基于单片机原理的多功能测量仪的设计毕业设计.docx

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基于单片机原理的多功能测量仪的设计毕业设计

基于单片机原理的多功能测量仪的设计毕业设计

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

设计总说明

随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压、电流、功率、功率因数等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。

利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。

具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。

只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

本设计中所用的89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

这款单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次，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89C51是一种高效微控制器。

89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉价。

在本设计中，由于计算较为简单，电路灵活，这款单片机完全符合设计的要求，同时也使得设计更加的简单方便。

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。

究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。

最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。

随后出现的RS485解决了这个问题的方案。

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。

为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。

RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

将模拟信号转换为数字信号的电路称作模／数转换电路（或A／D转换电路），模拟信号转换成数字信号要经历采样、保持、量化、编码4个过程。

现在已存在单片集成电路能够完成模／数转换的功能，这种模／数转换的集成电路通常被称作模／数转换器。

根据模，数转换器的转换原理不同，模／数转换器可分为逐次比较型模／数转换器、双积分型模／数转换器等几种。

双积分型A/D转换器的最大优点是工作稳定，抗干扰能力强。

双积分型A/D转换器的数字输出与积分电阻R、积分电容C、时钟频率fcp无关，最大缺点是速度较慢，所以主要用于数字电压表等低速测试系统中。

双积分型A/D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响。

电能测量仪将多个电能参数形成一体化仪表后，只携带一个仪表就能完成电压、电流、相位、功率、功率因数等多种功能真正做到全面准确地反映用电系统的电能质量。

该仪器可以广泛适用于电力系统及相关行业继电保护和计量专业、工矿企业、石油化工、冶金企业的二次回路检查。

它的出现简化了操作员的工作，同时也带来相当的经济和社会效益。

基于此，本文主要设计一个基于MSC-51单片机控制的交流电参数测量仪，此仪器可以测量交流电参数的电压，功率。

关键词：

数字信号处理器；数据采集；RS485；A/D转换

Basedontheprincipleofmulti-chipdesignmeasuringinstrument

GeneralDesignDescription

Withtherapiddevelopmentofthepowersystem,powergridcapacityisincreasing,thestructuremorecomplex,real-timepowersystemmonitoring,schedulingautomationisparticularlyimportant,andelectricalparametersoftheautomateddataacquisitionisanimportantpartofhowtoquicklyandaccuratelycapturesystemelectricalparametersofeachcomponent（voltage,current,power,powerfactor,etc.）istoachievepowersystemautomationisanimportantfactor.

    Usingmicrocontrollerprogrammingmethodusedtogeneratealowfrequencysignalwhosefrequencyisthebottomlinelow.Hasarelativelysimplecircuit,compact,inexpensive,highfrequencystability,anti-interferenceability,versatility,etc.,andcanfine-tunethewaveform,improvedwaveformtomeetthesystemrequirements.Aslongasthecircuitslightlymodifiedtoadjusttheprogramtocompletethefeatureupgrades.

    Usedinthisdesignisan89C51microcontrollerwith4Kbytesofflasherasableprogrammableread-onlymemory,lowvoltage,highperformanceCMOS8bitmicroprocessor.Thissingle-chipEEPROMerasurecanberepeated100times,usingATMELhighdensitynon-volatilememoryfabricationtechniques,andindustry-standardMCS-51instructionsetandoutputpinsarecompatible.Sincethemulti-8CPUandflashmemorycombinedinasinglechip,ATMEL's89C51isanefficientmicrocontroller.89CMCUasmanyembeddedcontrolsystemprovidesahighflexibilityandlow-costprice.Inthisdesign,thecalculationissimple,flexiblecircuit,thissingle-chipfullymeetthedesignrequirements,butalsomakesthedesignmoresimpleandconvenient.

    Smartmetersintheearly1980s,withthechiptechnologymaturesanddevelopedworldisnowbeingsmartmetermarketisbasicallydominatedbytheinstrument.Thereasonisthebusinessinformationneedsofenterprisesintheinstrumentselectionwhichisanecessaryconditionistohavethenetworkcommunicationinterface.Originallyasimpleanalogsignaloutputprocessdataamount,thentheinstrumentinterfaceisaRS232interface,thisinterfacecanachievepointtopointcommunication,butthisapproachcannotbeachievednetworking.RS485thenappearstosolvethisproblem.

RS-232,RS-422andRS-485serialdatainterfaceisstandard,initiallybytheElectronicIndustriesAssociation（EIA）developedandpublished,RS-232releasedin1962,namedforEIA-232-E,Asindustrystandardstoensurecompatibilitybetweenproductsfromdifferentmanufacturers.RS-422evolvedfromtheRS-232,whichistocompensateforthelackofRS-232raised.RS-232communicationstoimprovetheshortdistance,lowrateofdefects,RS-422communicationinterfacedefinesabalance,transferrateupto10Mb/s,thetransmissiondistancewasextendedto4000feet（ratesoflessthan100kb/stime）,andallowsabalanceonthebusupto10receivers.RS-422isasingletransmission,multi-machinereceivesaone-way,balancedtransmissionstandard,wasnamedTIA/EIA-422-Astandards.Toexpandtheapplicationrange,EIAagainin1983onthebasisoftheRS-422RS-485standarddevelopedtoincreasethemulti-point,two-waycommunicationscapabilitythatallowsmultipletransmittersconnectedtothesamebus,whileincreasingthetransmitterdrivecapabilityandconflictprotectionfeatures,theexpansionofthebuscommonmoderange,namedafterTIA/EIA-485-Astandards.SinceEIAstandardsarebasedonrecommendationsmadeby"RS"asaprefix,sointhecommunicationsindustry,arestillaccustomedtotheabovecriteriatoRSprefixtitle.

Theanalogsignalisconvertedtodigitalsignalcircuitsknownanalog/digitalconversioncircuit（orA/Dconversioncircuit）,ananalogsignalintoadigitalsignaltogothroughthesampleandhold,quantization,coding4process.ThereisnowamonolithicintegratedcircuittocompletetheA/Dconversionfunction,thisanalog/digitalconversioncircuitisoftenreferredtoasanalog/digitalconverter.Accordingtoanalog,digitalconverterconversionworksdifferently,analog/digitalconvertercanbedividedintosuccessivecomparisonmold/digitalconverters,molddoubleintegralA/Dconverterandsoareseveral.

DoubleintegraltypeA/Dconverter'sbiggestadvantageisjobstability,anti-interferenceability.DoubleintegraltypeA/DconverterdigitaloutputoftheintegratingresistorR,theintegratingcapacitorC,independentoftheclockfrequencyfcp,thebiggestdrawbackisslower,sothevoltmetermainlyusedforlow-speeddigitaltestsystems.DoubleintegraltypeA/Dconverterconversionaccuracydependsonthemedian,operationalamplifiersandcomparatorssensitivityandzerodriftandotherfactors.

Energymeterwillformanintegratedinstrumentmultiplepowerparameters,theinstrumentcanbedoneonlycarryavoltage,current,phase,power,powerfactorandotherfeaturestrulyfullyandaccuratelyreflectthequalityofelectricpowersystems.Theinstrumentcanbewidelyappliedtopowersystemprotectionandmeteringandrelatedindustriesprofessional,industrialandmining,petrochemical,metallurgicalenterprisesofthesecondarycircuitchecks.Itappearstosimplifytheoperator'swork,butalsobringconsiderableeconomicandsocialbenefits.

    Basedonthis,themaindesignamicrocontroller-basedMSC-51ACparametermeasurementinstrument,theinstrumentcanmeasureACparameterofvoltage,power.

一.绪论

1.1课题的研究背景

随着生产的发展及社会的进步，电力在生产、生活中的重要也越来越明显。

以前我们可能对电力的质量感到满意，但毫无疑问，现在的工厂、办公室、医院以及其他公用设施都依赖高质量的电力来保证其电子和电气设备的正常工作。

尤其在电力系统及工矿企业中，电压表、钳位电流表、相位表、频率表、频谱分析仪等仪表广泛被应用，常规的电工仪表不论是数字式的还是模拟式的测试重点一般都放在直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和频率的测量上。

而电网中的谐波含量越来越高，将直接影响发供电设备的安全和优质运行，有可能增加电网发生谐振的可能，从而产生过电压或过电流，降低电网的可靠性：

增加电网损失，降低了电气设备的效率和利用率；加速设备的绝缘老化，缩短设备的使用寿命，降低电能质量；影响继电保护、计算机、测量和计量仪器以及通信系统的正常运行等，所以准确分析电能的参数是非常必要的，这将反映整个电网的电力质量。

而电压表、电流表、功率表等多种测量仪器的携带和使用给我们造成了很大的不便。

电能测量仪将多个电能参数形成一体化仪表后，只携带一个仪表就能完成电压、电流、相位、功率、功率因数等多种功能真正做到全面准确地反映用电系统的电能质量。

该仪器可以广泛适用于电力系统及相关行业继电保护和计量专业、工矿企业、石油化工、冶金企业的二次回路检查。

它的出现简化了操作员的工作，同时也带来相当的经济和社会效益。

1.2测量仪表的简介

测量是一种将数字与物理量、物理现象结合之过程可凭人的感觉或借助仪器，而所借助之仪器由简单测量长度的尺，到超过人类感觉估计的量而设计的精密系统。

测量是科学研究和生产过程中的一个必不可少的环节，测量方法的先进与否在很大程度上决定着科学实验和生产技术的先进性。

人们通过测量，探索自然界各种现象之间存在的客观规律，建立起各种定理和定律，这些定理、定律又促进了测量技术的发展。

电工测量仪表是根据电流的磁效应或热效应对表内活动的推动力制成的，利用指针偏转的大小，或光点在标尺上移动的距离来指示电学量的测量仪器，它是实现电工测量过程所需技术工具的总称。

随着技术的发展，尤其是数字电子技术及大规模集成电路技术的发展，使得数字仪表得到了迅猛的发展。

数字电压表（DVM）是其中的代表，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

数字仪表经过50多年来不断的地发展、改进和提高，已经达到了一个全新的层次。

从最初的一两种类型发展到原理不同地几十种类型；从最早采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测量一两种参数的专用型到能测量十几种参数的多用型；显示器件从辉光数码管发展到等离子管、发光二极管、液晶显示器等。

数字电压表的体积越来越小，重量不断减轻，可靠性越来越高，价格也逐渐下降。

近年来，含有微型计算机或微处理器的测量仪器或测量系统，能够对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作，具有一定智能功能，因而被称之为智能仪表。

智能仪表的自校准功能减小了系统误差从而提高测量仪器的准确度，不仅可以通过校零或采用标准信号进行校验获得仪器的误差，将误差保存起来，而且测量时能够自动从测量值中扣除误差。

智能仪表现在大都具备通信功能，这使它可以接受计算机的命令而被遥控，也可以将测量数据传递给计算机，从而成为测控系统的一部分。

总之，采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。

含有微型计算机或微处理器的测量仪器或测量系统，能够对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作，具有一定智能功能，因而被称之为智能仪表。

1.351单片机简介

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

当前常用的51系列单片机主要产品有：

*Intel的：

80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

*ATMEL的：

89C51、89C52、89C2051等；

*Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品

国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。

它的处理对象不是字或字节而是位。

它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。

虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。

51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH～7FH），使用极为灵活。

这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。

而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可，对周围的其他位不会产生影响。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。

八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。

而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。

作乘法时，只需一条指令就行了，即MuLAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。

积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。

很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将