基于单片机的电力数据采集系统设计

基于单片机的电力数据采集系统设计内容摘要：

支持 Visual Basic、 C、 C++和 J语言。 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、Smart Phone 和 Pocket PC 应用程序。 几乎适用于任何类型应用程序的“拖放式”用户界面设计器。 包含一个用于测试 Web 应用程序的内置 Web 服务器，无需 IIS。 支持母板页，用于跨 Web 应用程序维护一致的外观。 用于简单、直观地进行调试的“编辑并继续”功能。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 51 页 3 数据采集 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 所示： 图 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： RS232标准接口串行通信和 PL2303USB— UART 通信，由芯片 RS232 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,单片采集信号 A / D转换器 单片机 滑动变阻器调节按键 RS232 或PL2303 LED 显示器 单片机 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 51 页 机等组成。 方案论证 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 Keil Uvision3 把程序下载到单片机内。 而本设计选用的是 STC89C52。 A/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 2n1 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。 串行口的选择 串行口我选用了标准 RS232C 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。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 51 页 我们还采用了 USBUART 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。 LED 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]。 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。 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。 RS232C 接口（又称 EIA RS232C）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、结束信单片机 1 (5V) TXD RXD GND 单片机 2 (5V) RXD TXD GND 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 51 页 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 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 51 页 4 硬件部分 硬件芯片选择及功能简介 单片机的概述 单片机 是一种集成 电路 芯片 ，是采用 超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的 中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和 中断系统 、定时器 /计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、 脉宽调制 电路、模拟多路 转换器 、 A/D 转换器 等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的 微型计算机系统 ，在工业控制领域广泛应用。 从上世纪 80年代，由当时的 4位、 8位 单片机 ，发展到现在的 300M的高速单片机。 总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面 [21]。 本设计采用 89C51作为系统的主控芯片，芯片结构框图如下： 外部事件计数输入 DBUS 内中断 外中断 控 制 P0 P2 P1 P3 串行通信 地址 /数据 图 89C51 单片机结构框图 振荡器和时序 OSC 程序存储器4KB ROM 数据存储器256B RAM/SFR 2x16位定时器 /计数器 89C51 CPU 可编程全双工 串行口 可编程 I/O 口 64KB 总线扩展控制器 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 51 页 89C51单片机包含： （ 1）一个 8位的 80C51微处理器。 （ 2）片内 256字节数据存储器 RAM/SFR，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果，最终结果以及欲显示的数据等。 （ 3）片内 4KB 程序存储器 FLASH ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。 （ 4） 4个 8位并行 I/O 端口 P0P3，每个端口既可用作输入也可用作输出。 （ 5）两个 16位的定时器 /计数器，每个定时器 /计数器都可设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式。 （ 6）具有 5个中断源、两个中断优先级和中断控制系统。 （ 7）一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于 实现单片机之间或单片机与 PC 机之间的串行通信。 （ 8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为 24MHz。 （ 9） 89C51单片机与 8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。 STC89C52 的概述 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可 擦除 只读存储器（ FPEROMFlash Programmability And Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 COMOS8 的微处理器，俗称单片机 [22]。 该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 在 STC89C52 内部有 FLASH 程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。 编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。 STC89C52具有以下标准功能： ① 增强型 8051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意选择， 指令代码完全兼容传统 8051； ② 工作电压： ～ （ 5V单片机） /～ （ 3V 单片机）； ③ 工作频率范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8051 的 0～ 80MHz，实际工作频率可达48MHz； ④ 用户应用程序空间为 8K 字节； ⑤ 片上集成 512 字节 RAM； 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 51 页 ⑥ 通用 I/O口（ 32 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉， P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻； ⑦ ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ RXD/,TXD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； ⑧ 具有 EEPROM 功能； ⑨ 具有看门狗功能； ⑩ 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发 电路， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒； 11 通用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART； 图 STC89C52的引脚图 STC89C52RC 单片机的工作模式 ： 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 51 页  掉电模式：典型功耗 A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；  空闲模式：典型功耗 2mA；  正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA；  掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备 其引脚图，如图。 它一共有 40个引脚，引脚又分为四类。 其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。 工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。 还有两个时钟引脚 XTALXTAL2。 还有由 P0口、。