基于单片机的电网数据采集系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的电网数据采集系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

无关的看门狗启用 PFUSE, PVIN 20,11 I 安全使用保险丝 SPCE061A 系统的特性参数 SPCE061A 系统的特性参数如表所示 [8]： 表 22 SPCE061A 系统的特性参数 特性参数 SPCE061A 工作电压 最大工作速率 CPU 16 位 μ’nSP™ SRAM 容量 2K 字 ROM 容量（字） 32K 闪存 ROM 并行 I/O 端 口 A IOA150 并行 I/O 端口 B IOB150 音频输出方式 DACx2 中断源 TimerA/B 时基信号发生器 外部中断 触键唤醒 唤醒源 IOA70 其他中断源 定时器 /计数器 双 16 位加计数定时器 /计数器 双通道 PWM 输出 UART 具备 ADC 7 通道 10 位电压模 数转换器（ ADC）和单通道声音模 数转换器（ ADC） 串行 SRAM 接口 具备（凌阳格式） 晶振 具备 低电压复位 具备 低电压监测 具备 内置 ICE 接口 具备 上电复位 具备 麦克风放大器和自动增益 控制 单通道 节电功能 具备 中断控制功能 具备 触键唤醒功能 具备 基于单片机的电网数据采集系统的设计 12 SPCE061A 功能说明 （ 1） 处理器 SPCE061A 配备了凌阳科技开发的最新的 16位微处理器 μ39。 nSP™。 8 个寄存器参与μ39。 nSP™： R1 R4 的（通用寄存器）， PC（程序计数器）， SP（堆栈指针），基本指针（ BP）和 SR（段寄存器）。 该 中断包括三个 FIQs（快速中断请求）和 8 个 IRQ（中断请求） ， 以及一个软件中断。 此外，高性能的硬件乘法器 和 FIR 滤波器的能力以减少软件乘法加载 [9]。 （ 2） 内存 a． 静态存储器 拥有 2K 字的 SRAM（包括堆栈 区 ），访问两个 CPU 时钟周期的速度介于 $0000 到$07FF。 b． 闪存 快闪记忆体（ $008000〜 $00FFFF）是一种高速记忆体， 是 访问两个 CPU 时钟周期的速度。 使用 IDE 工具 完成 闪存擦除和程序的功能。 （ 3） 锁相环，时钟，电源模式 a． PLL（锁相环） PLL 的目的是提供一个基本频率（ 32768Hz）和抽 取 频率 到 系统 时钟（振荡频率）。 默认锁相环频率为。 b． 系统时钟 基本上，系统时钟是由 PLL和程序 由 Port_SystemClock（ W）来确定时钟频率 系统。 如果没有指定 ， 默认的系统时钟振荡频率 = 的和 八分之一的 CPU时钟振荡频率。 最初 八分之一的 CPU 时钟振荡频率后，系统醒来并调整到所需的 CPU 时钟的编程Port_SystemClock（ W）。 这避免了闪存 ROM 读取失败时系统醒来。 c． 32768Hz实时时钟 实时时钟（ RTC）通常用于手表，时钟或其他相关产品的时间。 加载在 SPCE061A的 一个 2Hz时钟（ 1/2 秒）函数。 RTC 的计数时间以及醒来时， CPU最高时钟发生。 是由于时钟产生的每 秒，时 间可追溯这些数字对 RTC 的发生。 此外， SPCE061A 的支持 32768Hz振荡器模式和强大的 auto_weak模式。 在强大的模式， 32768Hz振荡始终运行在最高功耗。 但是，在 auto_weak模式， 它运行的第一个 750 强模式秒和更改回自动模式 auto_weak保存的权力。 （ 4） 功率节省模式 该 SPCE061A 的还提供了省电模式（待机模式）用于低功耗应用的需求。 要进入待机模式下，所需的键唤醒端口（ IOA [7:0]）必须被配置为输入的第一个。 和阅读Port_IOA_Latch（ R）的锁存 IOA 前的状态进入 待机模式。 还记得让对应的中断源（ s）为唤醒。 在此之后， CPU时钟停止时钟寄存器（ b0〜 b2 的 Port_SystemClock（ W））进基于单片机的电网数据采集系统的设计 13 入待机模式。 在这种模式下，静态存储器和 I/O 留在 CPU 的到以前的状态正唤醒。 在SPCE061A 的该唤醒来源包括港口 IOA70 和 IRQ1IRQ6。 随着 SPCE061A 唤醒后，该组继续执行程序。 程序员也可以启用或禁用 32768Hz振荡时的 CPU处于待机模式 [10]。 （ 5） 低电压检测和低电压复位 a． 低电压检测（ LVD）认证 有两个 电压 级别选择：为。 这些都可 通过 Port_LVD_Ctrl（ W） 进行控制。 假设 VLVD=。 当电压下降 ， 那么 对 Port_LVD_Ctrl b15读 数就 高。 在这种状态，可以设计程序以应对这种情况。 b． 低电压复位 除了 低电压检测 ， SPCE061A 的另一个重要的功能 是 低电压复位（ LVR）。 那么 有了 LVR 功能，电压下降为低于 时会在 连续 4 个时钟周期 后产生 一 个 复位信号 完成复位系统的操作。 无 LVR，故障时 CPU变得不稳定，工作电压下降为。 （ 6） 中断 SPCE061A有 14个中断源，分为两种类型， FIQ（快速 中断请求）和 IRQ（中断请求）。 FIQ的优先权高于 IRQ。 FIQ是高优先级中断而 IRQ是低优先级之一。 一个 IRQ，可以通过FIQ中断，而不是 通过 其他的 IRQ。 一个 FIQ不能中断任何其他中断源。 表 23 SPCE061A的 中断源 中断源 中断优先级 优先级 Fosc/1024 溢出信号 FIQ/IRQ0 高 Timer A 溢出信号 FIQ/IRQ1 高 Timer B 溢出信号 FIQ/IRQ2 高 外部时钟源输入信号 EXT2 IRQ3 低 外部时钟源输入信号 EXT1 IRQ3 低 触键唤醒信号 IRQ3 低 4096Hz时基信号 IRQ4 低 2048Hz时基信号 IRQ4 低 1024Hz时基信号 IRQ4 低 4Hz时基信号 IRQ5 低 2Hz时基信号 IRQ5 低 频选信号 TMB1 IRQ6 低 频选信号 TMB2 IRQ6 低 UART 传输中断 IRQ7 低 （ 7） 输入 /输出端口 SPCE061A 内置 的两个 I/O 端口 ， A 口 和 B 口。 A 口 具有 普通的 I/O 可编程唤醒功能。 除了定期的 IO 功能， B 口还可以执行某些引脚 的 一些特殊功能。 假设工作电压在 运行（ VDD）和 VDDIO（ 用于 I/O 电源）从至 （ VDD）至。 在这种情况下，I/O 板是从 0V通过 VDDIO 控制的。 然而 IOB13 和 IOB14 操作建议在待机状态 =模式，否则这两个内部 端口会 漏电。 基于单片机的电网数据采集系统的设计 14 虽然数据可以从不同的地方写入相同的寄存器通过 Port_Data和 Port_Buffer， 缓冲区（ R）和数据（ R）。 IOA [7:0]是关键唤醒端口。 要激活键唤醒功能，闩锁 PORT_IOA_Latch是 数据使唤醒功能的关键。 唤醒时，就会触发该门的状态在不同的时间锁定。 除了一个普通的 I/O 端口， PORTB 的带有一些特殊功 能。 PORTB 的一些 特殊功能的摘要列举如下： 表 24 B 口 的 特殊功能 端口 B 特殊功能 功能说明 标注 IOB0 SCK 时钟串行接口 参照见串口部分 IOB1 SDA 数据串行接口 参照见串口部分 IOB2 EXT1 外部中断源 1（负边沿触发） IOB2 设置为输入模式 IOB2 反馈输出 1 与 IOB4 工程之间，增加了 RC 电路来得到一个振荡器来 EXT1中断 IOB2 设置为反向输出 IOB3 EXT2 外部中断源 2 IOB3 设置为输入模式 IOB3 反馈输出 2 与 IOB5工程之间增加了 RC 电路来 得到一个振荡器来的 EXT2中断 IOB3 设置为反向输出 IOB4 反馈输入 1 IOB5 反馈输入 2 IOB7 Rx UART 接收器 参照看到的 UART 部分 IOB8 APWMAO TimerA 的 PWM 输出 参照定时器 /计数器部分 IOB9 BPWMAO TimerB 的 PWM 输出 参照定时器 /计数器部分 IOB10 Tx UART 发送器 参照 UART 部分 参照上表，在 IOB2， IOB3， IOB4 配置，和 IOB5 涉及反馈功能，其中一个振荡器频率可从 EXT1（ EXT2 文件），通过简单地增加 RC 电路与 IOB2（ IOB3）和 IOB4（ IOB5）。 （ 8） 定时 /计数器 SPCE061A 提供了两个 16 位定时器 /计数器，定时器 A 和定时器 B。 定时器 A 被称为通用计数器。 定时器 B 是一个通用计数器。 定时器 A 的时钟源来从时钟源和时钟源组合 B， 在定时器 B 的时钟源给出 C，当计时器溢出，一个 INT 信号发送到 CPU 的产生超时信号。 表 25 SPCE061A 的 定时 /计数器 时钟源 A 时钟源 B 时钟源 C Fosc/2 2048Hz Fosc/2 Fosc/256 1024Hz Fosc/256 32768Hz 256Hz 32768Hz 8192Hz TMB1 8192Hz 4069Hz 4Hz 4069Hz 1 2Hz 1 0 1 0 EXT1 EXT2 EXT1 基于单片机的电网数据采集系统的设计 15 3 系统的硬件设计 电压传感器的选择 和设计 霍尔元件的工作原理 所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。 金属的霍尔效应是 1879 年被美国物理学家霍尔发现的。 当电流通过金属箔片时 ， 若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。 半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明 显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。 当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 原理 （如图 31） 简述如下：激励电流 I 从 a、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片 ， 这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c、 d 方向产生电场 E。 电子积累得越多， FE也越大，在半导体薄 片 c、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。 流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度 B 越强，霍尔电势也就越高。 磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。 假如磁感应强度 B 不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 α时，实际上是作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即 Bcosα，这时的 霍尔 电动势 EH 的基本关系为 ： EH=KHIBcosα 式中 KH— 霍尔系数； I— 通过的电流 ； B— 垂直 于 I 的磁感应强度。 图 31 霍尔元件的原理 图 由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。 利用这一原理可以设计制成霍尔基于单片机的电网数据采集系统的设计 16 电流传感器。 其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感 [11]。 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。 根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。 若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动 速度 [12]。 霍尔电压传感器的选择 LV28P 霍尔电压传感器， LV系列 霍尔电压传感器 是应用霍尔效应的闭环（补偿）电压传感器 ， 符合 94－ V0 标准的绝缘外壳，对于电压测量原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻确定，并串联在传感器原边回路上。 其优点在于：出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强。 霍尔电压传感器 的 原边回路和副边回路之间高度绝缘隔离，可用于测量直流、交流、。