基于单片机的电力数据采集系统设计.docx
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基于单片机的电力数据采集系统设计
毕业设计说明书
基于单片机的电力数据采集系统设计
22222
信息商务学院
学生姓名:
学号:
自动控制系
学院:
电气工程及其自动化
系别:
专业:
指导教师:
基于单片机的电力数据采集系统设计
摘要
本文介绍了基于单片机的电力数据采集的硬件设计和软件设计,电力数据采集系统是电力模拟域与数字域之间必不可少的纽带,它的存在具有着非常重要的作用。
本文介绍的重点是电力数据采集系统,而该系统硬件部分的重心在于单片机。
数据采集与通信控制采用了单片机STC89C52来实现,硬件部分是以单片机为核心,还包括A/D模数转换模块,显示模块,USB接口和串行接口部分。
该系统从机负责数据采集并应答主机的命令。
8路被测电压通过模数转换器PCF8591进行模数转换,实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换,并将转换后的数据通过USB-UART转换电路PL2303传输到上位机,由上位机负责数据的接受、处理和显示,并用LED数码显示器来显示所采集的结果。
软件部分应用KeilUvision3编写控制软件,对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。
关键词:
单片机,数据采集,STC89C52,PCF8591
BasedMicrocontrollerOfDataAcquisitionSystemDesignPower
Abstract
Thisarticledescribesthehardwaredesignandsoftwaredesignofthedataonwhichbasedonsignal-chipmicrocomputer.Thedatacollectionsystemisthelinkbetweenthedigitaldomainandanalogdomain.Ithasanveryimportantfunction.Theintroductivepointofthistextisadatatocollectthesystem.Thehardwareofthesystemfocusesonsignal-chipmicrocomputer.Datacollectionandcommunicationcontrolusemodulardesign.ThedatacollectedtocontrolwithcorrespondencetoadoptamachineSTC89C52tocarryout.Thepartofhardware’scoreisSCM,isalsoincludesA/Dconversionmodule,displaymodule,andtheserialinterface.Slavemachineisresponsiblefordataacquisitionandansweringthehostmachine.8roadsweremeasuredtheelectricvoltagetopasstheingeneralusemold-fewconversionofPCF8591,therealizationcarriesontheconversionthatimitatestomeasurethenumeraltomeasuretowardsthedatathatcollect.ThensendthedatatothehostmachinethroughPL2303orRS-232.thehostmachineisresponsiblefordataanddisplay,LEDdigitaldisplayisresponsibledisplaythedata.ThesoftwareispartlyprogrammedwithKeiluvision3Thesoftwarecanrealizethefunctionofmonitoringandcontrollingthewholesystem.Itdesignsmuchprogramlikedata-acquisitiontreatment,data-displayanddata-communicationetc.
KeyWords:
SCM,Dataacquisition,STC89C52,PCF8591
1绪论
1.1研究背景及其目的意义
近年来,电力数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注,电力数据采集系统也有了迅速的发展,它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非成熟人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。
大概在60年代后期,国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统[1]。
20世纪70年代后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统,因而获得了惊人的发展[2]。
从70年代起,数据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,一类是工业现场数据采集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了很大的发展,开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类,一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。
这类系统主要应用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用[3]。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成,这一类在工业现场应用较多。
20世纪80年代后期,数据采集发生了很大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,是系统的成本减低,体积变小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统(DAS)。
数据采集技术已经成为一种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速组成一个新的系统[4]。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展,而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。
相较于数据采集板卡成本和功能的限制,单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点,而单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集,因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统[5]。
这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.2国内外研究现状
电力数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号,并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起始于20世纪中期,在过去的几十年里,随着信息领域各种技术的发展,在数据采集方面的技术也取得了长足的进步,采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。
各种领域都用到了数据采集,在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用[6]。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。
近年来,又成功研制了兼容性更强、低功耗可靠性、动态范围更大、线性度更高的TDE-324C型地震数据采集系统。
该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化,A/D采用同时采样,采样数据经DSP数字滤波处理后,变成数字地震信号[7]。
该数据采集系统具备24位A/D转化位数,采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统,它由3部分组成:
(1)传感器:
利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据;
(2)计算机接口:
将来自传感器的数据信号输入计算机,采样速率最高为25万次/S;
(3)软件:
中文及英文的应用软件。
受需求牵引,新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。
如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。
本系统采用16位(A/D)模拟数字变换,总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns,可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统[8]。
1.3该课题研究的主要内容
随着电力体制改革的深入和技术的进步,建立电力采集系统迫在眉睫。
电力采集系统作为电力营销系统和未来电网商业化运营的技术支持也将起到重要的作用。
电力采集系统主要由主站端计算机系统、厂站端电量采集器和信息通信网络3部分组成,它涉及到电子、计算机、通信、网络、电力系统等多方面的专业知识[9]。
电力数据采集系统的主要功能是实现对管辖范围内的电厂的电能量、供电局、供电所售电能量和一次网损电能量的自动采集和结算。
系统的考核不仅能区分峰、谷、平电能量。
而且,与周波高低,超受、少受、超发、少发挂钩。
通过计算机网络与其他电能采集系统交换电能量计量信息,与有关生产管理部门实现信息共享[10]。
国内外对电力数据采集器的研究有很多,很多公司和科研单位也有的做出了相应的通用型产品:
比如浙江丝绸工学院电工教研室刘建宁研制的数字功率表可以实现对电网中的电网中的电能或电机功率的测量。
有的则增加了一些功能如:
北航的自动化学院研制的多功能电力数据采集及处理终端,在实现电力数据采集的基础上,实现了谐波计算、无功补偿、数据显示和远程控制的功能。
也有一些是基于Windows或者是虚拟仪器家采集卡实现的等等[11]。
本文主要是在数据采集系统设计研究的基础上,通过对电力数据采集系统基本原理和控制方案的研究和分析,完成单片机控制系统及辅助电路设计。
系统由模拟量与开关量采集模块、通讯模块以及上位机人机交互模块组成,根据具体的控制要求完成控制电路和驱动设计及控制系统软件设计。
该系统采用的是STC89C52单片机,此芯片功能比较强大,能够满足设计要求。
1.4采用的方法
PCF8591模数转换器是8路8位AD,最大数位255,它外部有一个基准电压,调节所测电压范围,我们所测外部模拟电压范围为0-5V,0V对应为0,5V就对应255,外部所测电压经模数转换AD变化为数字量0-255,数码管显示此值为十进制转化值((AD/255)*5)。
然后通过PL2303或RS-232转换送到PC机上显示,显示界面为串口调试界面。
1.5实现步骤
用Protel99SE作图软件画出电路的PCB图和SCH图。
用KeilUvision3软件编写,通过串口调试助手将编写程序下载的主芯片中。
用LED显示所测电压值的数字量。
2开发环境及开发工具
在本设计中用到了Protel99SE对单片机板原理图元件库元件图、单片机板原理图、单片机板PCB图元件库元件图、单片机板PCB图进行了画图;用到了KeilUvision3编写了电压数据采集系统的代码,进行了编译并产生了一个HEX文件;用到了MicrosoftVisualStudio2005软件编写了一个PC机电压数值显示界面;同时还用到了串口调试助手V2.2选好COM口后就会显示电压数据的十六进制显示。
2.1Protel99se介绍
Protel99SE是ProkeTechnology公司基于Windows环境下开发的电路板设计软件。
该软件功能强大,人机界面友好,易学易用,是大中专院校电学专业必学课程,同时也是业界人士首选的电路板设计工具[12]。
Protel99SE由两大部分组成:
电路原理图设计(AdvancedSchematic)和多层印刷电路板设计(AdvancedPCB)。
其中AdvancedSchematic由两部分组成:
电路图编辑器(Schematic)和元件库编辑器(SchematicLibrary)。
按照系统功能来划分,Protel99SE主要包含以下俩大部分和6个功能模块。
1、电路工程设计部分
(1)电路原理设计部分(AdvancedSchematic99):
电路原理图设计部分包括电路图编辑器(简称SCH编辑器)、电路图零件库编辑器(简称Schlib编辑器)和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路原理图;更新和修改电路图零件库;查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表[13]。
(2)印刷电路板设计系统(AdvancedPCB99):
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器(简称PCB编辑器)、零件封装编辑器(简称PCBLib编辑器)和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路板;更新和修改零件封装;管理电路板组件。
(3)自动布线系统(AdvancedRoute99):
本系统包含一个基于形状(Shape-based)的无栅格自动布线器,用于印刷电路板的自动布线,以实现PCB设计的自动化。
2、电路仿真与PLD部分
(1)电路模拟仿真系统(AdvancedSIM99):
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器,可提供连续的数字信号和模拟信号,以便对电路原理图进行信号模拟仿真,从而验证其正确性和可行性。
(2)可编程逻辑设计系统(AdvancedPLD99):
可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器(Waveform)。
本系统的主要功能是;对逻辑电路进行分析、综合;观察信号的波形。
利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件,使数字电路设计达到最简化。
(3)高级信号完整性分析系统(AdvancedIntegrity99):
信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器,可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。
Protel99SE的功能特性:
●开放式集成化的设计管理体系
●超强功能的、修改与编辑功能
●强大的设计自动化功能
2.2KeilUvision3介绍
KeilSoftware公司推出的Uvision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE),该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。
除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外,Uvision3还提供了一个配置向导功能,加速了启动代码和配置文件的生成[14]。
此外其内置的仿真器可模拟目标MCU,包括指令集、片上外围设备及外部信号等。
Uvision3提供逻辑分析器,可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(Uvision3)将这些组合在一起[26]。
Uvision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持,包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x,以及Infin-eon的XC866等。
Keil有以下几个特点:
1、全功能的源代码编辑器;
2、器件库用来配置开发工具设置;
3、项目管理器用来创建和维护用户的项目;
4、集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用;
5、所有开发工具的设置都是对话框形式的;
6、真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器;
7、高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信[15]
2.3MicrosoftVisualStudio2005介绍
MicrosoftVisualStudio(简称VS)是美国微软公司的开发工具包系列产品。
VS是一个基本完整的开发工具集,它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具,如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等[16]。
所写的目标代码适用于微软支持的所有平台,包括MicrosoftWindows、WindowsMobile、WindowsCE、NETFramework、NETCompactFramework和MicrosoftSilverlight及WindowsPhone。
MicrosoftVisualStudio2005是基于NET2.0框架的。
它同时也能开发跨平台的应用程序,如开发使用微软操作系统的手机的程序等。
总体来说是一个非常庞大的软件,甚至包含代码测试功能。
这个版本的VisualStudio包含有众多版本,分别面向不同的开发角色[17]。
MicrosoftVisualStudio2005开发系统是一个完整的开发工具系列,旨在为MicrosoftWindows操作系统、Web和移动设备快速构建和部署各种应用程序。
MicrosoftVisualStudio2005产品能为各类开发人员提供更广阔的开发空间和更先进的设计体验。
其特点有:
1、支持VisualBasic、C#、C++和J#语言。
2、开发和部署基于客户端服务器结构的Windows应用程序、Web应用程序、SmartPhone和PocketPC应用程序。
3、几乎适用于任何类型应用程序的“拖放式”用户界面设计器。
4、包含一个用于测试Web应用程序的内置Web服务器,无需IIS。
5、支持母板页,用于跨Web应用程序维护一致的外观。
6、用于简单、直观地进行调试的“编辑并继续”功能。
3数据采集
3.1数据采集系统
数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
70年代初,随着计算机技术及大规模集成电路的发展,特别是微处理器及高速A/D转换器的出现,数据采集系统结构发生了重大变革。
原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。
由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,使系统的灵活性和可靠性大大地提高,系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低[18]。
完成毕业设计所需要的系统框图如图3.1所示:
图3.1系统框图
在该系统中需要将模拟量转换为数据量,而A/D是将模拟量转换为数字量的器件,需要考虑的指标有:
分辨率、转换时间、转换误差等等。
而单片机是该系统的基本的微处理系统,它完成数据读取、处理及逻辑控制,数据传输等一系列的任务。
在该系统中采用的是STC89C52单片机。
双机通信有两种方式:
RS-232标准接口串行通信和PL2303USB—UART通信,由芯片RS-232实现双机的通信。
而数据的显示则采用的是LED数码管,该器件比较简单,在生活中接触也较多。
数据采集系统一般由信号调理电路,多路切换电路,采样保持电路,A/D,单片机等组成。
3.2方案论证
3.2.1单片机的选择
单片机是一种面向大规模的集成电路芯片,是微型计算机中的一个重要的分支。
此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路(I/O口),还有可能包括定时/计数器、串行通信口、USB接口、显示驱动电路(LCD和LED驱动电路)、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上,构成了一个最小但完善的计算机任务。
单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序,再用KeilUvision3把程序下载到单片机内。
而本设计选用的是STC89C52。
3.2.2A/D模数转换的选择
A/D转换器的种类很多,就位数来说,可以分为8位、10位、12位和16位等。
位数越高其分辨率就越高,价格也就越贵。
A/D转换器型号很多,而其转换时间和转换误差也各不相同。
(1)逐渐逼近式A/D转换器:
它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器,其转换时间在几微秒到几百微秒之间。
(2)双积分A/D转换器:
它是一种间接式的A/D转换器,优点是抗干扰能力强,精度比较高,缺点是数度很慢,适用于对转换数度要求不高的系统。
(3)并行式A/D转换器:
它又被称为flash(快速)型,它的转换数度很高,但她采用了很多个比较器,而n位的转换就需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也很贵,只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域[19]。
鉴于上面三种方案,在价格、转换速度及应用程度等多种标准考量下,在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器——PCF8591。
3.2.3串行口的选择
串行口我选用了标准RS-232C接口,它是电平与TTL电平转换驱动电路。
常用的芯片是MAX232,MAX232的优点是:
(1)一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。
(2)单一电源+5V供电。
(3)它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。
我们还采用了USB--UART转换电路进行通行,USB接口既可以为单片机提供电源也可以实现单片机与PC机的的连接从而实现电压值的接受与转换。
3.2.4LED显示部分
LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。
它使用了8个LED显示管,其中7个用于显示字符,1个用来显示小数点,故通常称之为八段发光二极管数码显示器。
对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。
LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。
在单片机中,为了节省硬件资源,多采用动态扫描显示法[20]。
3.2.5按键
单片机中的复位方式有三种:
手动按钮复位、上电复位、积分型上电复位。
我们采用的是手动复位,把单片机内部电路设置成为一个确定的状态,所有的寄存器初始化。
通过复位可以瞬间让单片机处于初始状态,转动滑动变阻器后按复位键,电压值会相应的变为正确的电压值。
3.2.6通信方式
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低,特别是在远程传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。
1)UART是单片机与PC之间的最简单的通信方式之一,也是单片机之间常用通信。
2)I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。
I2C总线在传送数据过程中共有三种特殊类型信号,它们分别是:
开始信号、结束信号和应答信号。
SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。
SCL为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有SCL信号为低电平期间,SDA状态才允许变化。
如下图所示:
3)该设计采用的是I2C通信的方式
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