基于單片機(jī)的電表電量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 摘要 基于單片機(jī)的電表電量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，隨之而來(lái)我國(guó)居民的用電量也在每天不斷增加。并且，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，把單片機(jī)作為主要控制芯片的電能表的生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模。論文在對(duì)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行理論研究和電能計(jì)算方法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)，進(jìn)行電表電量采集系統(tǒng)。整體硬件電路將采用模塊化設(shè)計(jì)，方便快速。在系統(tǒng)中可以采集8戶民用電量。本文采用雙積分a/d轉(zhuǎn)換器，相比于逐次比較器而言，雙積分a/d轉(zhuǎn)換器更加穩(wěn)定，但缺點(diǎn)就是速度較慢，所以來(lái)說(shuō)更適合民用電表。本文中對(duì)電量進(jìn)行處理之后，將其存儲(chǔ)在中，使用多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行8路的模擬信號(hào)的

2、分時(shí)采集。并且系統(tǒng)5s采集一次數(shù)據(jù)，通過(guò)led循環(huán)顯示各路電量數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：電能計(jì)量，89c51，信號(hào)處理金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 abstract electricity meter based on single chip computer data acquisition system abstract with the development of economy and the increasement of the electrical quantitywith the development of single chip technology,the research of el

3、ectronic meter is produced in a huge rangethe paper is based on the research of electric energy measurement theory and digital signal processing theory,using single-chip technology to design this system.the peripheral hardware adopted module design.we can collect in the system 8 civilian power.this

4、article adopts double integral a/d converter,because the double integral is stability, but slower.so it is more appropriate used for civilian electricity. in this article, power will be storaged in .and multi-channel analog signals use multi-channel analog switch, points acquisition.system can cycle

5、 through the power of all the data.keywords : electric energy measurement；89c51；signal processing1 緒論1.1課題背景及意義單片機(jī)的出現(xiàn)是微電子技術(shù)和超大集成電路蓬勃發(fā)展所帶來(lái)的，而這一出現(xiàn)正在引起測(cè)量控制領(lǐng)域的新改變。隨著技術(shù)的快速發(fā)展和不斷的更新?lián)Q代，智能電表在儀器儀表的應(yīng)用越來(lái)越廣。因此，這是一個(gè)有著蓬勃發(fā)展的歷程和有著廣闊前景的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。放眼未來(lái)，在各個(gè)方面，智能電表這種新型的工具有著非常的重要的用處。作為電能計(jì)量專用工具的電能表，關(guān)系著我們每家每戶的切身利益。然而我國(guó)大部分地區(qū)廣泛使用的

6、是還是傳統(tǒng)的老舊的非常不穩(wěn)定的感應(yīng)式機(jī)械表，而且一些只具的備單一的電能計(jì)量功能。抄表時(shí)還在采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，不具備遠(yuǎn)程控制的和分時(shí)計(jì)量的功能，所以在現(xiàn)在這種信息化，網(wǎng)絡(luò)化，現(xiàn)代化的今天，手工抄表嚴(yán)重制約了供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理。正是由于以上背景，智能電度表應(yīng)運(yùn)而生。也因此，我萌生使用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電量采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、計(jì)算電量。作為一種特殊的儀器測(cè)量電表，一直以來(lái)的歷史誕生100年。隨著電力系統(tǒng)的不斷完善和相關(guān)產(chǎn)業(yè)以及能源管理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和電能表也經(jīng)歷了不斷更新，優(yōu)化開(kāi)發(fā)流程的物業(yè)發(fā)展：從最初的感應(yīng)式電能表，感應(yīng)系統(tǒng)，脈沖功率的后期發(fā)展表，到現(xiàn)在為止純電子式電能表。形成在制成的力

7、的金屬盤(pán)使用磁場(chǎng)的原理與感應(yīng)電流的交變磁場(chǎng)感應(yīng)的電能表的系統(tǒng)。儀表傳感系統(tǒng)仍然采用脈沖感應(yīng)系統(tǒng)，電表測(cè)量機(jī)構(gòu)為災(zāi)后重建工作，由光電傳感器的脈沖能量轉(zhuǎn)換完成，那么靜態(tài)電子脈沖處理電路，可實(shí)現(xiàn)電能的測(cè)量。純電子式電能表原理是利用電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，所以電子式電能表的共同特點(diǎn)是利用一個(gè)乘法器，基于乘數(shù)是依靠模擬或數(shù)字到模擬乘法器的電子式電能表和數(shù)字乘數(shù)電子式電能表。電源管理的現(xiàn)代化，需要訪問(wèn)大量的信息功率表，功率表的同事決定，而且還具有雙向通信，如數(shù)字乘法器功率計(jì)是由微處理器核心，它很容易擴(kuò)展功能，方便，配電自動(dòng)化系統(tǒng)集成。1.2本文的主要工作本文主要介紹了一個(gè)電表電量采集系統(tǒng)，可以采集8戶民用

8、電量。采用雙積分a/d轉(zhuǎn)換器，相比于逐次比較器而言，雙積分a/d轉(zhuǎn)換器更加穩(wěn)定，但缺點(diǎn)就是速度較慢，所以來(lái)說(shuō)更適合民用電表。本文中對(duì)電量進(jìn)行處理之后，將其存儲(chǔ)在中，使用多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行8路的模擬信號(hào)的分時(shí)采集。并且系統(tǒng)5s采集一次數(shù)據(jù)，通過(guò)led循環(huán)顯示各路電量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)將從硬件和軟件方面出發(fā)：在硬件上，選擇at89c51單片機(jī)，通過(guò)icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器采集模擬信號(hào)，并通過(guò)max7221驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)led。在軟件上，研究電能處理算法，并用c語(yǔ)言程序來(lái)設(shè)計(jì)和編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電能處理算法。最后使用keil仿真軟件和proteus isis進(jìn)行聯(lián)合仿真，測(cè)試電路能否順利運(yùn)行。金陵科技學(xué)

9、院學(xué)士學(xué)位論文 第2章 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)本章主要介紹了系統(tǒng)的整體框圖，以及主要部分芯片的選擇比如單片機(jī)芯片at89c51、a/d轉(zhuǎn)化芯片icl7135、功率采集部分簡(jiǎn)介以及部分外圍電路。2.1系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖如下圖2-1所示。主要是220v交流電壓經(jīng)過(guò)霍爾轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)8路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇,信號(hào)放大，然后輸入a/d轉(zhuǎn)換器中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器之后進(jìn)行a/d裝換，并將處理的結(jié)果保存到存儲(chǔ)芯片中，在數(shù)碼管上循環(huán)顯示各戶用電量。圖2-1 整體電路框圖2.2 at89c51單片機(jī)選擇與簡(jiǎn)介本次設(shè)計(jì)選擇是美國(guó)的atmel公司生產(chǎn)的8位cmos at89c51。這款單片機(jī)性能高，電壓低，特

10、點(diǎn)顯著。片內(nèi)含有的大小為4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器flash。器件采用的是atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)的技術(shù)生產(chǎn)，還兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51系統(tǒng)指令，片內(nèi)置通用flash存儲(chǔ)單元和8位中央處理器。at89c51單片機(jī)的引腳如圖2-2所示，其封裝如圖2-3所示。 圖2-2 at89c51引腳圖 圖2-3 at89c51的封圖2.3a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇與簡(jiǎn)介a/d數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是本設(shè)計(jì)中的重要組成部分?，F(xiàn)在市面上的a/d轉(zhuǎn)換器大概有逐次逼近型，雙積分型，-型a/d轉(zhuǎn)換器等不同種類，下面將簡(jiǎn)要介紹雙積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器和逐次型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。首先介紹雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器。它是一種間接轉(zhuǎn)換式

11、的a/d轉(zhuǎn)換器，又稱雙斜積分a/d轉(zhuǎn)換器。雙積分a/d轉(zhuǎn)換器的工作基本原理是把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓裝換成與之成比例的時(shí)間間隔，并在間隔時(shí)間內(nèi)，用恒定的頻率脈沖去計(jì)數(shù)，即可把時(shí)間間隔裝換成數(shù)字。時(shí)間間隔與輸出數(shù)字也成比例，常稱為模擬電壓-時(shí)間間隔-數(shù)字量裝換原理。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器原理圖如圖2-4所示。 圖2-4 雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器原理圖而其他的常見(jiàn)a/d轉(zhuǎn)換器還有逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，它是一種反饋比較型a/d轉(zhuǎn)換器。當(dāng)啟動(dòng)脈沖有效時(shí)，a/d轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作。在脈沖時(shí)鐘信號(hào)的作用下，控制邏輯電路首先將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)最高位置置“1”，然后這個(gè)數(shù)據(jù)被送入a/d轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬

12、電信號(hào)vf再送入電壓比較器中與輸入的模擬電壓信號(hào)vi進(jìn)行比較。這時(shí)如果vivf，說(shuō)明這個(gè)字量信號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)太小，這是最高位的“1”任然保留；反之，如果vivf，則說(shuō)明轉(zhuǎn)換后的模擬電信號(hào)大于輸入信號(hào)，這是最高位將清零。緊接著控制邏輯電路在對(duì)數(shù)據(jù)寄存器中的次高置位“1”，在進(jìn)行完d/a轉(zhuǎn)換后與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)決定改為上的“1”是否保留。依次類推，通過(guò)8次比較之后，數(shù)據(jù)寄存器將保存一個(gè)與模擬輸入相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)：對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的要求不是很高；對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求很高的情況。icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器具有精度高，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。所以選擇icl7135為這次設(shè)

13、計(jì)的a/d轉(zhuǎn)換器。icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器是美國(guó)的intersil公司研發(fā)的雙積分a/d轉(zhuǎn)換器，其具有4位半的精度，能夠進(jìn)行自動(dòng)校零，具有單基準(zhǔn)電壓功能，可以自動(dòng)極性輸出，還能夠動(dòng)態(tài)字位掃描bcd碼并輸出。icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器的引腳如圖2-5所示。其封裝圖如圖2-6所示。 圖2-5 icl7135引腳圖 圖2-6 icl7135封裝圖icl7135引腳功能及含義如下：-v：icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器負(fù)電源引入端；+v：icl7135 a/d轉(zhuǎn)換器正電源引入端；dgnd：數(shù)字地；ref：參考電壓輸入口；ac：模擬地；inhi：模擬輸入正端；inlo：模擬輸入負(fù)端。b1b8：b8是b

14、cd碼輸出的最高位，b1是最低位；d5：是萬(wàn)位選通端口；d4d1：bcd碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，分別選通千、百、十、個(gè)位。2.4功率采集選擇與簡(jiǎn)介霍爾器件是半導(dǎo)體材料磁電轉(zhuǎn)換器件。它具有如下性質(zhì)：如果輸入端有控制電流ic，當(dāng)有一磁場(chǎng)b的穿過(guò)該器件感磁面時(shí)，會(huì)在輸出端處出現(xiàn)霍爾電勢(shì)vh。霍爾元件如下圖2-7所示。2-7 霍爾元件示意圖霍爾電勢(shì)vh的大小與控制電流ic和磁通密度b的乘積成正比。 霍爾效應(yīng)，指的是這樣一的種物理現(xiàn)象：如果把通有的電流i的導(dǎo)體放在垂額的直于它的磁場(chǎng)中，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)體的兩側(cè)即p1、p2會(huì)產(chǎn)生一電勢(shì)差uh，它的大小與電流的i及磁感應(yīng)強(qiáng)度b成正比，與導(dǎo)體厚度d成反比，即

15、：uhk*（ib/d），式中k為霍爾系數(shù)?；魻栂禂?shù)越大，表明霍爾效應(yīng)越明顯。所以人們常會(huì)利用某些半導(dǎo)體材料顯著的霍爾效應(yīng)來(lái)制成直流和低頻磁場(chǎng)/電壓變換器。 交流信號(hào)使用正弦表示時(shí)，當(dāng)負(fù)載電壓為則負(fù)載電流為4磁感應(yīng)強(qiáng)度為所以，其中，為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，為電路轉(zhuǎn)換系數(shù)，為線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的系數(shù)。濾除二次諧波后輸出電壓與有功功率成正比，電能 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第3章 硬件電路的設(shè)計(jì) 3硬件電路的設(shè)計(jì)本章主要包括單片機(jī)的外圍電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路、時(shí)鐘電路；a/d積分電路的設(shè)計(jì)與單片機(jī)如何相連、時(shí)鐘信號(hào)如何產(chǎn)生；數(shù)碼管如何顯示max7221的連接，數(shù)碼管的連接。3.1單片機(jī)的外圍電路本設(shè)計(jì)中

16、除了單片機(jī)與a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇外，外圍電路也需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。外部的電路有：復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、恒壓源電路、信號(hào)前處理電路、多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)芯片等。下面就對(duì)這些外圍的硬件進(jìn)行介紹。3.1.1復(fù)位電路單片機(jī)與其他微處理器一樣，當(dāng)給單片機(jī)上電那一瞬間，電壓有在幾微秒內(nèi)（有的是幾毫秒內(nèi)）不是直接跳變到5v的而是一個(gè)直線上升的階段，所以啟動(dòng)時(shí)都要復(fù)位，使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從rst引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如rst引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），則cpu就

17、可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。單片機(jī)的高電平復(fù)位電路圖如3-1（b）所示。本次復(fù)位電路中，加電瞬間電容通過(guò)充電。在通電瞬間，電容c通過(guò)電阻r充電，rst端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。按鍵復(fù)位是通過(guò)一按鈕開(kāi)關(guān)使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，一般是通過(guò)手動(dòng)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位操作有兩種方式：有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵復(fù)位是通過(guò)一按鈕開(kāi)關(guān)使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，一般是通過(guò)手動(dòng)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按鍵復(fù)位電路如圖3-1（a）所示。 (a) 按鍵復(fù)位電路 （b） 高電平復(fù)位電路圖3-1復(fù)位電路3.1.2時(shí)鐘電路89c51內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩

18、器。反相放大器的輸入端為xtal1，輸出端為xtal2，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激放大器。電容常取30pf左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。時(shí)鐘信號(hào)頻率常用fosc表示。一般情況下，at89c51的時(shí)鐘頻率為12mhz，那么單片機(jī)的時(shí)鐘周期為1/12s。單片機(jī)的外部振蕩電路圖如圖3-2所示。 圖3-2外部振蕩電路單片機(jī)整體電路圖如圖3-3表示。圖3-3單片機(jī)電路圖3.1.3信號(hào)的前處理外部電壓經(jīng)過(guò)霍爾元件處理后，得到的霍爾電動(dòng)勢(shì)很微弱，一般只有20mv左右，而且具有二次諧波。所以必須經(jīng)過(guò)放大、濾波，使信號(hào)更大，并且清晰，這樣電路才能進(jìn)行處理，將它能送到a/d轉(zhuǎn)換器中。

19、對(duì)輸出信號(hào)的放大可以選用放大器ad620。ad620原理圖如3-4所示。引腳圖如圖3-5所示。信號(hào)放大之后還要進(jìn)過(guò)濾波處理。讓放大的信號(hào)可以進(jìn)過(guò)巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾除，去除其中的二次諧波。而多路信號(hào)采集則需要使用多路模擬開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)單片機(jī)的控制來(lái)分時(shí)采集多路模擬信號(hào)。 圖3-4 ad620放大器原理圖 圖 3-5 ad620引腳圖3.1.4恒壓源電路穩(wěn)定的電源可以為使信號(hào)穩(wěn)定的輸入到a/d轉(zhuǎn)換器中。因此恒壓源電路是一個(gè)要能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的電流而且要保證保證其它電路也能夠穩(wěn)定工作的必不可少的重要部分?？梢赃x擇tl431構(gòu)成2.5v的恒壓源選擇器件。tl431是德州儀器公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)源，有良

20、好的熱穩(wěn)定性能，具有三端可調(diào)的分流式基準(zhǔn)源。它的輸出電壓可以使用電阻來(lái)調(diào)節(jié)，并且可以設(shè)置2.5v到36v范圍內(nèi)的任何值。tl431內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示，其封裝如圖3-7所示。 圖3-6 tl431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-7 tl431的封裝圖本課程設(shè)計(jì)中根據(jù)icl7135芯片的輸入電壓來(lái)看，恒壓源應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)2.5v。這次我選用tl431組成2.5v的恒壓源，電路組成如圖3-8所示。tl431的輸入電壓應(yīng)當(dāng)在2.5v到36v范圍內(nèi)。因此只要r3滿足如下公式3-1所示。 （3-1）其中恒壓源電壓輸出為vout，r1和r2的電阻大小決定vout。如下公式3-2所示。 （3-2）我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)r1,r

21、的值使vout值變?yōu)?.5v，達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。 圖3-8 恒壓源電路連接圖 3.1.5多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)于八路模擬信號(hào)的選擇我選用cd4051芯片。cd4051芯片圖如3-9所示。cd4051內(nèi)部邏輯圖如3-10所示。 圖2-9 cd4051芯片圖 圖2-10 cd4051內(nèi)部邏輯圖cd4051相當(dāng)于一個(gè)單8通道數(shù)字的控制模擬電子開(kāi)關(guān)，有a、b和c三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端的以及inh共4個(gè)輸入。由輸入3位地址碼abc來(lái)決定開(kāi)關(guān)要接通哪個(gè)的通道。其中要注意的是引腳中inh是禁止輸入端，當(dāng)“inh”=1時(shí)，各通道均不會(huì)被接通。cd4051的真值表如3-1所示。表3-1 cd4051真值表數(shù)據(jù)輸

22、入通道選擇inhcba輸出0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0111“7”0110“6”1xxx均不接通3.1.6存儲(chǔ)芯片cat24wc16是一個(gè)16k位串行cmos e2prom 內(nèi)部含有2048個(gè)8位字節(jié)。該存儲(chǔ)芯片有一個(gè)16 字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器該器件，并由i2c總線接口進(jìn)行操作。它與400khz i2c總線兼容；1.8到6.0伏工作電壓范圍；低功耗cmos技術(shù)；具有寫(xiě)保護(hù)功能：當(dāng)wp變?yōu)楦唠娖綍r(shí)進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)；有頁(yè)寫(xiě)緩沖器；可以自定時(shí)擦寫(xiě)周期；1,000,000編程/擦除周期；可保存數(shù)據(jù)100年；是8腳dipsoic或tssop封裝。cat2

23、4wc16 的管腳配置和管腳描述如圖3-11所示。 圖3-11 cat24wc16管腳配置和管腳描述圖在實(shí)際連接中，如圖3-12所示。sck與sda引腳需要接高電平，wp引腳則接地。sck與sda引腳和單片機(jī)的p3.0口，p3.1口相連。符合i2c協(xié)議，通過(guò)i2c與單片機(jī)相連圖3-12 24c16與單片機(jī)連接圖3.2a/d積分電路3.2.1icl7135參考電壓聯(lián)線icl7135是美國(guó)maxin公司生產(chǎn)的一種常用的，4位半的雙積分a/d轉(zhuǎn)換芯片，它可以轉(zhuǎn)換輸出20000個(gè)數(shù)字量，而且芯片抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、價(jià)格低廉。芯片采用了自動(dòng)校零技術(shù)，可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是差動(dòng)

24、信號(hào)，輸入主抗極高。圖3-13所示是icl7135的vref引腳的外圍電路圖。vref是基準(zhǔn)電壓，其值為vin /2。vref的穩(wěn)定性對(duì)a/d轉(zhuǎn)換精度有很大影響，應(yīng)采用高精度穩(wěn)壓源。這里的基準(zhǔn)電壓是1v。即參考電壓v如下公式3-3所示。 （3-3）其中vin代表的是輸入電壓，如圖3-14所示為積分電路的連接。積分電路與icl7135的intout、azin、bufout端相連。當(dāng)做積分電阻、電容以及校零電容。圖3-13 ref的外圍電路 圖3-14積分電路3.2.2icl7135與單片機(jī)連線一般采用兩種方法將icl7135與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接。一是并行采集方式：二是串聯(lián)采集方式。其中如果我們使

25、用icl7135的并行采集方式，我們又會(huì)有有兩種接線的方法：一種是9線連接，還有一種是6線連接。如圖3-15所示是9線連接，用到icl7135芯片的pol端，over端，under端。其中的pol端是極性輸出端。在輸入信號(hào)是雙極性時(shí)可以與單片機(jī)的與p1.5口相連，而當(dāng)輸入信號(hào)是單極性信號(hào)時(shí)，可以不接。over端是過(guò)量程端，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)轉(zhuǎn)換器技術(shù)范圍（19999）時(shí)，該端輸出高電平。under端是欠量程端，當(dāng)輸入信號(hào)小于量程的9%（1800）時(shí)，該端輸出高電平。一般情況下如果用不到pol端，over端，under端，而且單片機(jī)的i/o接口有限，我們還可以可采用6線連接方法。六線連接如圖3-16

26、所示。其中st端口是選通脈沖輸出端口。脈沖寬度是時(shí)鐘脈沖的1/2。a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束了，該端輸出5個(gè)負(fù)脈沖，分別選通高位到低位的bcd碼輸出。 圖3-15 icl7135與89c51九線連接圖 圖3-16 icl7135與89c516線連接圖還可以采用串行連接。icl7135與單片機(jī)的串行連接，可以通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)計(jì)脈沖數(shù)。我們可以利用at89c51單片機(jī)的ale信號(hào)作為icl7135的脈沖（clk）輸入。通過(guò)查閱資料我們發(fā)現(xiàn)測(cè)量脈沖和數(shù)據(jù)記錄之間存在比例關(guān)系。其比例關(guān)系如下公式所示： ( 3-4） (3-5） (3-6） （3-7）其中，fosc為系統(tǒng)晶振的的頻率；ftime為定時(shí)器所用頻率

27、；freal為icl7135的測(cè)量脈沖頻率；ficl為icl7135所用的輸入頻率，fale為單片機(jī)ale輸出的頻率；該頻率可通過(guò)對(duì)單片機(jī)的輸出頻率fale分頻得到。串行連接如圖3-17所示。由上面的公式比率關(guān)系可知，icl7135的測(cè)量脈沖頻率是at98c51的定時(shí)器所用的頻率的一半。因此，icl7135的測(cè)量脈沖也是定時(shí)器所記錄的脈沖數(shù)的一半。這次設(shè)計(jì)用的是c語(yǔ)言，可以采用軟件編程來(lái)控制單片機(jī)的ale輸出?；蛘呶覀冞€可以要通過(guò)分頻來(lái)處理。系統(tǒng)中a/d轉(zhuǎn)換器icl7135所需的時(shí)鐘是通過(guò)單片機(jī)的ale信號(hào)進(jìn)過(guò)分頻得到的。單片機(jī)的頻率為12mhz，ale的頻率為2mhz，而icl7135所需的

28、時(shí)鐘需要125khz,則需要16分頻。在此選用計(jì)數(shù)器74ls163實(shí)現(xiàn)16分頻。74ls163是一個(gè)4位同步二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，具有加載端和清零端。74ls163的時(shí)鐘為clk，由單片機(jī)ale提供。74ls163內(nèi)部有4個(gè)d觸發(fā)器，q0，q1，q2，q3，分別可以做2分頻、4分頻、8分頻和16分頻。在本次畢設(shè)中采用74ls163來(lái)進(jìn)行16分頻。電路圖如3-18所示。 圖3-17 串行連接圖 圖3-18 74ls16316分頻連接圖3.3數(shù)碼管顯示電路3.3.1max7221連接max7221是maxim（美信）公司專為led顯示驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的串行接口八位led顯示驅(qū)動(dòng)芯片.該芯片包含有七段譯碼器

29、、位和段驅(qū)動(dòng)器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、亮度脈寬調(diào)節(jié)器及多個(gè)特殊功能寄存器.。該芯片采用串行接口方式，可以很方便地和單片機(jī)相連，未經(jīng)擴(kuò)展最多可用于8位數(shù)碼顯示或64段碼顯示.經(jīng)實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，該芯片具有占用單片機(jī)i/o口少（僅三線）、顯示多樣、可靠性高、簡(jiǎn)單實(shí)用、編程靈活方便的特點(diǎn).max7221引腳圖見(jiàn)圖3-19。封裝圖如圖3-20。該芯片采用串行接口方式，具有占用單片機(jī)i/o口少（僅三線）、顯示多樣、可靠性高、簡(jiǎn)單實(shí)用、編程靈活方便的特點(diǎn)。 圖3-19 max7221引腳圖 圖3-20 max7221封裝圖串行數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)，此時(shí)的cs端口必須為低電平，din送入一個(gè)16 位的數(shù)據(jù)包，

30、并在每個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)存入內(nèi)部，芯片內(nèi)部具有16位移位寄存器，數(shù)據(jù)經(jīng)16.5個(gè)周期后，在時(shí)鐘的下降沿由dout引腳輸出。16位數(shù)據(jù)d0d15 的排列見(jiàn)表3-1。其中d0d7 儲(chǔ)存的是數(shù)據(jù)信息，d8d11中儲(chǔ)存的是寄存器地址，d12d15為未定義位。當(dāng)max7221芯片開(kāi)始接受數(shù)據(jù)時(shí)，d15位上的信息首先接受，最后接受的是d0。因此，在程序發(fā)送時(shí)必須先送高位數(shù)據(jù)，再循環(huán)移位。表3-1 max7221地址排列順序表d15d14d13d12d11d10d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0xxxx地址數(shù)據(jù)max7221電路簡(jiǎn)單，與單片機(jī)采用spi總線方式通信，只要3根信號(hào)線。原理圖3-21所示。 圖

31、3-21 max7221連接圖3.3.2數(shù)碼管的連接本系統(tǒng)中采用8位共陰極數(shù)碼管顯示，驅(qū)動(dòng)芯片選用max7221芯片，可以自動(dòng)動(dòng)態(tài)掃描，減少cpu負(fù)擔(dān)。其連接如圖3-22所示。圖3-22 數(shù)碼管的連接金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第4章 軟件電路的設(shè)計(jì) 4軟件電路的設(shè)計(jì)本章主要介紹主程序、8路a/d轉(zhuǎn)換、電量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換為電度的主要思想。4.1主程序流程圖這次設(shè)計(jì)用的是c語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。c語(yǔ)言的可移植性，已經(jīng)成為使用最廣泛的幾種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在世界上。因?yàn)閗eil軟件中，與匯編相比，c語(yǔ)言函數(shù)，結(jié)構(gòu)，可讀性，可維護(hù)性有明顯的優(yōu)勢(shì)，且易于使用。所以本次使用c語(yǔ)言編程，使用keil軟件來(lái)進(jìn)行編譯，調(diào)試。系統(tǒng)

32、的主程序流程圖如圖4-1所示，主要是初始化完成后等待5s時(shí)間到，啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換，采集8路電量信號(hào)。 圖4-1主程序流程圖4.2 8路信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換流程圖8路電量采集于a/d轉(zhuǎn)換的程序如圖4-2所示。8路電量信號(hào)依次輸入，通過(guò)忙端檢測(cè)是否轉(zhuǎn)換完成，動(dòng)態(tài)讀取萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位的轉(zhuǎn)換標(biāo)志和bcd碼數(shù)據(jù)。圖4-2 路信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換流程圖4.3電量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換為電度的程序流程圖 電量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換為電度的程序流程如圖4-3所示。每5s采集的電量存儲(chǔ)在24c16中，每1min，把電量轉(zhuǎn)化為電度，也儲(chǔ)存在24c16中。 圖4-3 電量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換為電度的程序流程圖金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第5章 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

33、5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論5.1proteus與keil簡(jiǎn)介proteus7.0 是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，非常不錯(cuò)?？梢苑抡?51 系列、avr，pic 等常用的 mcu 及其外圍電路（如lcd，ram，rom，鍵盤(pán)，馬達(dá)，led，ad/da，部分spi器件，部分iic 器件等等）。keil c51軟件我們可以通過(guò)它來(lái)編寫(xiě)和調(diào)試單片機(jī)程序。keil c51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯，編譯，仿真于一體，支持匯編,plm 語(yǔ)言和 c 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。5.2keil與proteus聯(lián)調(diào) 1. 假若keil c51與proteus均已正確安裝在c:pro

34、gram files的目錄里，把c:program fileslabcenter electronicsproteus7 professionalmodelsvdm51.dll復(fù)制到c:program fileskeilcc51bin目錄中，如果沒(méi)有“vdm51.dll”文件，可以下載一個(gè)或從別人電腦中拷貝一個(gè)。2. 用記事本打開(kāi)d:program fileskeilcc51tools.ini文件，在c51欄目下加入：tdrv5=binvdm51.dll (proteus vsm monitor-51 driver)。其中“tdrv5”中的“5”要根據(jù)實(shí)際情況寫(xiě)，不要和原來(lái)的重復(fù)即可。3. 需

35、要設(shè)置keil c的選項(xiàng)單擊“project菜單/options for target”選項(xiàng)或者點(diǎn)擊工具欄的“option for target”按鈕 ，彈出窗口，點(diǎn)擊“debug”按鈕。出現(xiàn)如圖5-1所示keil uvision2 選項(xiàng)設(shè)置。在出現(xiàn)的對(duì)話框里在右欄上部的下拉菜單里選中“proteus vsm monitor一51 driver”。還要選中“use”。再點(diǎn)擊“setting”按鈕，設(shè)置通信接口，在“host”后面添上“127.0.0.1”。最后將工程編譯，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，并運(yùn)行。設(shè)置完之后，請(qǐng)重新編譯、鏈接、生成可執(zhí)行文件。圖5-1 keil uvision2 選項(xiàng)設(shè)置圖5.3仿

36、真結(jié)果展示根據(jù)原理圖搭好電路圖后，進(jìn)行仿真，并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電路圖如圖5-2所示。圖5-2硬件仿真圖5.3.1初始電路顯示開(kāi)機(jī)后數(shù)碼管初始顯示07。如下圖5-3所示。5-3數(shù)碼管初始顯示值圖5.3.2 5s后各通道電量采集顯示初始化之后數(shù)碼管上先顯示“0-8”，然后等待5秒，啟動(dòng)icl7135 進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，循環(huán)采集8路電量信號(hào)。每5s采集一次。各通道采集結(jié)果如下圖5-4到5-11所示。其中p表示正極性。最后一位表示戶號(hào)。圖5-4 第一戶電量采集圖 圖5-5 第二戶電量采集圖圖5-6第三戶電量采集圖 圖5-7第四戶電量采集圖 圖5-8第五戶電量采集圖 圖5-9第六戶電量采集圖 圖5-10 第

37、七戶電量采集圖 圖5-11第八戶電量采集圖5.4結(jié)論5.4.1結(jié)果與問(wèn)題從仿真結(jié)果中可以看出，本次仿真完成了8路的電量的采集，并循環(huán)顯示出來(lái)。完成了任務(wù)書(shū)中交代的內(nèi)容。同時(shí)，本次畢設(shè)中也存在著一些問(wèn)題，特別是前端的220v電量的處理沒(méi)能實(shí)現(xiàn)功能。主要是采用霍爾元件的方法，難度太大，沒(méi)能成功實(shí)現(xiàn)，只是對(duì)后期的電路進(jìn)行了仿真。5.4.2心得與體會(huì)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我選擇了基于單片機(jī)的電量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的題目，前期處理我遇到了問(wèn)題，從普通的居民用電轉(zhuǎn)化到能被單片機(jī)采集并處理。是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在這邊我只能理清楚原理，還不能進(jìn)行實(shí)際的操作。對(duì)于后期的信號(hào)的a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)碼管顯示，我進(jìn)

38、行了操作。本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我對(duì)單片機(jī)有了更深的理解。并且了解了各種芯片的使用，比如max7221，icl7135等。同時(shí)也見(jiàn)識(shí)到了仿真軟件的使用。經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多的東西，我不僅對(duì)at89c51的單片機(jī)熟悉了，還明白了a/d轉(zhuǎn)換的知識(shí)。對(duì)c語(yǔ)言的使用更加熟練。在這次課設(shè)中我也明白了很多，任何項(xiàng)目在實(shí)際生產(chǎn)中要考慮的只會(huì)更多。任何芯片的選擇都要仔細(xì)思考，方案要經(jīng)過(guò)仔細(xì)論證才能行得通。這對(duì)于我以后工作生活有莫大幫助。在做設(shè)計(jì)時(shí)有很多感慨，我總是發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)不夠用，有些后悔大學(xué)時(shí)候沒(méi)有認(rèn)真學(xué)習(xí)。本科畢業(yè)時(shí)，應(yīng)該是我們能夠掌握一門(mén)基本的知識(shí)。有一個(gè)技能。而畢業(yè)設(shè)計(jì)就是檢驗(yàn)我們的成果

39、的時(shí)候。這時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)的淺薄，也是亡羊補(bǔ)牢，為時(shí)不晚。在畢設(shè)中我發(fā)現(xiàn)自己的問(wèn)題還是很多，比如說(shuō)有時(shí)候一個(gè)很簡(jiǎn)單的問(wèn)題也需要想很久，有時(shí)候明明知道是學(xué)過(guò)的知識(shí)就是應(yīng)用不起來(lái)。我知道這都是對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)不夠認(rèn)真。沒(méi)能徹底的學(xué)習(xí)好。對(duì)此，我要感謝我的指導(dǎo)老師鄧?yán)蠋?，我不懂的?wèn)題總是找他求解。他總是耐心的給我講解，找了大批資料給我。對(duì)這些問(wèn)題我才能很快的明白。我開(kāi)始想要做實(shí)物的，但由于時(shí)間不夠，但應(yīng)該說(shuō)，因?yàn)槲业暮芏嘀R(shí)是不夠的，你不能在這個(gè)時(shí)候做，只能使用模擬來(lái)看看效果。我知道為了使知識(shí)應(yīng)該是開(kāi)放的好東西的設(shè)計(jì)，別看只是書(shū)本知識(shí)。然而，它書(shū)本知識(shí)是很重要的，但仍不足以使一個(gè)低成本，高效率，高精度的產(chǎn)品。在實(shí)踐中，才發(fā)現(xiàn)進(jìn)步，我也明白，只有你自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。真正學(xué)到一些東西。這樣的設(shè)計(jì)也激發(fā)了我更加想要學(xué)