1、 基于单片机的简易交流采样摘要：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、频率等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。基于此，此次设计采用单片机 AT89C52 实现电力监控系统的交流采样,即系统采集的是交流电压和电流，不需变送器进行交直流转换。模数转换器ADC0809 对三相交流电压和电流分时进行模数转换，把得到的数字量送单片机进行数据处理，然后通过 LED 数码管显示电压和电流的实时值。关键词：AT89C52 单片机；电力参数测
2、量；交流采样；模数转换器目 录摘 要( )1 概述(2)1.1 题目的意义.（2）1.2 组员所做的工作情况（2）1.3 系统的主要功能.（2）2 硬件电路设计及描述（3）2.1 方案的选择背景及设计思想.（3）2.2 原理框图及各功能单元之间的逻辑关系（4）2.3 系统工作原理（4）2.4 原理电路图及各元器件之间的实际连接关系（5）2.5 元器件清单列表.（5）3 软件设计流程及描述（6）3.1 系统模块层次结构图.（6）3.2 程序流程图（8）3.3 源程序代码（9）4 系统组装调试（13）5 总结.（13）参考文献（14）概 述1.1 题目的意义在微机技术发展初期，电力监控系统普遍采用
3、经过变送器的直流采样方法，即经过变送器整流后的直流量。这种方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，因而采样周期短。由于以上特点，该方法在微机应用初期得到了广泛的应用。但经过变送器的直流采样方法存在一些问题，如测量精度直接受变送器的精度和稳定性的影响，设备复杂，监控系统造价高等。随着科技的发展，仪器仪表的发展更新越来越进步。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。微机技术的发展，使微机系统主频提高，指令功能变强，模数转化芯片技术的提高，成本的降低，使得交流采样的运用成为可能。由于交流采样去掉变送器，按一
4、定的规律对被测量的瞬时值进行采样，用一定的算法求得被测量，即用软件的功能代替硬件的功能，从而降低了系统造价。所以，研究运用交流采样技术实现电量的数据采集具有很大的意义。1.2 组员所做的工作情况姓名 学号 负责事宜王静雅 10807040426资料搜集、电路板的焊接系统调试周航 10807040437资料收集、源程序的修改系统组装李博 10807040409 资料收集、绘制原理图1.3 系统的主要功能a) 利用电压电流互感器和 AD 转换芯片采集交流电压电流信号b) 轮流显示三相电压电流c) 系统工作符合一般交流采样要求2 硬件电路设计及描述2.1 方案的选择背景及设计思想根据采样信号的不同，
5、可以分为直流采样和交流采样两大类。所谓直流采样是把交流电压、电流信号转化为 05V 的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实时采集，因而在电力系统中的应用受到了限制。交流采样是把交流量转化为 5V（或 05V）的交流电压进行采集，交流采样实时性好、相位失真小、便于维护，随着计算机和集成电路技术的发展，交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对 A/D 的速度要求高等已逐步得到克服。交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点。交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。同步采样的具体作法是将信号的一个整周期(或多个
6、周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值。如被测信号频率有偏移,常利用锁相环电路或过零检测环节以保证采样同步。同步采样对采样速率 N 及采样周期的选择既要满足采样定理的要求，又要满足实时处理的要求。同步采样中由于 N 次均匀采样间隔 h 之和很难与一个周期 T 或 m 个周期 mT 严格相等，它们之间的差异 dhNmT，称作同步误差。在实际测量中，很小的同步误差也会产生较大的测量误差。为了减小同步误差对采样的限制，准同步采样的方法便应运而生。准同步采样是在多个周期内均匀采样，然后根据特定的数值求积公式进行递推运算，它是以较多的数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响，而且在采
7、样期间要求信号波形必须稳定。同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况，若要对频率范围很宽的信号采样，则宜采用异步采样的方法。异步采样采取等间隔采样方式，在较多周期上利用高采样率获取大量数据，对其求平均值，这样即使存在同步误差，其影响也将大为缩小。交流采样原理若将电压有效值公式离散化,以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值,则式中：Tm 为相邻两次采样的时间间隔;um 为第 m-1 个时间间隔的电压采样瞬时值;N 为 1 个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等,即 Tm 为常数 T,考虑到 N=(T/T)+1,则有式（1）就是根据一个周期各采样
8、瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同理,电流有效值计算公式如下：计算一相有功功率的公式离散化后为式中：im、um 为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求得：cos=P/UI。2.2 原理框图及各功能单元之间的逻辑关系2.3 系统工作原理此系统是以 89C52 为主控制器，系统把取样采集电路得来的电压电流信号分别通过放大、整流, 再通过 A/D 转换芯片，实时把模拟量转化为数字量，再经单片机分析处理，进行数值积分，可得到变压器副边电压值、电流值，并送到外部显示单元显示。硬件设计具体包括单片机最小系统部分（键盘、显示）、信号采集部分、数模转换部分。下面将各部分详细介绍如下：
9、单片机最小系统部分基于 89C52 单片机电力运行参数测量装置是通过硬件与软件密切配合完成的。其硬件装置的作用是对电压信号、电流信号采样，把它们转换成适合微机处理的信号，在设计具体电路时要考虑便于与单片机连接，故本系统采用与89C52 单片机构成了一个带数码管显示单片机最小系统。电压、电流采样电路根据电压和电流在电路中的特点，电压取样电路可采用并联在电源两端来实现。电流取样电路可采用串联在电路回路中的电阻分压来实现。如下图所示PTCT传感器输入采样保持模数转换889C52 74ls244显示2.4 原理电路图及各元器件之间的实际连接关系系统中为了能成功的显示被采集的电压和电流，连接数显的时候，
10、我们用了一个驱动译码器 74ls244，它是四位输入，四位数出的器件，在实验室里，我们的74ls244 是一个八位输入八位数出的译码器驱动，在这里所以说我们给系统连接上了两个 74ls244，其中 OE=1，G=0 的时候使芯片从 A 端输入 B 端输出。2.5 元器件清单列表1 个 10K 电阻 2 个 30PF 电容 1 个 1UF 电容 1 个 12MHZ 石英晶体振荡1 个 ATC89C52 1 个 ADC0809 1 个 72LS244 1 个 4 位数显若干个 05K 电阻3 软件设计流程及描述3.1 系统模块层次结构图AT89C52P 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理
11、器，采用工业标准的 C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd （9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设
12、计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。在整个系统中，起着控制的作用，接收模数转换器之后的数字量，和驱动译码器相连实现数字的显示。AC 0809 AD 内部逻辑结构IN7IN 0模拟量输入通道,ALE 地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状
13、态送入地址锁存器中。START 转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在A/D 转换期间，START 应保持 低电平。本信号有时简写为 ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为 ADDA，ADDB 和 ADDC。CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号.EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。1
14、A11A4,2A12A4 输入端/1G, /2G 三态允许端(低电平有效)1Y11Y4,2Y12Y4 输出端，译码驱动的作用。3.2 程序流程图初始化选三相中一相进入 0809选通当前电压信号NY3.3 源程序代码#include sbit EOC= P20;sbit OUTPUT ENABLE= P21;sbit START= P22;sbit CLK= P23;sbit ADDC= P25;sbit ADDB= P26;sbit ADDA= P27;unsigned char code Select=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20;/位选定义unsigned c
15、har code Led_Codes= /数码管字符表0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, /0-40x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, /5-90x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86, /A,b,C,d,E0x8e,0xff,0x0c,0x89,0x7f,0xbf /F,空格，P,H，.,-;unsigned char Temp= 0,Flag;unsigned int Voltage=0;unsigned char Dat=0,0,0,0,0,0;A/D 转换存储数据切换到电流信号 A/D 转换 存储数据采样达到定点采样数?结束void Count()
16、START= 0;START= 1;START= 0;while(EOC=0); OE= 1;Temp= P0;Voltage= Temp*195; Dat3= Voltage/10%10;Dat2= Voltage/100%10;Dat1= Voltage/1000%10;Dat0= Voltage/10000;void display() /数码管字符显示函数 unsigned char i;unsigned int j; for(i=0;i0)P1=Led_CodesDati;elseP1=Led_CodesDati+0x80;P3=Selecti;for(j=1000;j0;j-);v
17、oid main()unsigned char i;unsigned int j;TMOD= 0x02;TH0= 6;TL0= 6;EA= 1;ET0= 1;TR0= 1;while(1)for(j=0;j0;i-)display();P3= 0x00;for(i=100;i0;i-)for(j=0;j5)Flag=0;switch(Flag)case 0:ADDC= 0;ADDB= 0;ADDA= 0;break;case 1:ADDC= 0 ;ADDB= 0;ADDA= 1;break;case 2:ADDC= 0;ADDB= 1;ADDA= 0;break;case 3:ADDC= 0;
18、ADDB= 1;ADDA= 1;break;case 4:ADDC= 1;ADDB= 0;ADDA= 0;break;case 5:ADDC= 1;ADDB= 0;ADDA= 1;break;void Timer0(void) interrupt 1 using 1/ unsigned int i,j;CLK= CLK;/ if(i=4000)/ / i=0;/ j+;/ 4 系统组装调试本系统的软件部分是在软件 Keil51 环境下编译并调试的。上面软件设计部分详细介绍了此软件的基本操作。 具体调试的过程为：打开已编辑的程序，查错无误后，点击“DEBUG”调试，应用编译器的单步执行功能“st
19、ep” ，即对所编写软件进行单步运行，通过观察软件执行情况来验证所编写软件是否按照软件流程图逻辑执行。同时，打开相关特殊功能寄存器，观察环境窗口中各个寄存器值的变化来检查所编写软件的正确性。通过对各部分功能程序进行反复调试，最终实现所编写的程序均已编译通过，软件无逻辑和语法错误，程序能够按软件流程图流程进行执行。这时，软件调试结束，准备把程序烧写入单片机中，结合硬件进行联合调试。软件和硬件分别调试成功后，将程序写到单片机中进行联合调试。通过设定仿真器的属性，从而通过仿真器实现软硬件联调。对应每个模块功能在硬件电路实现，通过仿真器的单步执行或断点执行及全速执行，来观察硬件电路的反应是否正常。通过
20、反复多次调试，并通过单步执行操作，观察软件中单条程序的运行是否与硬件各控制信号的动作相一致。调试过程中，发现一步操作结果不对，便分析原因进行修改，直到整个系统正常运行。5 总结本论文对交流采样的优点、原理和算法等方面作了全面分析，设计出了以AT89C51 单片机为核心部件的电力监控交流采样系统。总体工作包括有系统总体软件设计、各模块程序的设计和程序的实现及最终软硬件结合的上机调试。软件设计时，根据系统总要求和硬件设计时选择的芯片，查阅相关资料，研究相关算法，确定了系统总的软件流程。在各功能模块的设计中，逐步细化算法，分析各种算法的优缺点，结合自己的软件编写能力确定了最后的模块软件编写流程图。软
21、件编程，程序用汇编语言完成，在 Keil51 界面环境下编辑和调试。本论文运用单片机设计了测量交流电压和电流实时值的系统。但由于单片机工作环境的恶劣，所以我们必须要考虑其抗干扰能力。窜入单片机测量系统的干扰，其频谱往往很宽，而且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此还需要采用软件抗干扰措施。软件抗干扰技术所研究的主要内容，其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正轨的措施，如软件冗余、软件陷阱“看门狗”技术参考文献1万文略.单片机原理及应用.重庆.重庆大学出版社.20042邓泽霞、陈新岗.电路电子基础实验.北京.中国电力出版社.20093孙德文.微型计算机基础.北京.高等教育出版社.20084康光华.电子技术基础模拟部分.北京.高等教育出版社.20055康光华.电子技术基础数字部分.北京.高等教育出版社.20056张建勋.C 程序设计实用教程.北京.中国铁道出版社.2009
