）/430W（205B）

重量

15～16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

U2×

3R1=U1×

R2 （3-1）

SPT205B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、0~10MA，额定输入（不考虑相移）最大负载为8000Ω。

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

2.4A/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

TLC1549，以下会详细介绍

2.4.1A/D转换芯片介绍

TLC1549是TI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，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±

1LSBMAX.

片内系统时钟;

CMOS工艺。

TLC1549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

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