毕业设计_基于单片机的功率测量系统的设计论文.pdf
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1、摘要近年来随着计算机在社会各领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深 入。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为个核心部 件来使用。本论文详细的阐述了功率测量系统的设计思路和具体设计步骤。以单 片机为核心,着重的介绍了 52单片机在系统中的重要地位,以及其外围硬件电 路的芯片结构特点、功能和管脚知识。集测量、显示等功能于一体,设计完整、结构清晰、操作简单。在本设计中,是采用对电路中电压和电流分别进行采样,再经模数转换器MAX197,将模拟量变为对应的数字量,用液晶显示器显示电压 和功率。本文详细论述了硬件电路的组成。利用单片机完成整个测量电路的测试 控制、数据处理和显示输出。
2、关键词:单片机,模数转换,功率表,采样,LCD液晶显示器ABSTRACTRecent years,with the penetration of computers in the social sphere,SCM applications are continually deepening.In real-time detection and automatic control of microcomputer application system,the microcontroller is often used as a core component.This paper describ
3、es in detail the power measurement system design and detailed design steps.The MCU as the core,focusing on the introduction of the 52 SCM in an important position in the system and its peripheral hardware circuit chip structural features,function and pin knowledge.Set of measurement,display and othe
4、r functions,design integrity,a clear structure,easy operation.In this design,is the use of circuit voltage and current were sampled,and then the MAX197,the analog content into a corresponding number,using 6-one digital display voltage and power.This article discusses in detail the composition of the
5、 hardware circuit.MCU to complete the measurement circuit using the test control,data processing and display output.KEY WORDS:A single-chip microcomputer,modulus conversion,power list,sampling,LCD monitor目录第1章绪论.11.!研究概述.11.2设计背景.11.3设计的意义.21.4设计要求与目的.2第2章 系统设计方案选择和论证.42.1基本方案的选择和论证.42.2总体方案论证.82.3本
6、章小结.9第3章系统硬件电路设计.103.1单片机电路测试系统的分析:.103.2电压电流的取样电路.143.3 A/D转化模块.163.4显示模块的设计.193.5 MAX232芯片简介.253.6 5v电源的设计.273.7键盘接口的分析.273.8本章小结.28第4章系统软件程序设计.294.1程序设计.294.2本章小结.42第5章调试过程.435.1调试.435.2系统结果验证.43第六章总结.44致 谢.45参考文献.46附录A汇编源程序.47附录B系统原理图.51刖后近年来,随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展,给电系统 测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术改机械式
7、功率表为智能型数字功 率表已成为时代的要求。电测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心,配置一定的外围电路和软件,能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中,系统 的抗干扰性和系统的实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成 本低、可靠性高、应用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发 或改造一般仪表是一条可行的道路。在电与电子技术应用中,经常要测量功率。它是利用通有电流的可动线圈在另个通电线圈形成的磁场中产生转动矩而 工作的仪表,其显著缺点是结构复杂、过载能力较差,本身消耗功率较大,且易受 外磁场的影响,同时这样的功率表一般都是多量程的,在测量过程中需有电压表 和电流表配合
8、选定电压和电流量程,在选择不同的电压和电流量程时,刻度盘上 每一分格代表不同的瓦特数,读得格数需要进行换算能得出所要测量的功率,致使测量很不方便。另外在功率测量中,经常遇到被测电路的功率因数很低的情 况,这时必须采用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电仪表中最常用的 种仪表,目前常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果,数字功率表的设计成为了必然。第1章绪论1.1 研究概述在测量、控制仪表中引入微机,不仅能解决传统仪表不能解决或不易 解决的问题,而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性、降低售价 以及加快新产品的开发速度。由于这类仪表已经实现人脑的一部分功能,例如四则运算、
9、逻辑判断、命令识别等,有的还能够进行自教正、自诊断,并具有自适应、自学习的能力,因此人们习惯上称它们为智能仪表。数字 功率表也是种简单的智能仪表。功率表一直以来都是重要的工业测量仪表,而数字功率表在原有的基 础上比以前的更方便。数字显示消除了在模拟标尺上读取指针位置时的人 为误差。与传统的其他仪表相比,数字功率表的测量准确度显著提高。除 测量准确外,因数字仪表具有自动保护和自动选择量程的功能,因此减少 了由于过载而损坏仪表的可能性。此外,本次所设计的数字功率表还具有 自动记录数据和进步处理数据的能力,能方便地使用在自动测试系统中 31.2 设计背景近二十多年来,电能的测量和管理发展很快,逐渐成
10、为个专门的领域,但 是由于电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难,故测量的准确度低,通常的测 量仪器为210级,015级就已是标准仪器了。实现功率测量必须有一个能将两输入 电量相乘的电路结构,目前数字功率表大多使用称为时间分隔乘法器的种模拟 乘法电路来实现相乘。时间分隔乘法器又称脉冲宽度一高度调制乘法器,它通 常具有优良的静态精度,在相当宽的温度范围内可以达到千分之一,然而,由于这 种乘法器输出滤波器的固有相移,使之受到严重的动态限制.即使三角波的频率 达到兆赫兹范围,乘法器的带宽仍然很有限,典型3 dB带宽可能在1 KHz以下。另外,时间分隔乘法器的电路比较复杂,调整也较繁琐,尽管如此,在静
11、态精度要求 较高的场合,这种方法还是经常采用的。随着微机的普及和发展,出现了应用微处理器进行数字乘法运算的新型功率表-采样功率表。1.3 设计的意义近年来,随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展,给电系统 测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代的要 求。电测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心,配置一定的外围电路 和软件,能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中,系统的抗干扰性和系统的 实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成本低、可靠性高、应 用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是 条可行的道路。
12、在电与电子技术应用中,经常要测量功率。另外,在功率测量中,经常遇到被测电路的功率因数很低的情况,这时必须采 用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电仪表中最常用的种仪表,目前 常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果,数字功率表的 设计成为了必然。因此,设计数字功率表事非常有意义的,也对我们以后的测量带来很大的帮 助。1.4 设计要求与目的1.4.1 设计要求基本设计要求:(1)利用单片机控制;(2)能显示电压、电流、功率、功率因数;(3)显示模块米用LCD液晶屏显示;(4)要求能用按键切换液晶显示上的读数;1.4.2设计目的(1)数字功率表是几个模块的组合,设计时要熟悉各个模
13、块的设计方案及其 的作用;(2)通过本设计掌握AT89S52单片机的应用,并熟练C5!编程及在Kei!软 件;(3)学习并掌握Protel99SE画图软件的使用;4)设计出款实用的数字功率表;第2章系统设计方案选择和论证2.1基本方案的选择和论证2.1.I功率表的定义功率的定义是在单位时间内所做的功。电学上的定义为P=/cose。单位 为W,这称为平均功率或有效功率。角度为I和E之间的相位角,cos 9称为功率 因素。在直流电路中,功率的表示式为P二UI;在交流电路中,功率的表示式为P=/Ecos6L很显然,要利用个装置来测量功率,就须反映电压和电流的乘积,这无论 用电动学测量机械仪表或数字测
14、量仪表均可完成。目前使用最多的前者由于其准 确度不高,仪表的读数易受外磁场的影响、仪表本身耗功大、过载能力小、表盘 刻度不均匀,已不能完全适应人们快速有效的工作生活节奏;随着科技业飞速发 展,数字功率表由于精度高、频带宽,不仅可以用于校准指针式功率表,也适合 在现场进行功率的快速测量。在今天的数字时代,其应用前景是非常广阔的。2.1.2 功率测量方案的论证与比较方案、测量模拟电压用伏频(V/F)转换器,可将相应的电压转化为相应 的频率,提高测量的精确度,对应比例为ImV/Hz。用该方案求功率,也是要分时取电压电流的模拟量,再转换为频率,最后用 软件处理,实现功率测量。专用的V/F转换器有AD6
15、50、AD654等。方案二、利用采样电路分别对电压和电流进行采样,将电流转换成电压,再 经乘法电路将两路电压相乘,再经模数转换器,模拟量变为对应的数字量,若要 使测量的精度尽量高,可多次采样几组数据,然后再在程序中处理,求出平均值。原理框图如图2-1所示:图2-1原理框图方案三、可利用专门的IC来实现,如AD534芯片,该芯片既可采样电压,又可采样电流,并将相应的模拟电压,电流转换为对应的数字量,再将转换后的 电压,电流相乘,便可得到所求功率。功能描述:输入电由三个相同的电压转换 电流的转换器转换为不同的电流,功能框图如图2-2所示,转换功能框图如图2-3:X INPUT+/-10V+/-12
16、VY INPUT+/-10V+/-12V图2-2功能框图X INPUT+/-10V+/-12VY INPUT+/-10V+/-12V方案四、采用锁相环技术测量功率。锁相就是相位同步的自动控制,完成两 个电信号相位同步自动控制系统称为锁相环(简称PLL)。因测量功率的两个参 数电流、电压的获取不是同时采样的,故需要利用锁相环技术测量功率。由下图 可见,锁相环由3个基本单元构成:相位比较器PC、电压控制震荡器VCO、低通 滤波器LPF如图2-4。图2-4转换框图施加于相位比较器有两个信号:输入信号,压控震荡器输出信号,相位比较 器输出信号,经低通滤波器后得到个平均电压,这个电压控制震荡器的频率变
17、化,使输入与输出信号的频率之差减小,直到差值为零,此时即是锁定。当锁定 后,VCO能使其输出信号的频率跟随输入信号频率变化。利用锁相技术可以实 现在电网电压及电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样。每个周波的采样点数可 根据需要选择。方案5、对电压和电流进行采样,再经模数转器,模拟量变为对应的数字量,将转化成的数字量再送往单片机中。这仅仅只是电压和电流的变量的计算(计算 是通过软件的控制),再把电压和电流的采样通过过零比较器进行转换成方波然 后送往单片机的INTO口和INT1 就可以计算出电压和电流之间的角度从而可以 通过软件的控制就可以算出采样过来的功率。然后通过液晶显示器进行显示如图 2-5。
18、本设计选用方案5。图2-5数字功率表框图2.1.3 按键模块的选择在对功率、电压、电流以及功率上限进行选择时系统需要通过进行按键的选 择就可以看到不同的数值。方案:使用独立式键盘。独立式键盘是指直接使用I/O 口构成的单个按键 电路。独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。方案二:使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加 成本,但这种键盘适合按键数量较多的场合。根据以上论述,因为本系统需要的按键不多,有电压显示,电流显示,功率 显示以及功率因数显示,共四个按键,要求简单。所以采用方案一独立式键盘。2.1.4
19、显示模块的选择方案:使用传统的LED数码管显示。数码管具有低能耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,寸外界环境要求低,易于维护,同 时称重轻操作简单等特点。数码管采用BCD编码显示数字,程序编译容易。但 是数码管显示数字不稳定,而且不能显示文字,还需要增加驱动器。在本设计屮 若使用LED数码管显示,则电路原理图规模庞大复杂,效果不是很理想。方案二:使用液晶显示屏显示。液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电 量、无辐射、平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势,而且具有可视面积大,简化电路,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。选用LCD显示,可 以显示数字、文字等字符。程
20、序是模块化的,清晰易懂,若想实现新增功能,只 需添加(或删除)程序,因此应用比较广泛。根据以上论述,采用方案二。在本系统中,24位LM016L液晶显示器。2.1.5 电路设计最终方案制定综上各方案所述,本设计的方案选定:(1)采用AT89s52作为主控系统;(2)MAX197 提供 A/D 转化;(3)LCD液晶显示屏作为显示;(4)独立式键盘结构。2.2总体方案论证按照系统设计功能的要求,初步确定系统由主控制模块、数据采样模块、A/D转化模块以及数据显示模块。主控芯片选择AT89S52单片机。数据采集选择电压互感器和电流互感器,A/D转化模块泽选择MAX197的模拟信号输入电路拥有5MHz的
21、信号带宽,当 使用内部采集控制模式并使用外接2MHz时钟时,可达到100kSa/s的通过速率,显示模块则用24位LM016L液晶显示器如图2-60电压采样匚恒晶显示器图2-6数字功率表框图2.3本章小结本章主要讨论了测试仪的总体实现方案,先提出设计目标,根据目标分析确 定实现方案,接着又分析了实现方案中的一些技术问题,给出了解决的办法,从 而确定出系统的总体方案。第3章系统硬件电路设计本章主要讲的是系统硬件电路的设计,运用电压、电流采样电路,将采样的 电压和电流送往A/D转换芯片MAX19?把模拟量转换成数字量然后再送往 AT89S52通过软件编程算出电压和电流的乘积。另外电压和电流的相位角之
22、差是 通过硬件电路实现的,将采样电压和采样电流送往过零比较器中,再把过零比较 器的输出端接往单片机的两个中断口,通过方波电路的上升沿之差从而得出相角 差。然后再把算出的结果通过LCD1602液晶显示器显示结果,我们再通过按键 的切换来显示电压、电流、功率和功率因数。它的整体框架如上一章的2-6图所 zj 3.1 单片机电路测试系统的分析AT89s52为ATMEL所生产的种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具 有8K在系统可编程Flsah存储器。3.1.1 AT89s52 主要功能:(1)拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash;(2)晶片內部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至!2MHz)
23、;(3)内部程序存储器(ROM)为8KB;(4)内部数据存储器(RAM)为256字节;(5)32个可编程I/O 口线;(6)8个中断向量源;(7)三个16位定时器/计数器;(8)三级加密程序存储器;(9)全双UART串行通道。3.1.2 AT89s52各引脚功能介绍:AT89S52的引脚图如图3-1系统时钟的反相放大器输出端,一般在设计上只 要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可 以在两引脚与地之间加入 20PF的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干 扰而死机。RESET:复位VCC:AT89S52电源正端输入,接+5V。VSS:电源地端。XTAL1:单芯片系
24、统时钟的反相放大器输入端。XTAL2:AT89S52的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对 此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89s51便能完成系 统重置的各项动作,使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至 地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。(T2)P1.0E(T2EX)P1.1CP1.2CP1.3E P14匚(MOSI)P1.5E(MISO)P1.6E(SCK)P1.7E RSTE(RXD)P3.0E(TXD)P3.1 E(INTO)P3.2E(1NTT)P3.3E(TO)P3.4E(T1)P3.5E(WR)P3.6 E(RD)P3.7E
25、XTAL2E XTAL1E GNDE1402393384A 375T鸡6357叱348S 339321031112 30122913281427152616251724182319222021 VCC PO.O(ADO)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)日WPPAL日PROS PSEN P2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)图3-1 AT89s52的引脚EA/Vpp:EA为英文External Acce
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