基于单片机的电量检测系统设计.docx

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基于单片机的电量检测系统设计

基于单片机的电量检测系统设计

摘要

随着电力系统电量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电量检测系统暴露出越来越多的缺点，难以满足现代电网向自动化、数字化发展的需要。

本文首先概述了WB系列交流电量传感器的工作原理和各项工作技术指标，并做了硬件系统的设计，包括控制电路、模块转换部分、键盘输入部分、LED显示部分方面的设计。

然后介绍了ADC0809和74HC595中电子接口的各项特性，同时对单元的结构原理和功能划分进行了分析和研究，选择了合适的各种数据转换软件按。

通过分析和研究，提出了软件系统方面的设计方案，最关键的问题是A/D转换程序的设计、主程序和子程序的流程方案

关键词A/D转换器；LED显示器；ADC0809；74HC595单片机

POWERDETECTIOSYSTEMBESED

ONSINGLECHIPDESIGN

ABSTRACT

Withthegrowingpowersystemcapacityandtheincreasinglevelvoltageoperation,thetraditionalamountofpowerdetectionsystemweaknessesexposedmoreandmoredifficulttomeetthemodernpowergridtotheautomation,digitaldevelopment.

ThispaperoutlinestheWBseriesACpowersensorworkingprincipleandtheworkoftechnicalindicators,andmadethehardwaresystemdesign,includingcontrolcircuits,modulesconversioncomponent,keyboardpart,LEDshowedthatsomeaspectsofthedesign.ThenintroducedtheADC0809andthe74HC595intheelectronicinterfaceproperties,whilethestructuralprinciplesandfunctionsofcelldivisionwasanalyzedandstudied,thesuitablerangeofdataconversionsoftwareby.Throughanalysisandresearch,thedesignofsoftwaresystems,themostcriticalissueisA/Dconversionprocessofdesign,themainprogramandsubroutineprogramflow.

KEYWORDS：

A/Dconversionchip；74HC595SCM；ADC0809；LEDdisplaychip

1绪论

自第一个微处理器问世以来，以微处理器为核心构成的计算机以各种各样的形式，无孔不入的渗入到人们的生产、生活、科研等各个领域，为人类带来了渗透到各个领域的“智能”。

微处理器是整个智能仪器仪表的核心，检测电路时微处理器的外围设备，微机通过接口发出各种控制信息给检测电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等。

微机通过查询或检测电路向微机提出的中断请求，使微机及时了解检测电路的工作状态。

当检测电路完成一次测量后，微机读取测量数据，进行了解检测电路的工作状态。

当检测电路完成一次测量后，微机读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出，如送显示器、打印机打印，或送给系统的主控制器等等。

近二十年来，以计算机科学，信息学，生命科学为代表的各门新兴学科的迅猛发展，极大限度的刺激了全球经济的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，电能是人们日常生活和工业生产中的重要能源之一，在现代社会中起着越来越重要的作用，而电压、电流是其中最关键的两个因素，是否准确的测量电压、电流对我们的生活和生产有着至关重要的影响，特别是电工和电力系统等领域经常要对交流电量进行采样测试以了解工作电压或整个电网的工作情况。

2WB系列交流电量传感器

2.1概述

WB系列交流电量传感器采用电磁隔离技术和专用厚膜集成电路。

对电网或电路中的交流电流或交流电压进行实时测量，将其变换成跟踪电压暑促（

）、直流电压输出（

）、直流电压输出（

）、频率输出（

）。

传感器的输出可以与各型AD转换器配接构成数据采集系统，也可以与传统模式、数字式指示仪表配接，显示被测量之值。

体积小、重量轻、精度高、耗能低，输入电路、输出电路完全隔离，输出信号可以共地，输出形式多样，满足各种使用要求，在0～120%标称输入范围内，输出信号入输出信号之间保持正比例关系，通聘宽带，可以测量5kHz以内的正弦交流电流或交流电压。

结构形式多样，提供直插式、DIN卡装式安装方式，方便各种场合使用等特点。

2.2WB交流电量传感器的工作原理

本系列传感器采用模块化电路结构，如图2-1主要由电流测头1（或电压侧头2）、采样电路3、定标放大器4、装用厚膜集成转化器5、6、7组成。

图2-1电路结构

被测电流信号

﹝或被测电压信号

﹞经电流测头1﹝或电压测头2﹞隔离变换，在二次回路形成高精度毫安级跟踪电流，经采样电路3转换为跟踪电压信号，在经定标放大器4进行放大、定标，形成跟踪电压输出Vg；跟踪电压信号经AC/DC转换器5后，形成直流电压输出

。

输出经V/I转换器6后形成直流输出

输出经V/F变换器7后形成频率输出

。

只有输出跟踪电压

的产品才使用正负电源﹝+E,-E﹞,其他产品才使用单一正电源。

图2-1中电流测头1和电压测头2是本系列产品的关键部件，属于精密互感器系列，承担隔离和线性变换的双重作用，改变电流测头规格或改变电压测头的输入电阻可以改变传感器的测量范围。

定标放大器4是一个宽带交流放大器，它产生的电压输出

，在波形和相位上快速跟踪输入信号的变化，

输出型传感器适用于交流采样系统。

转换器5是配套研发的专用厚膜集成器件，它把交流电压信号变换为直流电压或直流电流输出。

转换原理分为平均值转换和真有效值转换，平均值转换器成本低，适用于标准正弦交流信号转换；真有效值转换器适用于含有多次谐波的交流信号（如三角波、矩形波、梯形波、可控硅调功波等），单成本较高。

转换器5（或转换器6）的“基准波”接地时，他输出0～5V（或0～20mA）；为它们配加以个高稳定的偏置电路，就形成1V～5V（或4mA～20mA）；为它们配加一个高稳定的偏置电路，就形成了1V～5V（4mA～20mA）输出。

2.3传感器型号及技术指标

采用WBV413AS3﹝交流电压传感器﹞和WB1414AS1﹝交流电流传感器﹞对电流和电压进行数据采集。

WBV141AS3技术指标：

输入规格：

10V～1000VAC

输出规格：

4mA～20mA

响应时间:

250MS

负载能力：

6V

静态功耗：

50MW

供电电源：

+12或+24

其他指标：

（1）线性范围：

0～120%标称输入

（2）输入频响：

25～5K

（3）环境条件：

0℃～+50℃

WB1414AS1技术指标：

输入规格：

5A～50A

输出规格：

4mA～20mA

精度等级：

0.5级

响应时间：

300ms

负载能力：

6V

静态功耗：

800mW

供电电源：

+12或+24

其他指标：

（1）线性范围：

0～120%标称输入

（2）输入频响：

25Hz～5kHz，特别适合工频至中频

（3）环境条件：

0℃～+50℃。

3硬件系统的设计

3.1硬件框图

图3-1硬件框图

本设计是AT89C51单片机控制的电量检测系统。

其工作原理是：

先由电量传感器采集数据，启动A／D转换，后将数据读入单片机中进行运算并显示，即由数据采集，数据分析和数据处理三部分完成。

本设计中，控制系统的控制器有单片机AT89C51为核心，系统采用WB1414AS1（交流电流传感器）和WBV1414AS3﹝交流电压传感器﹞对电流和电压进行数据采集，并输出标准电流4mA～20mA，WB1414AS1、WBV1414AS3具有新型电磁隔离，高精度变送等优点。

AT89C51单片机控制AD0809进行模数转换，数据经过单片机的运算，输出结果，并把结果在4位8段数码管上显示。

3.2控制电路的设计

3.2.1单片机的选择

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已经投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。

目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：

美国Intel公司：

MCS-51系列和其增强型系列

美国Motorola公司：

6801系列和6805系列

美国Amtel公司:

89C51等单片机

美国Zilog公司：

Z8系列和3870系列

美国Fairchild公司：

F8系列及SUPER8

美国ROCKWELL公司：

6500／1系列

美国TI（德克萨斯仪器仪表）公司：

TMS7000系列

NS（美国国家半导体）公司：

NS8070系列等等。

尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多还是Intel公司的MCS-51系列单片机和美国Amtel公司的89C51单片机。

MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。

8031内部包括一个8为CPU、128个字节RAM，21个特殊功能的寄存器（SFR）、4个8位并行I／O口、1个全双工穿行口、2个16位定时器／计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。

比较麻烦，不予采用。

8051是在8031的基础上，片内集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧纸的，出场的8051都是含有特殊用途的单片机。

所以8051适用用应用在程序已定且批量大的单片机产品中，所以也不采用。

8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。

用户可以将程序固化在EPROM,可以反复修复程序。

但其价格相对8031较贵。

8031外扩一片4KBEPROM就相当于8751，它的最大优点是价格低。

随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口。

虽然虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。

所以不采用

89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C51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的方案。

所以采用此单片机较好。

AT89C51单片机简介

主要特征：

与MCS-51兼容；

4K字节可编程闪烁存储器；

寿命：

1000写/擦循环；

数据保留时间：

10年；

全静态工作：

0Hz-24MHz；

三级程序存储器锁定；

28*8位内部RAM；

32可编程I/O线；

两个16位定时器/计数器；

5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；

管脚说明：

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。

除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

表3-1P3口的替代功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时计数器0）

P3.5

T1（定时计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选器）

P3口还接受一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校检的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。

ALE／

：

当访问外部程序存储器或说句存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍一时钟振荡频率的1／6输出固定的正弦脉冲信号，因此它可以对外输出时钟或用于定时目的。

但要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入变成脉冲

。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚后被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

：

程序存储允许（

）输出时外部程序存储器的读取通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令或数据时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据储存器时，这两次有效的

信号不出现。

EA／VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH）,EA端必须保持低电平﹝接地﹞。

需要注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放电器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器3放大器的输出端。

时钟振荡器：

AT89C51中有一个用于购车个内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2F分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3-2所示。

外界适应晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷振荡器建议使用40pF±10pF。

用户也可以采用外部时钟，采用时钟的电路如图3-3。

在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

图3-2内部振荡电路图3-3外部振荡电路

由于外部时钟信号是通过一个2分钟触发器作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

AT89C51单片机中，有些属于低电平编程方式，而有些则是高电压编程方式。

用户可以从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。

如表3-2所示

表3-2

Vpp＝12V

Vpp＝5V

芯片顶面标示

AT89C51

xxxx

yyww

AT89C51

xxxx－5

yyww

签名字节

﹝030H﹞＝1EH

﹝031H﹞＝5EH

﹝032H﹞＝FFH

﹝030H﹞＝1EH

﹝031H﹞＝51H

﹝032H﹞＝05H

AT89C51的程序存储器列阵采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用擦除的方式将整个存储器的内容写清楚。

编程方法:

编程前，先设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在PI口和P2口,

P1.0－P2.3﹝11位地址范围为0000H－0FFFH﹞，数据从P0口输入，

为低电平，RST保持高电平，EA/Vpp引脚是编程电源的输入端，按要求加上标称电压，ALE/PROG引脚输入编程脉冲﹝负脉冲﹞。

编程时，可采用4MHz－20MHz的时钟振荡器,AT89C51编程方法如下：

（1）在底线上加上要编程单元的地址信号。

（2）在数据线上加上要写入的数据字节。

（3）激活相应的控制信号。

（4）在高电压编程方式时，将EA／Vpp加上+12V编程电压。

（5）每对FLASH存储阵列写入一个字节，加上一个ALE／PROG编程脉冲。

改变编程电源的地址和写入一个字节，重复1-5步骤，直到全部文件编程结束。

每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。

AT89C51的极限参数：

工作温度:

-55℃to+125℃；储藏温度：

-60℃to+150℃；任一引脚对地电压：

-1.0℃to+7.0℃；最高工作电压：

6.6V；直流输出电压：

15.0mA。

3.2.2模数转换部分的设计

随着半导体技术数字化和集成化的日益调高，在推动微控制器、数字信号处理器、微机械电子系统的发展中，也推动了嵌入或隐形模数﹝A／D﹞转换技术的发展，A／D转换技术在变得越来越复杂的同时，也正朝着高精度、高速度的发展方向迈进。

由于数字信号处理技术在图形、视频、无线通讯的广泛应用，对高速高精度的CMOS工艺的模数转换器的要求日益迫切。

A／D转换器的种类繁多，工作原理各异，但逐次比较型A／D转换器是应用较多的类型之一，其原因是该类型的A／D转换器转换速度快、精度高。

因此本次设计选用一款逐次比较型A／D转换器ADC0809.

被采样的电压、电流信号分两路进入ADC0809进行模数转换，写信号WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存和转换器，即当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下调沿时，开始进行A／D转换，在转换期间，START应保持低电平。

EOC通过非门连接到AT89C51的INTO脚，可通过查询方式来检测转换是否完成。

当EOC为高电平时，表明转换结束，否者表明正在进行A／D转换，即ECO=1时，读信号RD和P2.7控制的ADC0809的OE信号即控制三条锁存器向单片机输出转换得到的数据。

3.2.3A/D转换器概述及单片机接口的一般特点

A/D转换器是一种用来将连续模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件，其工作原理方框图如图3-4所示。

图3-4A／D转换器原理方框图

由图中可以看出，A／D转换器的输入有两种，即模拟输入信号Vin和参考电压Vref；其输出时一组二进制数。

可以认为，A／D转换器是一个将模拟信号值编制成对应的二进制码的编码器。

常用的A／D转换器有：

双积分式、逐位比较式及秉性比较时几种。

如图3-5所示，一个完整的A／D转换器应该包含这样的一些输入、输出信号。

图3-5A／D转换器的输入位置

（1）模拟输入信号Vin和参考电压Vref

（2）数字输出信号

（3）启动转换新号，输入

（4）转换完成信号或者“忙”信号，输出

（5）数据输出允许信号，输入

为了与单片机接口，必须设置图所示的一些数据输入接口、状态输入接口及控制输出接口等。

首先，单片机通过控制口发出启动转换信号，命令A／D转换器开始转换，肉厚单片机通过状态读入转换器的状态，并判断它是否转换结束。

转换结束，CPU发出数据输出允许信号，将装换完成的数据读入。

3.2.4ADC0809简介

图3-6是ADC0809内部逻辑结构，图3-7ADC0809引脚图。

ADC0809是8位逐次逼近型A／D转换器，它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A／D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A／D转换器进行转换。

三态输出锁存器用于锁存A／D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3-6ADC0809内部逻辑结构

数字部分定义如下：

ADDA、ADDB、ADDC:

模拟通道的地址选择线，输入。

信号单极性，电压范围是0V－5V，若信号太小，必须进行放大。

ALE：

地址锁存允许信号，输入。

由低到高的正跳变有效，此时锁存地址选择先的状态，从而选通相应的模拟通道，一边进行A／D转换。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道模拟量进转换器进行转换。

A、B、C为地址输入线，用于选通IN0－IN7的一路模拟量输入。

通道选择表如表3-3所示。

图3-7ADC0809引脚图

表3-3通道选择表

C

B

A

选择的通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

INO－IN7：

8条模拟量输入通道。

2-1～2-8：

8位数量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC:

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE:

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A／D转换）。

EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、