电子与信息工程毕业论文：模拟电网数据采集系统的单片机设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计模拟电网数据采集系统的单片机设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着信息技术的飞速发展与普及，在现如今的很多领域，如控制、通信及检测等，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。对各种模拟量的数据的高速采集和处理在现代工业控制以及科学研究当中已成为必不可少的组成部分，在很多生产生活领域得到迅速而广泛的应用。如在信号测量、图像处理、音频信号处理等此类的高速的、高精度的测量中都需要进行高速的高性能的数据采集，并对所采集到的数据信号进行高速处理。在一些由单片机构成的较小数据采集系统中，对所采集到的信号进行实时处理，已经越来

2、越受到人们的重视。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等） ，需要把这些信号高速采集，并转换成为计算机可识别的数字信号。在电力系统中，随着电力系统技术的高速发展、自动化的程度日益提高，无人监控变电站的实现，为了实现对电网的监视和控制，就必须首先获得表征电网实时运行状态的遥测量、遥信量，其中电网电压、电流、功率都是必不可少的数据，需要对这些模拟量进行数据采集和处理，而传统的电气量测量方法已经跟不上时代的要求，取而代之的是微机测量技术，简单的讲就是采用高速数据采集系统对所需的模拟信号进行数据化的采集与处理，从而实现对电网的监视。关键字：单片机；数据采集；A/D 转换；LE

3、D 显示IIAbstractWith the rapid development of information technology and popularization, in nowadays a lot of fields, such as control, communication and testing etc, widely used in signal processing of digital computer technology. To all sorts of analog quantities of the high-speed data acquisition an

4、d processing data in modern industry control and scientific research, which has become an indispensable part of the field, and in many production and life is rapidly and a wide range of applications. As in signal measurement, image processing, audio signal processing of such as high-speed, high accu

5、racy measuring the needs of high performance high-speed data acquisition，and collected data for high-speed processing signal. In some of the smaller single-chip computers，the data acquisition system, collected signal of real-time processing, already more and more attention by people. Because the sys

6、tem are often some analog variables ( such as temperature, pressure, displacement, images, etc.)，need to put these signals, transforming it into high-speed data acquisition computers can recognize digital signal.In the power system, with the rapid development of electric power system technology, aut

7、omation degree, increasing the realization of unmanned surveillance substation. In order to realize the monitoring and control of power grids, they must first get characterization of running status of power system real time remote measure, remote communication, letter quantity. Among them the networ

8、k voltage, current, power are indispensable data, the quantity needed on these simulation data acquisition and processing. But the traditional electric parameters measurement method has couldnt keep up with the requirements of The Times, to be replaced by computer measurement technology. Simple spea

9、king by high speed data acquisition system is needed for the analog signals to a digital collection and processing power, so as to achieve the surveillance.Key words：Microcontroller； Data acquisition；A/D conversion；LED displayIII目 录前言 .第一章 设计任务与方案确定 .1.1 数据采集部分设计 .1.1.1 模拟信号源 .1.1.2 模拟信号采集电路 .1.1.3

10、信号采样保持与量化编码 .1.1.4 A/D 转换器的选取 .1.2 LED 显示控制部分设计 .1.2.1 主控模块 .1.2.2 单片机系统分析 .1.2.3 键盘与显示分析 .1.2.4 传输方式分析 .第二章 系统硬件设计 .2.1 单片机 AT89C51 介绍 .2.2 A/D 转换器内部结构引脚介绍 .2.2.1 A/D 转换器的分类 .2.2.2ADC0809 内部结构引脚介绍 .2.3 键盘与显示电路 .2.4 振荡源与复位电路 .2.5 ADC0809 与 MCS-51 系列单片机的接口 .第三章 系统软件设计 .3.1 主程序流程 .3.2 模/数转换 .3.3 标度变换与

11、数制转换 .3.4 LED 显示程序流程 .IV第四章 调试报告 .总 结 .致谢 .参考文献 .附录： .前言随着微型计算机技术的飞速发展与普及，数据采集系统在现代控制、通信及检测等领域得到迅速而广泛的应用。通过这一系统的应用对所需要的不同参数进行采集与监视。在电力系统领域，电力系统技术不断发展、自动化的程度日益提高。为了实现对电网的监视和控制，保证电网更安全可靠的运行，必须对电网实时运行时的电网电压、电流、功率以及功率因素等数据进行采集。于是需要设计一个数据采集系统，对电网的各种参数进行实时采集，并对所采集得的数据进行分析，处理，并实时显示与记录等。实时对电压值的采集与处理是对电网运行状态

12、进行监测不可或缺的数据，本设计就是围绕这一课题展开。设计的重点是电压数据的采集与处理以及对数据的实时显示。第一章 设计任务与方案确定设计任务要求1用普通开关和 0-5V 电压分别模拟电力系统电压变位开关量和电网输出电压，对开关量和输出电压进行采集、LED 显示和传送。2电压数据的显示与控制由 51 单片机实现。内容1以电位器模拟电压变送器，电位器的电压调节范围为 05 伏特，通过调节电位器改变电压值模拟变送器上输出的不同电压，构成数据采集系统的信号源部分。2对模拟电压信号进行接收采集并对信号进行 A/D 转换。3以单片机为控制中心，应用单片机的中断、定时等功能。4应用 LED 显示被测电压值根

13、据任务书，系统预实现的功能为：利用模数转换芯片（A/D）接受模拟电量的信息，对模拟电压信号进行采集与量化，然后由单片机进行处理，经处理后再通过 LED 数码管显示出来，以读取被测电压的电压值。该过程涉及模数转换，它的过程是利用单片机控制模数转换芯片（A/D） ，使它对外部输入的模拟电压信号进行采样，量化，编码然后转化为一个离散的数字量，接着提供给控制器作进一步处理。常用的 A/D 转换芯片有 ADC0809，ADC0808 等，他们都是 8 位的模数转换芯片，它们把采集得来的模拟量转换成为一个 8 位的二进制数。根据设计要求，此处模数转换采用ADC0809 芯片。系统预实现的功能如下：(1)

14、该系统开始执行主程序后便处于“等待状态” ，系统本身带有一个时钟，会自动开始显示当时的时刻。若用户想设定另一个时间作为初始时间，那么只要按 “D“ 键便可进入时间设定程序，此时用户就可以自由设定初始时间值，等初始时间值设定完成之后，标志位 “C“ 显示那么就表示初始时间设定完成并且从那一刻开始计时，此时 LED 数码管上将会实时显示当时的具体时刻的时、分、秒。(2)当在 “等待状态” 下按下键 F 的话，系统就会进入 “采集方式选择” ，此时， LED 数码管的最左边部分将显示出一个 F 字母 。当系统处在“采集方式选择”下时，只能输入数字，可输入的数字为 1 ， 2 ，3， 因为此时系统将对

15、其它字母或者数字都不可以识别。如果按下数字键 1，那么将进入采集方式一，此时显示的电位器 W1 上输出来的电压值并把此模拟量转换成对应的数字量，然后送到 LED 数码显示器的低三位显示出来，以读取被测电位器上的电压值；如果按下数字键 2，那么将进入采集方式二，此时电位器 W2 输出来的电压将被采集，然后转换成对应的数字量，最后送到 LED 数码显示器的低三位显示出来，以读取被测电位器上的电压值。如果按数字键 3 进入采集方式 3 ，那么此时采集系统将在每隔几秒钟的时间里在采集方式一和采集方式二之间来回切换，此时可以在 LED 数码管上能轮流观察到从采集方式一和采集方式二采集到的两个不同电位器上

16、的电压值。(3)此模拟电网采集系统实时采集电路电压，如果按下 “E” 键，那么将跳出采集电位器上电压的功能退出到最初的“等待状态” 。系统总体设计构思该模拟电网数据采集系统的设计要求是：以 ADC0809 A/D 转换器以及作为控制器的 51系列单片机为硬件核心。该系统不仅在硬件方面比较复杂，而且要实现该系统功能，还需要软件辅助控制。根据任务书的设计要求，鉴于单片机在自动控制方面的优良的性能和表现，设计采用单片机作为本系统的控制核心来控制 ADC0809 采集被测量的电压值。设计中采用电压值为 05V 的直流电压（由电位器调节产生） ，作为被采集的信号，用 ADC0809 进行数据的采样，用

17、AT89C51 单片机来处理和发送采集到的数据。系统大致由以下几大部分组成：单片机控制部分，LED 显示部分，数据采集部分，按键部分。系统的方案框图如图 1.1 所示。图 1.1 系统组成框图1.1 数据采集部分设计数据采集系统通常可分为以下几个组成部分：传感器，预处理电路（信号调理等功能） ，模数转换芯片（A/D）电路，单片机控制器，LED 数码显示管驱动电路。系统框图 1.2 所示图 1.2 数据采集系统各部分组成框图1.1.1 模拟信号源模拟信号源为电压信号，该电压信号分别通过调节两个电位器来产生，电压值的范围是单片机控制中心LED 显示部分数据采集 A/D按键部分信号源传感器预处理电路

18、模数转换芯片输入接口单片机键盘输入模块LED数码管05V，且为直流电压。1.1.2 模拟信号采集电路数据采集方式可分为顺序控制数据采集和程序控制数据采集两种。顺序控制数据采集，对各路被采集参数，按照时间顺序依次轮流采样。系统的性能完全由硬件设备决定。采集数据时，控制多路传输门开启和关闭的信号来源于脉冲分配器，在时钟脉冲的推动下，这些控制信号不断循环，使传输门以先后顺序循环启闭。在每次的采集过程中，所采集参数的数目、采样点数、采样速率、采样精度都是固定不变的。如果想要要改变这些指标，那么就需要改变接线方式或者更换设备。程序控制数据采集，分为硬件和软件两个组成部分。根据实际应用的不同采集需求，在程

19、序存储器中预先存放若干种信号采集程序，然后根据实际需求选择相应的采集程序进行采集工作，而且还可一通过编写程序来存入新的不同程序，以满足不同采样任务的需求。其数据采集原理如下图 1.3 所示。. . . .图 1.3 程序控制数据采集原理程序控制数据采集的采样通道地址可以随意选择，由存储器中读取的指令确定控制多路传输门开启的通道地址码。改变存储器中的指令内容就可改以变通道的地址。可见程序控制数据采集相当的灵活与方便，而顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，而且要在已有的硬件基础之上更换硬件是很困难的事，因此本设计选用程序控制数据采集方式来进行数据采集。系统采集多路模拟信号时，一般采用多路模拟开

20、关巡回检测方式，这种数据采集的方式利用多路开关让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。如果系统采集高速信号， 那么 A/D 转换器前端还需要加上一个采样/保持 (S/H) 电路。待测的模拟量通常不能直接就被转换成数字量，在此之前通常要进行信号的放大，特性补偿，滤波等环节的预处理。由于被测信号往往因为幅值较小，而且还有可能含有多余的高频分量等因素，所以待采集的模拟信号不能直接送给 A/D 转换器，在此之前需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常情况下希望输入到 A/D 转换器的待采集信号能接近 A/D 转换器的满量程，这样就可以保证转换的精

21、度，满足精度要求。所以在直流电源输出端与 A/D 转换器之间应当接入放大器进行处理。由于本设计中待测量的物理量已经是 05V 的直流电压，由于该电压值已经很大，已经满足 A/D 转换的输被测量被测量被测量多路传输门译码器信道地址寄存器入要求，所以本设计只需讲直流电源直接连接是 A/D 转换器的输入端，故放大器被省去。多路数据采集输入通道结构图如图 1.4 所示。. . . .图 1.4 多路模拟信号采集电路结构1.1.3 信号采样保持与量化编码当然采样的过程还不仅如此，为了恢复原来被采集的模拟信号，并且要使被恢复的信号不失真，就应该使采样频率的频率值大于等于被采样的模拟信号之中最高频谱频率值的

22、两倍，以上的关系是香农采样定理，用公式表示是 。由于 A/D 转换需要一个过程，这个max2fs过程的发生需要一定量的时间，所在每一次采集模拟信号的样值之后，需要使采样电压保持一段时间不变，一直到接着开始下次采样。待测的模拟信号经过信号调理电路，再经过采样与保持电路之后，就可以得到待测模拟信号的连续的脉冲样值，它们是待测的模拟信号在被采集的那一时刻上的一个瞬时值，但此时得到的样值还不是数字形式的信号，所以还需要把采集来的每个样值都进行转换，使之成为一些数字量，数字量的大小对应着它们的幅值的大小，幅值越大，转换得来的数字量就越大，幅值越小，转换得来的数字量就越小。这个过程是对所采集到的模拟信号进

23、行量化与编码的过程。1.1.4 A/D 转换器的选取1.转换时间的选择转换速度是指完成一次 A/D 转换所需时间的倒数，这是一个很重要的指标。不同型号的 A/D 转换器，转换速度差别很大。通常，8 位逐次比较式 ADC 的转换时间大约为 100us。满足本系统的控制时间的要求，故可选择 8 位逐次比较式 A/D 转换器。2. ADC 位数的选择A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为 0.5% 。对于这 8 个通道的输入信号， 8 位 A/D 转换器，其精度为 2-8=0.39%。输入为 05V 时，分辨率为 ， A/D 转换器VvNFs196.258Fsv的满量程值，NADC 的二进制位数。量化误差为:被测量被测量被测量信号调理信号调理信号调理开关电路采样/保持A/D MCU