基于单片机原理的多功能电能测量仪的设计 - 图文

华北科技学院毕业设计（论文）

目录

设计总说明 .................................................................. III General Design Description .................................................... V 一 .绪论 ...................................................................... 8

1.1课题的研究背景 ......................................................... 8 1.2测量仪表的简介 ......................................................... 8 1.3 51单片机简介 .......................................................... 9 二.电参数测量的理论依据 ...................................................... 11

2.1交流电流、电压有效值的测量 ............................................ 11 2.2两相间相位差的测量 .................................................... 12 2.3 单相有功功率、无功功率、视在功率的测量 ................................ 13 2.4 三相有功功率的测量 .................................................... 14 2.5功率因数的测量 ........................................................ 14 三.方案设计 .................................................................. 15

3.1 使用功能要求 .......................................................... 16 3.2 仪器设计的总体框架和各模块的划分 ...................................... 16 四． 硬件电路设计 ............................................................ 18

4.1信号采集电路 .......................................................... 18

4.1.1 电压信号采集电路 ................................................ 18 4.1.2 电流信号采集电路 ................................................ 20 4.2整形电路设计 .......................................................... 20 4.3 A/D转换电路 .......................................................... 21 4.4 74ls138译码器 ....................................................... 31 4.5 A/D转换电路 .......................................................... 33 4.6显示电路设计 .......................................................... 34

4.6.1数码管的介绍 ..................................................... 34 4.6.2数码管结构 ....................................................... 36 4.6.3驱动方式 ......................................................... 36 4.6.4适用范围 ......................................................... 38

I

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

4.7 CD4511 ................................................................ 39

4.7.1引脚功能 ......................................................... 39 4.7.2工作范围 ......................................................... 40 4.7.3真值表 ........................................................... 40 4.7.4使用方法 ......................................................... 40 4.7.5锁存功能 ......................................................... 41 4.8 通信接口电路 .......................................................... 43

4.8.1 Rs485特点 ....................................................... 43 4.8.2接口 ............................................................. 43 4.8.3 rs485功能 ....................................................... 44 4.8.4 RS-485通信电路 .................................................. 45

五．系统软件设计 ............................................................. 46

5.1 程序模块的划分 ........................................................ 46 5.2 结构化程序的设计方法 .................................................. 46 5.3 软件模块 .............................................................. 47

5.3.1 主程序流程图 .................................................... 47 5.3.2数据采集子程序 ................................................... 49 5.3.3数据处理程序 ..................................................... 49 5.3.4 A/D转换程序 ..................................................... 51 5.3.5数码管显示 ....................................................... 52 5.3.6 RS485 ........................................................... 52

六．总结与展望 ............................................................... 54 附录A: 总电路图 .............................................................. 57 附录B: 总的系统框图 .......................................................... 58 附录C: 程序 .................................................................. 59 致 谢 ........................................................................ 64

II

华北科技学院毕业设计（论文）

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

III

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

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

IV

华北科技学院毕业设计（论文）

Based on the principle of multi-chip design measuring instrument

General Design Description

With the rapid development of the power system, power grid capacity is increasing, the structure more complex, real-time power system monitoring, scheduling automation is particularly important, and electrical parameters of the automated data acquisition is an important part of how to quickly and accurately capture system electrical parameters of each component (voltage, current, power, power factor, etc.) is to achieve power system automation is an important factor.

Using microcontroller programming method used to generate a low frequency signal whose frequency is the bottom line low. Has a relatively simple circuit, compact, inexpensive, high frequency stability, anti-interference ability, versatility, etc., and can fine-tune the waveform, improved waveform to meet the system requirements. As long as the circuit slightly modified to adjust the program to complete the feature upgrades.

Used in this design is an 89C51 microcontroller with 4K bytes of flash erasable programmable read-only memory, low voltage, high performance CMOS8 bit microprocessor. This single-chip EEPROM erasure can be repeated 100 times, using ATMEL high density non-volatile memory fabrication techniques, and industry-standard MCS-51 instruction set and output pins are compatible. Since the multi-8 CPU and flash memory combined in a single chip, ATMEL's 89C51 is an efficient microcontroller. 89C MCU as many embedded control system provides a high flexibility and low-cost price. In this design, the calculation is simple, flexible circuit, this single-chip fully meet the design requirements, but also makes the design more simple and convenient.

Smart meters in the early 1980s, with the chip technology matures and developed world is now being smart meter market is basically dominated by the instrument. The reason is the business information needs of enterprises in the instrument selection which is a necessary condition is to have the network communication interface. Originally a simple analog signal output process data amount, then the instrument interface is a RS232 interface, this interface can achieve point to point communication, but this approach can not be achieved networking. RS485 then appears to solve this problem.

V

华北科技学院毕业设计（论文）

可见，P2.7应设置为低电平。由硬件线路分析可知：在编写软件时应令P2.7=A15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动A/D转换。执行一条输入指令，读取转换结果。

4.4 74ls138译码器

工作原理：

①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平时，

可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。

②利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩

展成 32 线译码器。

③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。 ④可用在8086的译码电路中，扩展内存 引脚功能

A0~A2：地址输入端 STA（E1）：选通端

/STB（/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效） /Y0~/Y7：输出端（低电平有效） VCC：电源正 GND：地

图4-10、74ls138引脚图

第 31 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将端地址（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若

将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器

图4-11、用与非门组成的3线-8线译码器74LS138

图4-12、3线-8线译码器真值表

第 32 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。

当附加控制门的输出为高电平（S＝1）时，可由逻辑图写出

由上式可以看出，同时又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。

71LS138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（S＝1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如图12所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。

带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图11电路中如果把作为“数据”输入端（同时），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当＝101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。

4.5 A/D转换电路

ADC0809的任务是将由采样保持器来的离散时间信号幅度量化后送给主机89C51

第 33 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

256912151619U3U41069222324257171415818192021CLOCKSTARTENABLEALEIN-7ADD-CADD-BADD-AEOCIN-4lsb2-82-72-62-52-42-32-2msb2-1ADC0809IN-3IN-2IN-1IN-0IN-6IN-5ref(+)ref(-)1216VCC74LS3731Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q543212827IN126IN0OC1113471831417181D2D3D4D5D6D7D8DCU5U7U6BNOTVREF/2 图4-13、A/D电路

4.6显示电路设计

4.6.1数码管的介绍

数码管的分类：

数码管也称LED数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。

数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。

按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字

第 34 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图4-14所示。

图4-14、7段数码管内部字段LED和引脚分布

第 35 页 共 64 页

共阳极

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/36s.html