基于单片机的单相数字电度表毕业设计

基于单片机的单相数字电度表毕业设计内容摘要：

噪声相当于一个高通滤波器 这种情况下产生噪声的频谱严格的依赖于采样速率积分器的时间常数以及电压反馈误差 图 22 所示频域线形化模型对∑一△调制器做进一步分析其中积分器模拟一个具有给定传递函数 H f 的模拟滤波器 H f 表明其幅频响应特性与输入频率成反比量化模拟放大器输出与量化噪声叠加使用频域分析方法的一个优点是可以利用代 数形式表示信号 输出信号 Y可以表示为输入信号 X在求和点处和输出信号相减即 xy 并与模拟滤波器 积分器 的传递函数及放大增益 g 相乘然后再与量化噪声 Q 相加 图 22 频域线形化模型 如果 g 1H f 1／ F 210 则有 Y xy ／ FQ 211 整理得 Y Xf／ F1 QF／ F1 212 由式 212 可以看出当频率 F接近于 0时输出 y接近于 x并且没有噪声分量当频率增加时 X 项的值减小而噪声分量增加对于高频输入输出主要是量化噪声 实际上模拟滤波器对输入信号具有低通滤波作用对噪声分量具有高通滤波作用因此可以将调制器的模拟滤波器的作用看成是一种噪声整形滤波器 和一般的滤波器一样滤波器的阶数越高其滤波性能越好因此高阶的∑一调制器得到广泛应用原理图如图 23 所示 图 23 二阶∑一调制器原理框图 数字滤波 ∑一△调制器对量化噪声整形后将量化噪声移到所关心的频带以外然后对整 形的量化噪声进行数字滤波数字滤波的作用有两个一是对于最终采样速率 Fs它必须起到抗混叠的作用二是它必须清除∑一△调制器在噪声整形的过程中产生的高频噪声 因为数字滤波器降低了带宽所以输出数据速率要低于原始采样速率直到满足奈奎斯特定理降低输出数据速率的方法是通过对每输出 M个数据抽取 1个数字的数字重采样办法这种方法叫做输出速率降为 1／ M 的采样抽取这种采样抽取的办法不会对数据产生任何损失它实际上是去除过采样过程中产生多余信号的一种方法 数字滤波器既可以用有限脉冲响应滤波器也可以用无限脉冲响应滤波器或者两个的组合有限脉 冲响应滤波器容易设计能与采样抽取过程合并计算具有线性相位特性等优点但是它需要计算大量的系数无限脉冲响应滤波器具有非线性特性不能与采用抽取过程合并而且需要考虑稳定性和溢出等问题所以应用起来比较复杂交流采样场合比较多采用有限脉冲响应滤波器 数字滤波器是数字信号处理的一个重要组成部分数字滤波器实际上是一种运算过程它是指完成频率选择或频率分辨任务的线性时不变系统的通用名称因此离散时间 LTI 系统也称为数字滤波器其功能是将一组输入的数字序列通过一定的运算后转变为另一组输出的数字序列因此它本身就是一台数字式的处理设备与模 拟滤波器类似数字滤波器按照频率特性划分也有低通高通带通带阻全通等类型由于频率响应的周期性频率变量以数字频率来表示 ／ fsfs 为模拟角频率 T 为抽样时间间隔为抽样频率 数字滤波器一般可以用两种方法实现一种是设计专用的数字硬件专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现另一种是直接用计算机将所需要的运算编成程序即用软件的方式来实现数字滤波 FIR 滤波器的频率采样型结构的优点首先它的系数 H k 直接是滤波器在 ／N178。 k 处的响应值因此可以直接控制滤波器的响应此外只要滤波器的 N 阶数相同对于任何频率响应形状其梳 状滤波器部分的结构完全相同只是各支路的增益 H k 不同因此频率采样型结构便于标准化和模块化 硬件设计 数字电能表的工作原理 采用乘法器实现对电功率的测量其工作原理框图如图 31 所示被测量的高电压 u大电流 i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器 M乘法器 M完成电压和电流瞬时值相乘输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压 U 然后再利用电压／频率转换器 U被转换成相应的脉冲频率 f将该频率分频并通过一段时间内计数器的计数显示出相应的电能 图 31 数字电能表工作原理框图 数字电度表总体设计方案框图 数字电能表的总体设计方案如图 32 所示各种硬件模块构成了整个数字电能表每个硬件模块都有着不同的功能在整个电表硬件系统中都承担着一定的作用模块与模块之间又通过 MCU[7]统一地联系在一起共同地形成了功能强大的智能电表系统各个硬件模块具体如下 1 STC89C52RC 单片机是整个电子式电能表硬件的核心部分它是电能表的大脑外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的单片机通过烧制在其中的各种程序 [8]控制着其它硬件模块的工作状态 2 ADC0832 是双通道 AD 转换芯片在整个硬件电路中发挥着重要作用主 要完成将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信息 3 电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进行隔离使强电和弱电分开将主网中的大电压大电流转化为小电压小电流以便提供给计量芯片进行信号处理 4 电源模块为整个电能表硬件系统正常工作供电它通过电能变换将主电网中的 220V交流降压整流为 5V的直流在掉电情况下为了保证时钟的连续性和准确性还有专用的电池供电 5 实时时钟为复费率电能表提供准确的时间信息以便于实现不同费率下电能的计量 6 按键模块采用独立是键盘模块本设计只需要按键来调时间通过设计只需要三个 按键来完成 7 显示模块目前常见的电子式电能表显示器件有三种液晶 LCD 发光二极管LED荧光管 FIP从成本和优缺点方面考虑我们选用液晶显示器 LCD达到节约用电和安全用电的效果 图 32 硬件系统框图 控制芯片 STC89C52RC 本课程设计单片机采用 STC89C52RC 单片机 STC89C51RCRD 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰高速低功耗的单片机指令代码完全兼容传统8051单片机 12 时钟机器周期和 6时钟机器周期可任意选择最新的 D版本内部集成 810 专用复位电路 1 增强型 6 时钟机器周期 12时钟机 器周期 8051CPU2 工作电压 55V34V5V片机 38V20V3V单片机 3 工作频率范围 040MHz相当于普通 8051的 0～ 80MHz实际工作频率可达 48MHz4 用户应用程序空间 4K8K13K16K20K32K64K字节 5 片上集成 1280字节 512字节 RAM6 通用 IO口 3236个复位后为 P1P2P3P4是准双向口弱上拉普通 8051 传统 IO 口 P0 口是开漏输出作为总线扩展用时不用加上拉电阻作为 IO 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仿真器可通过串口 P30P31直接下载用户程序 8K程序 3秒即可完成一片 8 EEPROM 功能 9 看门狗 10 内部集成 810 专用复位电路 D 版本才有外部晶体 20M 以下时可省外部复位电路单片机包含中央处理器数据存储器 RAM 定时计数器并行接口串行接口和中断系统等几大单元及数据总线地址总线和控制总线等三大总线 3 所示 图 33 STC89C52RC 芯片图 引脚的功能主电源引脚 Vss 20 脚 地线 Vcc 40 脚 5V 电源外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1 19 脚 当采用芯片内部时钟信号时接外部晶振的一个引脚当采用外部时钟信号时此 脚应接地 XTAL1 18 脚 当采用芯片内部时钟信号时接外部晶振的一个引脚当采用外部时钟信号时外部信号由此脚输入控制选通或电源复用引脚 RSTVp0 9 脚 复位信号输入 Vcc 掉电后此脚可接上备用电源在低功耗条件下保持内部 RAM 中的数据 ALEPROG 30 脚 ALE 即允许地址锁存信号输出当单片机访问外部存储器时该脚的输出信号用于锁存 P0 的低 8 位地址其输出的频率为时钟振荡频率的 16PROG为编程脉冲输入端当选用 8751单片机时由此脚输入编程脉冲 29 脚 访问外部程序存储器选通信号低电平有效用于实现外部程序存 储器的读操作 Vpp 31脚 EA为访问内部或外部程序存储器选择信号 EA 0 单片机只访问外部程序存储器故对 8031 此脚只能接地 EA＝ 1 单片机访问内部程序存储器固对 8051和 8751此脚应接高电平但若程序指针 PC值超过 4KB OFFFH 范围单片机将自动访问外部程序存储器多功能 IO 引脚 P0 口 32～ 39 脚 P0 数据地址复用总线端口 P1 口 1～ 8 脚 P1 静态通用端口 P2 口 21～ 28 脚 P2 动态端口 P3 口 10～ 17 脚 P3 双功能静态端口除作 IO 端口外它还提供特殊的第二功能其具体含义为 P30 10 脚 RXD 串行数据接收端 P31 11脚 TXD 串行数据发送端P32 12 脚 INT0 外部中断 0 请求端低电平有效 P33 13 脚 INT1 外部中断 1 请求端低电平有效 P34 14 脚 T0 定时器计数器 0 计数输入端 P35 15脚 T1 定时器计数器 1计数输入端 P36 16脚 WR 外部数据存储器写选通低电平有效 P37 17脚 RD 外部数据存储器读选通低电平有效 ADC0832 芯片 ADC0832 芯片如图 34[12]是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率双通道 AD 转换芯片由于它体积小兼容性强性价比高而深受单片机 爱好者及企业欢迎其目前已经有很高的普及率学习并使用 ADC0832 可是使我们了解 AD 转换器的原理有助于我们单片机技术水平的提高 ADC0832 具有以下特点 178。 8 位分辨率 178。 双通道 AD 转换 178。 输入输出电平与 TTLCMOS 相兼容 178。 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间 178。 工作频率为 250KHZ 转换时间为 32μ S 178。 一般功耗仅为 15mW 178。 8P14PDIP 双列直插 PICC 多种封装 178。 商用级芯片温宽为 0176。 C～ 70176。 C 工业级芯片温宽为 40176。 C～ 85176。 C 图 34 ADC0832 芯片接口 说明 178。 CS 片选使能低电平芯片使能 178。 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN使用 178。 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN使用 178。 GND 芯片参考 0 电位地 178。 DI 数据信号输入选择通道控制 178。 DO 数据信号输出转换数据输出 178。 CLK 芯片时钟输入 178。 VccREF 电源输入及参考电压输入复用 ADC0832 为 8 位分辨率 AD 转换芯片其最高分辨可达 256 级可以适应一般的模拟量转换要求其内部电源输入与参考电压的复用使得芯片的模拟电压输入在05V之间芯片转换时间仅为 32μ S据有双数据输出可作为数据校验以减少 数据误差转换速度快且稳定性能强独立的芯片使能输入使多器件挂接和处理器控制变的更加方便通过 DI 数据输入端可以轻易的实现通道功能的选择 正常情况下 ADC0832与单片机的接口应为 4条数据线分别是 CSCLKDODI但由于 DO端与 DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平此时芯片禁用 CLK 和 DODI 的电平可任意当要进行 AD 转换时须先将 CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束此时芯片开始转换工作同时由 处理器向芯片时钟输入端 CLK输入时钟脉冲 DODI端则使用 DI端输入通道功能选择的数据信号 作为单通道模拟信号输入时 ADC0832的输入电压是 05V且 8位分辨率时 的电压精度为 1953mV如果作为由 IN与 IN输入的输入时可是将电压值设定在某一个较大范围之内从而提高转换的宽度但值得注意的是在进行 IN 与 IN的输入时如果 IN的电压大于 IN 的电压则转换后的数据结果始终为 00H 电压电流采样模块 一方面为了将数字电能表的计量芯片与电力线隔离另一方面又要完成电压电流的采样．前置模拟电压和电流取样电路一般有两种 一种是通过电阻分压和分流的方法获得的另一种是通过电压互感器和电流互感器的方法获得考虑成本等因素本设计中电压采样选用电阻分压的接法电流取样选用电流互感器 表 31 电流通道增益选择表 1 电流通道 线路电流传感器的输出电压接到 AD0832的通道 V1该通道采用完全差动输入VIP为正输入端 VIN为负输入端通道 1的最大差动峰值电压应小于 470mV 有效值为 330mV 通道 1 有一个 PGA 其增益可选择为 128 或 16 如表 31 所示这使传感器接口的设计大为简单 VIP和 VIN引脚上的最大差动电压为 470mV在这两个引脚上的差 动信号必须以一个共模端作为参考点如 AGND 最大共模信号为 100mV 本设计选择电流互感器 CT 作为电流传感器如图 35所示通道 l的共模电压是 AGND它是通过负载电。