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

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

RS-232, RS-422 and RS-485 serial data interface is standard, initially by the Electronic Industries Association (EIA) developed and published, RS-232 released in 1962, named for EIA-232-E, As industry standards to ensure compatibility between products from different manufacturers. RS-422 evolved from the RS-232, which is to compensate for the lack of RS-232 raised. RS-232 communications to improve the short distance, low rate of defects, RS-422 communication interface defines a balance, transfer rate up to 10Mb / s, the transmission distance was extended to 4000 feet (rates of less than 100kb / s time), and allows a balance on the bus up to 10 receivers. RS-422 is a single transmission, multi-machine receives a one-way, balanced transmission standard, was named TIA/EIA-422-A standards. To expand the application range, EIA again in 1983 on the basis of the RS-422 RS-485 standard developed to increase the multi-point, two-way communications capability that allows multiple transmitters connected to the same bus, while increasing the transmitter drive capability and conflict protection features, the expansion of the bus common mode range, named after TIA/EIA-485-A standards. Since EIA standards are based on recommendations made by \as a prefix, so in the communications industry, are still accustomed to the above criteria to RS prefix title.

The analog signal is converted to digital signal circuits known analog / digital conversion circuit (or A / D conversion circuit), an analog signal into a digital signal to go through the sample and hold, quantization, coding 4 process. There is now a monolithic integrated circuit to complete the A / D conversion function, this analog / digital conversion circuit is often referred to as analog / digital converter. According to analog, digital converter conversion works differently, analog / digital converter can be divided into successive comparison mold / digital converters, mold double integral A / D converter and so are several.

Double integral type A / D converter's biggest advantage is job stability, anti-interference ability. Double integral type A / D converter digital output of the integrating resistor R, the integrating capacitor C, independent of the clock frequency fcp, the biggest drawback is slower, so the voltmeter mainly used for low-speed digital test systems. Double integral type A / D converter conversion accuracy depends on the median, operational amplifiers and comparators sensitivity and zero drift and other factors.

Energy meter will form an integrated instrument multiple power parameters, the instrument can be done only carry a voltage, current, phase, power, power factor and other features truly fully

VI

华北科技学院毕业设计（论文）

and accurately reflect the quality of electric power systems. The instrument can be widely applied to power system protection and metering and related industries professional, industrial and mining, petrochemical, metallurgical enterprises of the secondary circuit checks. It appears to simplify the operator's work, but also bring considerable economic and social benefits.

Based on this, the main design a microcontroller-based MSC-51 AC parameter

measurement instrument, the instrument can measure AC parameter of voltage, power.

VII

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

一 .绪论

1.1课题的研究背景

随着生产的发展及社会的进步，电力在生产、生活中的重要也越来越明显。以前我们可能对电力的质量感到满意，但毫无疑问，现在的工厂、办公室、医院以及其他公用设施都依赖高质量的电力来保证其电子和电气设备的正常工作。尤其在电力系统及工矿企业中，电压表、钳位电流表、相位表、频率表、频谱分析仪等仪表广泛被应用，常规的电工仪表不论是数字式的还是模拟式的测试重点一般都放在直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和频率的测量上。而电网中的谐波含量越来越高，将直接影响发供电设备的安全和优质运行，有可能增加电网发生谐振的可能，从而产生过电压或过电流，降低电网的可靠性：增加电网损失，降低了电气设备的效率和利用率；加速设备的绝缘老化，缩短设备的使用寿命，降低电能质量；影响继电保护、计算机、测量和计量仪器以及通信系统的正常运行等，所以准确分析电能的参数是非常必要的，这将反映整个电网的电力质量。而电压表、电流表、功率表等多种测量仪器的携带和使用给我们造成了很大的不便。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。

1.2测量仪表的简介

测量是一种将数字与物理量、物理现象结合之过程可凭人的感觉或借助仪器，而所借助之仪器由简单测量长度的尺，到超过人类感觉估计的量而设计的精密系统。测量是科学研究和生产过程中的一个必不可少的环节，测量方法的先进与否在很大程度上决定着科学实验和生产技术的先进性。人们通过测量，探索自然界各种现象之间存在的客观规律，建立起各种定理和定律，这些定理、定律又促进了测量技术的发展。电工测量仪表是根据电流的磁效应或热效应对表内活动的推动力制成的，利用指针偏转的大小，或光点在标尺上移动的距离来指示电学量的测量仪器，它是实现电工测量过程所需技术工具的总称。

随着技术的发展，尤其是数字电子技术及大规模集成电路技术的发展，使得数字仪表得到了迅猛的发展。数字电压表(DVM)是其中的代表，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字仪表经过50多年来不断的地发展、改进和提高，已经达到了一个全新的层次。从最初的一两种类型发展到原

第 8 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

理不同地几十种类型；从最早采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测量一两种参数的专用型到能测量十几种参数的多用型；显示器件从辉光数码管发展到等离子管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积越来越小，重量不断减轻，可靠性越来越高，价格也逐渐下降。近年来，含有微型计算机或微处理器的测量仪器或测量系统，能够对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作，具有一定智能功能，因而被称之为智能仪表。智能仪表的自校准功能减小了系统误差从而提高测量仪器的准确度，不仅可以通过校零或采用标准信号进行校验获得仪器的误差，将误差保存起来，而且测量时能够自动从测量值中扣除误差。智能仪表现在大都具备通信功能，这使它可以接受计算机的命令而被遥控，也可以将测量数据传递给计算机，从而成为测控系统的一部分。

总之，采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。含有微型计算机或微处理器的测量仪器或测量系统，能够对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作，具有一定智能功能，因而被称之为智能仪表。

1.3 51单片机简介

51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。 当前常用的51系列单片机主要产品有：

*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； *ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品

国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。 51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属

第 9 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH～7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可，对周围的其他位不会产生影响。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即MuL AB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。 在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。

1.4 技术指标

采用51系列单片机

对电压、电流、功率等参数进行测量，误差为1%； 采用LCD进行显示；

通过RS485进行远程数据传输，波特率2400bps。

第 10 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

二.电参数测量的理论依据

2.1交流电流、电压有效值的测量

交流直接采样方法测量交流电量的算法虽有多种，但较实用有三种，即最大值法、积分法和傅里叶变换法。最大值法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况，多次采集求平均可减小误差，但考虑内部A/D采集间隔会在很大程度上影响对峰峰值的检测，会使测量不准。傅里叶变换法是将离散的采样值经过离散傅里叶变换(DFT)转换到频域，求出基波和谐波分量，再求有效值及平均功率。实际使用中可以采用快速傅里叶变换(FFT)以提高运算速度，但是计算量仍然偏大。积分法就是从连续周期信号有效值的定义和功率的定义出发，用数值积分近似代替连续积分进行计算的方法。采用积分法微机计算量较小，装置实时性好，适合以单片机为核心进行设计。

因为周期性电流、电压的瞬时值是随时间变化的，所以～般用有效值表它们的做功能力并度量其“大小”。电流有效值的定义是将一个周期性电流的做功能力和直流电流的做功能力相比，有：在相同的时间T内周期电流i流过电阻R在一个周期内所做功与直流电流I流过电阻R所做功相等，则称此直流电流的量值为周期电流的有效值。 周期性电流i流过一个电阻R，在时间T内，电流i所做的功为：

Wi=?0 WITi2Rdt 公式(2-1)

直流电流I流过电阻R在时间T内所做的功为：

?IRT 公式(2—2)

2当两个电流在一个周期T内所做功相等时，有：

IRT??i2Rdt02T 公式(2—3)

于是，得：

I?

1T?T0i2rt 公式（2-4）

式中 i-----t时刻的电流信号瞬时值i(t)

T-----该电流信号波形的周期 I-----交流电流有效值

第 11 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

在工程情况下，无法对有效值中的积分进行精确运算，只能以一个周期内有限个采样电流数字量来代替一个周期内连续变化的电流函数，则 I=1T2i?m?Tmm=1N 公式（2-5）

式中△Tm-----相第邻两次时采样的时间间隔；

Um------第m-1个时间间隔的电压信号采样瞬时值； N-------一个周期的采样点数。

若相邻两次采样的时间间隔相等，△Tm为常数?T。因为

T?1 公式(2-6) N??T所以有：

N12i?mN?1m=1I? 公式(2-7)

这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电流信号有效值的公式。 同理，若

um为第m一1个周期内采样得到的电流瞬时值，该电压有效值U为：

U此测量属于直接测量。

?1N2um?N?1m=1 公式（2-8）

2.2两相间相位差的测量

本系统采用快速傅立叶变换(FFT)计算信号的相位。具体的FFT的算法及实现将在后续介绍到。假设输入信号为u(k)、i(k)，经过FFT计算得

2 URn=N2?u?k?cosk?NK?0N?1 公式（2-9）

2N?12?I=ikcosk??? Rn 公式（2-10）

N?1k=0N 第 12 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

2U= InN

K?0?u?k?sinkN?12?N 公式（2-11）

2IIn=N2?i?k?sink?Nk=0N?1 公式（2-12）

相位

?u 和 ?i为：

UIn?=arctg uURn由此可得相位差为：

IIn?=arctg iIRn

??=?u-?i 公式（2-13）

2.3 单相有功功率、无功功率、视在功率的测量

对于正弦信号，假设电压和电流的瞬时值分别为：

u=2Usi??nt?+? 公式（2-14）

i=2Isi??nt?+? 公式（2-15）

则瞬时功率P为 :

P=UI 公式（2-16）

单相有功功率P为瞬时功率P在一周期内的平均值，可以由下式计算得到：

1T P=?0uidt=UIcos?T 公式（2-17）

其中?=?-?，为电压与电流的相位差，可由FFT计算得到a非正弦的有功功率P也可以采用上式得到。由于功率的测量依赖于电压和电流的测量，故该测量属于间接测量。 无功功率Q计算如下：

视在功率S为：

S=UI 公式（2-19）

Q?UIsin? 公式（2-18）

第 13 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

2.4 三相有功功率的测量

通过电压电流互感器引入六路信号，分别A、B、C三相的相电流和相电压信号，根据三相有功功率公式： 故得：

?P?P 公式（2-20） A?PB?PC?P?UIAAcos?A+UBIBcos?B+UCICcos?C 公式（2-21）

与单相功率的测量相似，三相功率的测量也属于简介测量。

2.5功率因数的测量

功率因数被定义为有功功率和视在功率的比值。即功率因数?为：

?=PS 公式（2-22）

积分和法的精度与采样点数N和采样的同步度有关。在系统速度允许的情况下，可以增加采样点数以提高运算精度，一般每周波可采样几百点。该算法实时性强，算法简单，能够计及信号中高次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选用此算法。

第 14 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

三.方案设计

测量仪器的基本功能是完成对被测量物理参数进行实时测量，通过信号变换电路将采样信号变换成一定的标准信号，再将这个标准信号进行显示记录。通常，测量仪器可分为三部分：参数测量部分、信号调理部分、显示记录部分。其中，参数测量部分由传感器来完成，这一部分在测量仪器中被称为～次测量仪表；而信号调理部分和显示记录部分统称为测量仪器的二次仪表。对测量仪器的设计是指对仪器的机械结构、电路结构进行设计或选配，包括对一次仪表和二次仪表的设计或选配，以满足仪器的设计要求。所谓设计思路是指提出～个设计方案，通过对该设计方案的实施可以满足设计要求或技术指标。通常为了提出设计方案，首先要分析技术指标的要求，然后设计总体框架，再根据框架进行模块划分，认真研究设计中的重点问题，最终提出整个的设计方案。该仪器以89C51作为主控制器，系统把取样采集电路得来的信号分别通过放大、整流,，再将其传到A／D转换，把模拟量转换为数字量，将得到的数字信号送入单片机中分析处理，经过数据处理，进行数值积分，可得到变压器副边电压值、电源的频率，并送到外部显示单元显示，并通过外接按键控制显示和数据保持。整个系统主要包括电源电路、信号采集电路、整形电路、A／D转换电路、数字器件接口电路、液晶显示接口电路等等。 总设计结构框图如图3-1：

复位电路晶振电路显示电路89C51单片机电压/电网电流互感器电压/电流采样整形电路A/D转换键盘电路 图3-1、总设计结构图

第 15 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

3.1 使用功能要求

测量仪器完成的基本功能是对相关的电气参数进行测量，并将测量的结果进行记录或显示。但是，测量仪器在使用过程中应当受到使用者的控制，同时测量结果的显示、记录也应方便、直观。

本项目中所讨论的三相多功能伏安相位仪的使用功能要求包括：

? 测量仪应当能集电压表、电流表、功率表、相位表、功率因数表于一体。

? 仪器应当能够以数字的方式实时显示测量过程中各电气参数变化情况，以便使用者读取

测量数据。

? 测量仪的使用者应当能够通过“按键”控制测量仪启动对被测参数的测量，同时能够通

过“按键”人为的终止测量，当测量没有被人为终止的情况下，测量仪器可以在测量一段时间后终止测量。

3.2 仪器设计的总体框架和各模块的划分

根据设计要求完成对测量仪的总体框架构思之后，应当对这个框架进一步细分，这一过程被称作模块的划分。通常模块划分的依据是每个模块实现的功能不同。由于设计过程中使用了数字信号处理器，因此模块划分的工作也包括将硬件完成的任务与软件完成的任务加以区分。其中硬件多完成一些基础性、易实现的功能；软件通常完成一些发挥性、硬件难实现的功能。

对于本论文中所讨论的测量仪，硬件所完成的功能主要包括电源电路，信号采集电路，整形电路，A/D转换电路等基础性的功能。软件完成的功能包括对检测信号的数据采集、处理等功能。由于对软件的修改调试要比对硬件电路的修改调试容易、方便，而且软件的开发费用比硬件的开发费用低，因此这样划分软／硬件模块后，对测量仪的各项功能进行调试、修改都比较方便，且测量仪整个开发成本较低。

根据电路实现的功能不同，测量仪的电路可划分为如下几个主要模块：

? 时钟接口电路：它可以产生秒、分、时、星期、日、月、及年等七个时标，可以通

过编程读取和修改这些时标，也可以编程成生定时间隔中断。采用硬时钟／日历，可以不占用单片机的定时器资源，减轻软件的设计量。

? 液晶显示屏背光电源模块：液晶显示屏的背光电压直接影响液晶显示的对比度，该

电压的正常范围是一ll～一15V。而电池的供电电压为12V，因此要通过变换电路将电压变换到背光电压的正常值范围内，同时该电路可通过控制键盘接口电路输出的

第 16 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

调节信号，在背光电压的正常值范围内调节背光电压。

? A／D转换电路：测量仪对被测的物理参量要进行数字处理，由于电压、电流互感器

的输出信号为模拟信号，因此测量仪应当采用A／D转换电路将模拟信号转换成数字信号，以便处理器进行运算处理。

? 电源电压变换电路：由于铅酸电池额定电压是12V，而硬件电路上各部分电压不完全

相同，有要求3．3V的，也有要求5V及一12V的，所以必须设计电源电压变换电路将电池电压变换成硬件电路所需要的电压值。

? 键盘接口电路模块：该模块起到单片机与键盘的连接桥梁作用，通过该电路模块单

片机可以判断键盘中是否有按键按下，可以读取操作键盘中按键的“键值”，进而完成人／机交互操作。

? 通信接口电路；该模块支持单片机与外部信息的交换。数据逐位传送，适用于单片

机与外设之间的远距离通信。

第 17 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

四． 硬件电路设计

4.1信号采集电路

信号采集电路是电子系统中常用到的功能模块。数据信号采集采用运算放大器0P07构成电压跟随器对信号进行跟随处理，再由采样/保持器LF398对信号进行采样/保持。高电平，采样；低电平，保持。采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生

4.1.1 电压信号采集电路

电压跟随电路：由OP07构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电路简单，也不需软件控制，所以本设计采用了此方案。输入信号是0～5V交流电压信号，输出信号不变，电路如图4-1所示：

图4-1、电压跟随电路

信号采样/保持电路：采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图所示：

失调电压的调整是通过与V＋的分压并调整1KΩ电位器实现的。保持电容CH应选用300～1000PF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。

第 18 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

R1R21k-12V+12V

+5V24kD121A5Uoui3764LF398D28 P2.5 0.01ufC1-5V图4-2、信号保持电路

故电压信号采样整体电路如下图4-3：

X1X2VREF/2SOCKETT0SOCKETR5+54TRANS1R2IN1U0A312R3R111LM324R4-5

图4-3、电压信号采集电路

第 19 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

4.1.2 电流信号采集电路

X1X2VREF/2SOCKETSOCKETT0TRANS1R2R5+54U0A312R3R25R1LM32411R4-5 图4-4、电流信号采集电路

4.2整形电路设计

D0+5R8R11+54D1U1AR93R10R74312RPLM32411U2A12LM324RP2-5-511

第 20 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

图4-5、整形电路

由于被测信号足一些高于220V的商压信号，所以实际测量时必须先将其变换为测量仪可用的小电流信号，即高压信号要经过互感器信号调整转换电路。互感器信号调整转换电路完成的主要功能包括：对互感器的输出信号进行滤波、放大处理，并将处理后的信号进行模／数转换，以便处理器读取使用。调整转换电路在处理，并将处理后的信号进行模／数转换，以便处理器读取使用。调整转换电路在整个测量仪中起到从互感器到处理器的桥梁作用。

电压信号具有正负极性的交流信号必须把交变信号进行精密整流使其变成正极性单向脉动信号才能被ADC0809接受当然在整流以前必须要进行幅度衰减使其适合于ADC0809的电平要求。

4.3 A/D转换电路

4.3.1 A/D转换电路的介绍

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。A／D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量。需要一定的时间，这就是A／D转换器的转换时间，其倒数就是每秒钟能完成的转换次数，成为转换速率。用不同的原理实现的A／D转换器转换时间是大不相同的，总的来说，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A／D转换器转换速率较慢，转换时间从几蓬秒到几十毫秒不等，只能构成低速的A／D转换器一般适用于对温度、压力、流量等变化缓慢的参量进行检测。逐次比较型的MD转换器的转换时间可从几微秒到100微秒左右，属于中速A／D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。转换时间最短的高速A／D转换器是那些双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串行型和电压转移函数型的A／D转换器，转换速率20～lOOns。高速的转换器适用于雷达、数字通讯、实时的光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

主要特性

? 8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位

第 21 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

? 具有转换起停控制端

? 转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时） ? 单个+5V电源供电

? 模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准 ? 工作温度范围为-40～+85摄氏度 ? 低功耗，约15mW

4.3.2 A/D转换电路的步骤

A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。

取样和取样定理：我们知道，要确定（表示）1条曲线，理论上应当用无穷多个点，但有时却并非如此。比如1条直线，取2个点即可。对于曲线，只是多取几个点而已。将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。

取样时间可以是等间隔的，也可以自适应非等时间间隔取样。问题是：对于频率为f的信号，应当取多少个点，或者更准确地说应当用多高的频率进行取样？取样定理将回答这个问题： 只要取样频率fS大于等于模拟信号中的最高频率fmax的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。这就是说，对于1个正弦信号，每个周期只要取2个样点值即可，条件是必须用理想滤波器复原信号。这就是著名的山农（Shannon）取样定理，用公式表示即为：

fS?2fmax

公式（4-1）

在工程上，一般取fS?(4~5)fmax。

取样-保持：取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保持不变，以便ADC电路在此期间内将该样点值转换成数字量，这就是所谓取样-保持。

常用的取样-保持电路芯片有LF198等，其保持原理主要是依赖于电容器C上的电压不能突变而实现保持功能的。

量化与编码：取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。比如取样保持后的电压值为10V，如果以“1V”为最

第 22 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

小数量单位△，转换成的数字就是10；如果以“1mV”为单位，转换成的数字就是10000；这个化模拟量为数字量的过程称为量化。有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。

转换之后的数字可以用10进制表示（如上述的“10”），也可以用2进制数表示（如“1010”），或用BCD码表示（如“0001 0000”）等，这就是所谓编码。一般多用2进制码。 4.3.3 A/D转换电路分类

基本ADC电路：模-数转换方法有直接ADC和间接ADC两种。直接ADC中有并行比较法、反馈计数法和逐次逼近法等；间接ADC中有V—F（电压→频率）转换法和V—T（电压→时间）转换法等多种。下面重点介绍集成芯片中用得最多的逐次逼近型和双积分型A/D转换器电路。

逐次逼近型ADC：

逐次逼近型ADC的工作原理很象人们量体重的过程：假如你的体重不超过200公斤，你会先加1个100公斤的秤砣试试看，如果发现100公斤的秤砣太大（比如实际体重是70公斤），就将此砣去掉；换1个50公斤的秤砣再试，发现50公斤的秤砣又偏小，故将其保留；然后再加1个25公斤的秤砣，发现体重不足75公斤，再将此25公斤的秤砣去掉，换1个更小一点的秤砣??如此进行，逐次逼近，直到满足要求为止。 以4位逐次逼近型ADC如例，其电路结构如下图

由图可知，4位逐次逼近型ADC主要由比较器、D/A转换器、寄存器、控制逻辑电路和时钟脉冲发生器5部分组成。分析其工作过程大致如下：

工作过程：

①当启动信号（即“START”信号，图中未示出）的正边沿到达后，电路被初始化为以下状态：寄存器TR3～TR0清零为d3d2d1d0=0000，从而DAC的模拟输出vO=0V；FF1～FF6组成的环形计数器的状态为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000，门H3～H0被Q6=0封锁，数字输出D3D2D1D0=0000。

②START信号过后，即其下降边到达时，信号vC=1，A/D转换开始。第1个CP脉冲到达时，如果输入的取样保持信号vI≠0V，则vI>vO=0V，vB=0，与门G3～G0被封锁，TR3的R=0、S=Q1=1，而TR2～TR0的S=0、R=1（注意，Q1=1经或门M2～M0使TR2～TR0的R=1），所以TR3～TR0被置为d3d2d1d0=1000，此数码经D/A转换变为满量程电压的一半左右（这相当于上述加100公斤的秤砣！）；与此同时，环形移位寄存器状态下移1位变为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=010000。

第 23 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

③第2个CP脉冲到达时，若vIvO，则vB=0，G3～G0被封锁，TR3的S=R=0，将保留原状态d3=1不变，而d2d1d0=100）。1234环形移位寄存器再次下移1位，变为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=001000。 CPvC&FF11DC1FF21DC1FF31DC1FF41DC1FF51DC1FF61DC1?? ???? ?- μ? ?·Q1&??′? ?÷TR31SC11RTR2?Y1M21SC11RTR11SC11RTR01SC11Rè? ?ù±￡ 3?D?o? ê? è?Dd3vI±è???÷Q2G3&G2d2DACd1vO￡-￡??T￡?vBQ3&G1?Y1M1CQ4&G0d0?Y1M0H3&H2&￡¨MSB￡?Q5D3êyD2D1D0Q6×?ê?3?H1&H0&BvB 图4-6、4位逐次逼近型ADC ④类似地，第3个CP脉冲到达后，d1d0=10，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000100；第4个CP脉冲到达后，d0=1，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000010。 Title ⑤第5个CP脉冲用于输出数字码：第5个CP脉冲到达后，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000001，AQ6=1使门H3～H0开启，数字d4d3d2d1经门H3～H0送D3D2D1D0端输出。 SizeNumberB ⑥第6个CP脉冲用于电路初始化，电路将返回①所述的初始状态。1个样点值转Date:File:1219-Sep-2000D:\\T_sdn\\t_sdn122101.sch3Sheet of Drawn By:Revision换完毕。 逐次逼近型A/D转换器的优点是电路结构简单，构思巧妙，转换速度较快（只需要n+2

第 24 页 共 64页

4华北科技学院毕业设计（论文）

个CP周期，n是位数），所以，在集成A/D芯片中用得最多。 双积分型ADC：

双积分型ADC是1种V—T型A/D转换器，原理电路如图8所示，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。工作过程如下：

（1）平时（即A/D转换之前），转换控制信号vC=0，计数器和触发器FFc被清零，门G1、G2输出低电平，开关S0闭合使电容C完全放电，S1掷下方，比较器输出vB=0，门G3关闭。

（2）vC=1时，开关S0断开，开关S1掷上方接输入信号VI，积分器开始对VI积分，输出电压为

vO??1RC?t0VIdt??VIt RC 公式（4-2）

显然vO是1条负向积分直线，如图8中t=0～T1段实线所示。与此同时，比较器输出vB=1（因vO<0），门G3开启，计数器开始计数。

（3）当积分到t=T1=2nTcp时（其中Tcp是时钟CP的周期），n位计数器计满2n复0，FFc置1，门G2输出高电平，开关S1掷下方接基准电压（－VREF），积分器开始对（－VREF）进行积分。

设t=T1时，vO下降到vO=VO1，由式（4-3）

VO1??VIT1 RC

因为（－VREF）为负值，所以从V01开始向相反方向积分，即

vO?VO1?1RC?tT1(?VREF)dt?VO1?VREF(t?T1) RC 公式（4-4）

vO波形如图8中t=T1～（T1+T2）段实线所示（图中下方虚线是最大输入电压时的积分线）。 （4）当t=T1+T2时，vO上升到vO=0V，vB=0，门G3被关闭，计数器停止计数，此时计数器中保存下来的数字就是时间T2。由图可知，输入信号VI越大，|VO1|越大，T2就越大。将式（4-3）、t=T1+T2和vO=0V代入式（4-4）中，得

vO??VIVT1?REFT2?0 RCRC从而有

T2?VIT1 VREF （4-5）

第 25 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

显然，计数器中的数字dn-1dn-2?d1d0与输入信号VI成正比。

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。并且由式（4-5）可以看出，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fcp3无关。 12S0Dè? ?ù±￡3?ê?è?VI -VREFG1?o 3??y ?ˉ?÷S1CR￡-￡?μ??1±è???÷?T￡?vO￡-￡??T￡?G2&vB?y·??÷n ?? ??êy ?÷1TQC1R1TQC1R1TQC1R1G3FFCTQC1RCPC&vCd0d1êy×?á?ê?3?(a)dn-1vOT10BT22T1tVO1VO2(max)(b) ATitle图4-7、双积分型A/D转换器的工作原理 SizeNumberR(a)原理电路

1(b)输出电压波形 BDate:File:4-Oct-2000 D:\\T_sdn\\t_sdn122201.sch3Sheet of Drawn By:2 第 26 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

双积分型A/D转换器的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

目前，常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD码输出的3位、4位和5位等多种；转换速度有低速（≤1s）、中速（≤1ms）、高速（≤1μs）和超高速（≤1ns）等；就芯片组成而言，有些芯片不但包括ADC基本电路，还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或2→10转换器等，功能更加齐全。表1中给出了部分ADC芯片的一些特征参数，从中可了解当前ADC芯片的状况，并可供使用参考。

表一、部分ADC芯片的特征参数

型号 位数 电路类型 CMOS ADC0804 8 逐次逼近 时钟频率=1.26MHz CMOS ADC0809 8 逐次逼近 转换时间=100μs 转换误差≤±1LSB 内含8路数据选择器以便进行8路ADC CMOS ADC0816 8 逐次逼近 单电源供电 1路8位2进制代码输出 8路8位2进制码LSTTL电平输出， 28脚封装 16路8位2进制码 40脚封装 主要参数 注 121212VDD=5V（典型） 转换时间=90～114μs 时钟频率=10～1200（典型640）KHz AD571 10 CMOS 双积分 CMOS VDD(+)=+5V、VDD(－)=－15V 转换误差≤±1/2LSB 时钟频率=250KHz 第 27 页 共 64 页

AD7552

12+ 2进制补基于单片机原理的多功能测量仪的设计

1符号位 双积分 转换时间=160ms 转换误差≤±1LSB 码输出 VDD=15V(7106/26) ADC ICL7106 /7107 ADC ICL7126 /7127 13 2VDD(+)=+6V，VDD(-)=-9V(7107/27) CMOS 双积分 内有时钟（时钟可外接，亦可外接晶体或RC元件自激产生） 建议钟频40、50、100、200KHz 线性度±0.2%±1个字 3位半7段译码输出 7106/26驱动LCD 7107/27驱动LED 40脚封装 MC14433 （CC14433） 13 2CMOS 双积分 VDD=5V（典型），VEE=－5V BCD码输线性度±0.05%±1个字 时钟频率=30～300KHz 出 24脚 4.3.4 A/D转换接口工作方式

以87C51为例，ADC的接口工作方式如图9所示。

87C51是8位CMOS单片微机芯片，有1个双工口P0口和2个半双工口P1口、P2口，其中P0.0～P0.7（P0口的8个引脚号）主要用作数据和地址总线口。87C51的引脚及其同ADC0809的接口线路如图9所示。

8路模拟信号由ADC0809的IN0～IN7端输入，87C51的ALE端输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号（若时钟频率偏高，其间可加分频器）。在A/D转换时，87C51的P2.7（也可用其它引脚）发出片选信号，并由引脚37、38、39发出通道选择信号，分别送ADC0809的通道地址输入端A、B、C，选择要进行A/D变换的模拟通道，然后发出WR信号，经或非门送ADC0809的START和ALE端，A/D转换即被启动；A/D转换完成之后，从EOC端返回87C51一个转换结束信号，单片机随即用RD信号将A/D转换的数字输出从D0～D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。A/D转换过程全部结束。

第 28 页 共 64页

12华北科技学院毕业设计（论文） 387C51ALEDP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0RDP2.7WRC303233343536373839172816?Y1?Y110212019188151417ADC0809CLKD7D6D5D4D3D2D1D0?é/#54321282726IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN08?·?￡?aê?è?25A24B23C9OE22ALE6STARTEOC13GNDVREF(-)3VDD11VDD=+5VVREF(+)5VREF(+) 图4-8、用ADC0809和87C51组成8路A/D转换器 4.3.5 ADC的主要性能参数及芯片选用 ADC的性能参数主要有转换精度和转换速度等。转换精度常用分辨率和转换误差来表示。 （1）分辨率 B分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的2进制位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，表明它能分辨满量程输入的1/28。 （2）转换误差 转换误差是转换结果相对于理论值的误差，常用LSB的倍数表示，如AD571的转换12误差≤LSB等。 （3）转换速度 转换速度是完成1次A/D转换所需的时间，故又称为转换时间。它是A/D转换启动Title时刻起到输出端输出稳定的数字信号止所经历的时间。 选用ADC芯片的主要依据是上述参数，此外还要注意其它一些特性，如输入通道数（即AA/D转换路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如2进制码、BCD码、7段显示译码）、SizeB 第 29 页 共 64 页 NumberDate:File:22-Aug-2000D:\\T_sdn\\t_sdn13301.sch3Sheet oDrawn B12基于单片机原理的多功能测量仪的设计

输出逻辑电平（CMOS、LSTTL）与微机接口能力

本设计中ADC0809与89C51单片机的接口方案如图4-9所示

89C51D Q/CK QAD0809CLKD7D0CIN7BASTARTALEREFREF(+)(-)ALEP0.7P0.0WRUiIN0P2.7RD/OEINT1/EOC

图4-9、ADC0809与89C51单片机的接口

由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。ADC0809具有三态数据输出，其8位数据线直接与CPU数据总线相连，地址译码线A、B、C共同接地，只选通IN0通路。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR/和P27控制ADC0809的地址锁存和转换启动。由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。再读取转换结果时，用单片机的读信号RD/和P27给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。由原理图可知，P27与ADC0809的ALE、START和OE之间有如下关系：

ALE?START?WR?P2.7OE?RD?P2.7????第 30 页 共 64页

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

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

图4-15、7段数码管结构图 4.6.2数码管结构

led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数

共阴极 一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。 4.6.3驱动方式

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

第 36 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

图4-16、7段数码管静态显示电路原理图

图4-17、7段数码管静态显示电跩 原理图之锁存译码电路

第 37 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 4.6.4适用范围

电流：静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。

电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色与黄绿色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色/蓝色时，使用3.1V乘以每段的芯片串联的个数。

数码管是显示屏其中一类， 通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。

由于它的价格便宜 使用简单 在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏 4.6.5恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响

显示效果：由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大， 并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿。

安全性：即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止 由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。

另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。

第 38 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。

4.7 CD4511

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器。

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴LED数码管。 4.7.1引脚功能

CD451管教分布如图，其可引脚功能为：

A0~A3：二进制数据输入端

/BI：输出消隐控制端

LE：数据锁定控制端 /LT：灯测试端 Ya~Yg：数据输出端 VDD：电源正 VSS：电源负

图4-18、CD451管脚图

第 39 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

4.7.2工作范围

电源电压范围：3V~18V 输入电压范围：0V~VDD

工作温度范围：M类 -55℃~125℃ E类 -40℃~85℃ 4.7.3真值表

图4-19、CD451真值表

4.7.4使用方法

其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED

数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示 6、

9 这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和 CD4518配合而成一位计数显示电路，若

第 40 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511是一片CMOS BCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图18所示。其中a b c d 为BCD码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。用CD4511实现LED与单片机的原理如下4-20图：

图4-20、LED与单片机的原理

4.7.5锁存功能

第 41 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

译码：CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

消隐：BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为

J==（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得

J=（B+C）D

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐

本设计中的数码显示器采用6个LED显示器组成,单片机处理后送出的显示数据一般为BCD码,由外扩的BCD码到7段显示码的硬件译码器件,对BCD码进行译码后得到LED显示码,送给显示器显示所需的字符,这里采用的硬件译码器件是CD45ll。6个LED动态扫描显示电

DS1DS2路如图4-21： DPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPcdpcdpbbDPYDPYDPYDS3DPY_7-SEG_DPcdpbDPYDS4DPY_7-SEG_DPcdpbDPYDS5DPY_7-SEG_DPcdpbDPYDS6DPY_7-SEG_DPcdp95114dbaaaaaggggagddddabcfdeefgpdabcfdeefgpdabcfdeefgpdabcfdeefgpdabcfdeefgpddABCDEFDGPABCDEFDGPABCDEFDGPABCDEFDGPABCDEFDGP13121110915141312111095114131211109151413121110951141312111091514U164511U154511U144511U134511U12451113121110ABCDEFDGPabcfdeefgpdgU114511ABCDEFGABCDEFGABCDEFGABCDEFGABCDEFGLTBILELTBILELTBILELTBILELTBILE712634571263457126345712634571263457126345LTBILEABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDEFGU9VCCVCCVCCVCCVCCVCC79101112131415Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y074LS138G2BG2AG1546CBA321

图4-21、6个LED动态扫描显示电路

第 42 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

4.8 通信接口电路

从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化的产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的电路中则显得更加简易、方便、灵活；串行通信一般可分为异步模式和同步模式。为了简化硬件电路设计及系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。本系统主要用到外部总线，在此重点介绍一下外部总线。外部总线是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。 4.8.1 Rs485特点

RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(0.2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点 4.8.2接口

RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制（以前有四线制接法，只能实现点对点的通信方式，现很少采用），多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。

第 43 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

另有一个问题是信号地，上述连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：

(1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中 共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

(2)EMI(电磁兼容性)问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），信号中的共模部分就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路： （1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。

（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。 4.8.3 rs485功能

MAX485芯片功能表，见下表2所示。

表2 MAX485芯片功能表

发送功能表 输入 RE 输入接收功能表 输出 输入 Y 1 0 高阻 高阻 RE 输出 DE 0 0 0 0 A-B >0.2V <-0.2V 输入开路 X RO 1 0 1 高阻 DE 1 1 0 0 DI 1 0 X X Z 0 1 高阻 高阻 X X 0 1 0 0 0 1 MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。R0和D1端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态下，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数

第 44 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

据位1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据位0。在单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送。同时将A和B之间加匹配电阻，一般可选100?的电阻。 4.8.4 RS-485通信电路

RS-485通信电路如下4-22图：

VCCR2110KRX0R22RES2123TX04ROREDEDIU17MAX485VCCBAGND8765VCCJ1CON4R24RES21234D?R23RES2LED

图4-22、RS-485通信电路

单片机PD2输出的R/D信号直接控制MAX485 芯片的发送器/接收器使能：DE/RE信号为“1” ，则MAX485芯片的发送器有效，接收器禁止，此时单片机可以向RS-485总线发送数据字节；DE/RE信号为“0”，则MAX485芯片的发送器禁止，接收器有效，此时单片机可以接收来自RS-485总线的数据字节。此电路中，同一时刻MAX485芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。连接至A引脚的上拉电阻RA、连接至B引脚的下拉电阻RB用于保证无连接的MAX485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485 节点与网络的可靠性。

TLP521光耦用于保护网络正常通信。对使能端（DE/RE）的控制采用光耦隔离的方法，上电复位时，各个I/O口是高电平，经过TLP521光耦后，使得MAX485芯片的使能端DE/RE为低电平处于接收状态，不影响485总线的通信，这种设计防止了复位或死机重启时导致485网络混乱。

第 45 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

五．系统软件设计

目前，各种测量仪器多为智能型测试量器，在仪器的设计过程中，不可避免地使用微控制器或数字信号处理器作为测量仪的核心部分。因此测量仪的设计可分为两大部分：测量仪硬件设计和测量仪软件设计。测量仪的硬件设计是为实现测量仪的功能搭建平台，而测量仪的大部分功能是通过测量仪的软件来完成的。使用软件完成仪器的各项功能具有许多优点；如设计的仪器开发成本较低；对仪器进行开发调试比较简单；便于修改仪器的功能、提高仪器的性能等。

5.1 程序模块的划分

在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统有以下模块构成：主程序，时钟中断程序，数据采集处理子程序，显示程序，按键控制程序等。主程序主要完成系统初始化，装置自检等任务。系统的初始化部分包括CPU各端口输入输出设置、外围驱动，译码电路的初始化等。系统的数据采集处理子程序的功能书采集各相电压值、电流值。在定时中断服务程序中主要进行频率测量。

对于程序的设计应采用结构化程序设计，这样做的优点是：程序的结构规范、清晰：程序易于编写、阅读、修改和维护，进而减少程序出错的机会，提高程序的可靠性，保证了程序的质量。

5.2 结构化程序的设计方法

结构化程序的设计基本思路是把一个复杂问题的求解过程分阶段进行，每个阶段处理问题都控制在人们容易理解和处理的范围内。通常采用“自顶向下”的方法进行结构化程序设计，使用这种方法进行程序设计的优点是：考虑周全、结构清晰、层次分明、容易修改等。所谓“自顶向下”的程序设计方法是根据程序所要完成的功能，将程序首先划分成几个“功能块”，然后将各个“功能块”再细分为各个“子块”，依次下去直到不能再分为止。其中，每对程序模块划分一次，便构成一个程序的设计层次，达到将一个大任务分为若干个功能相对简单的子任务的目的。由此可见，模块划分是结构化程序设计的一个重要步骤。在对程序进行功能模块划分时，注意各个被划分的模块应相对独立，即一个模块完成一项功能，各模块之间的耦合性应尽可能小，这样才能保证在修改一个模块时，不会对另一个模块构成影响。在对程序进行正确的模块化分后，还应当对程序进行结构化的编码，即用程序设计语言完成程序设计中的三种基本结构：顺序、分支、循环。

第 46 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

5.3 软件模块

在对测量仪程序进行设计时，大体上将程序化分为两个层次：接口层和功能层。其中，接口层的程序主要完成对各种外部设备的驱动控制功能，这个层次的程序是完成整个测试仪功能的基础；功能层的程序是在接口层程序的基础上进行设计的，主要用来完成测试仪的各项操作功能。 5.3.1 主程序流程图

系统程序启动后，首先初始化系统，对系统进行清理。关闭中断，开始由数据采集电路对电压信号与电流信号的采集，所采集的数据经过处理后送入计数程序，数据组计数器加1，数据送入A/D转换器进行A/D转换，当A、D转换完成后进行下一环节，否则返回上一级继续A/D转换。确认转换完成后读取数据，判断所采样的数据是否够16组，若达到则继续，否则返回A/D转换环节。直至采集数据达到16组后，判断测量是否结束，若结束打开中断，否则返回数据采集环节重新进行以上步骤。当中断被打开后，出发中断进行所采集的数据的处理，并将处理完毕的数据显示出来，程序结束。

本设计的主程序流程图如下图5-1：

第 47 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

程序开始系统初始化关中断数据组计数器加1启动下一通道NA/D转化结束？Y读数据N采样达16点？Y测量结束？NY开中断触发中断数据处理显示

图5-1、主程序流程图

第 48 页 共 64页

华北科技学院毕业设计（论文）

5.3.2数据采集子程序

设计原理：根据离散化公式可知，由一个周期内不同时刻的电压。电流的采样值及每周期采样点可计算出电压和频率值。工频交流电标准频率为50HZ。根据89C51的12MHZ主频和ADC0809的25us的转换速度，采样周期定为400us，即一个周期内采16个点。

初始化电压信号输入选通当前电压信号N采样达16点?A/D转换Y结束储存数据 图5-2、数据采集子程序流程图

5.3.3数据处理程序 （1）电压处理程序 电压有效值公式

Urms1N?12??uk?TkTk?0

电压处理程序图如图5-3所示：

第 49 页 共 64 页

基于单片机原理的多功能测量仪的设计

开始赋初值sum1=0,counter=0Sum1=sum1/16求和sum=sum1+U（n）*U(n)U=√sum1计数增量count=count+1结束Count>=15？

图5-3、电压处理程序

（2）频率测量程序

对于频率的测量本设计采用中断的方式，程序如图5-4所示：

中断服务子程序停止计数器计数读计数器的技术指标计数器清零求工频频率启动计数器中断结束

图5-4、频率测量的中断方式

第 50 页 共 64页

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