2017畢業(yè)論文-基于arm的交流電壓變送器設計

1、<p><b>　　中南民族大學</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文(設計)</b></p><p>　　學院: 計算機科學學院 </p><p>　　專業(yè): 計算機科學與技術 年級:2005級</p><p>　　題目: 基于ARM的交流電壓變送器設計

2、 </p><p>　　學生姓名: 學號: 05061058 </p><p>　　指導教師: 職稱: 副教授 </p><p>　　2009年 5 月 25 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b><

3、/p><p>　　Abstract1</p><p><b>　　1 概述2</b></p><p>　　1.1 項目背景2</p><p>　　1.1.1 變送器2</p><p>　　1.1.2 電壓變送器2</p><p>　　1.1.3 嵌入式系統(tǒng)

4、2</p><p>　　1.2 課題研究的目的與意義3</p><p>　　1.3 課題的主要內容3</p><p>　　2 系統(tǒng)整體方案3</p><p>　　2.1 交流電壓變送器的一般構成3</p><p>　　2.2 嵌入式平臺設計3</p><p>　　3 交流電

5、壓變送器硬件設計4</p><p>　　3.1 降壓電路設計4</p><p>　　3.2 精密整流電路設計5</p><p>　　3.2.1 常用整流電路5</p><p>　　3.2.2 精密整流電路6</p><p>　　3.2.3 濾波電路設計7</p><p>　

6、　3.3 V / I轉化電路設計9</p><p>　　3.4 單片機及AD接口電路設計11</p><p>　　3.4.1 晶振及復位電路11</p><p>　　3.4.2 ADC0808電路接口11</p><p>　　3.4.3 LED數碼管顯示電路12</p><p>　　3.4.4 主

7、控制器及其外圍電路13</p><p>　　3.5 電源電路設計13</p><p>　　4 軟件設計13</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境13</p><p>　　4.2 計數定時程序設計14</p><p>　　4.3 LED顯示程序設計14</p><p>　

8、　4.4 主控程序設計15</p><p>　　5 調試及結果15</p><p>　　5.1 仿真調試15</p><p>　　5.2 數據分析17</p><p><b>　　6 結束語18</b></p><p><b>　　致謝19</b><

9、;/p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　附錄21</b></p><p>　　附錄A 程序清單21</p><p>　　附錄B 電路圖23</p><p>　　附錄C 元器件清單24</p><p>　

10、　基于ARM的交流電壓變送器設計</p><p>　　摘要：針對電壓監(jiān)控在電力系統(tǒng)的廣泛應用，設計了一個供監(jiān)視使用的電壓變送器。采用精密整流電路進行電壓整流，再經過濾波得到與電壓源成線性比例的直流電壓，并設計了V/I轉換電路。以AT89C52單片機作為微控制器，結合ADC0808芯片以及LED數碼管，實現電壓顯示。在Keil uVision2的開發(fā)環(huán)境下，設計了采樣、顯示以及數據處理等程序，實現了電壓變送器功能。

11、在Proteus下進行仿真調試，達到預期結果。</p><p>　　關鍵詞：電壓變送器；嵌入式系統(tǒng)；單片機</p><p>　　The Design of AC Voltage Transmitter Based on ARM</p><p>　　Abstract：In connection with the widely use of voltage monito

12、ring in power systems, an AC voltage transmitter was designed. The design transformed an AC voltage by taking use of the precision rectifier and filtering circuit, and a DC voltage was obtained. A V/I transforming circui

13、t was also designed. The DC voltage was sampled by the ADC0808 and displayed by the LED which was based on the control of the AT89C52 MCU. In the environment of Keil uVision2, the sampling, displaying, data processing an

14、</p><p>　　Key words：voltage transmitter; embedded system; single-chip microcontroller</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　自動化儀表主要由檢測儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產的不斷發(fā)展，生產規(guī)模越來越大，相應的自動化管理系

15、統(tǒng)也日趨復雜。自動化管理系統(tǒng)當中的一個重要的方面是對電壓的實時監(jiān)控[1]。電壓變送器是工業(yè)過程重要的基礎自動化設備之一，主要完成電壓信號的測量和變換處理。</p><p>　　本課題正是要設計一個電壓變送器，實現對電壓的轉換和顯示。</p><p><b>　　1.1 項目背景</b></p><p>　　電壓變送器廣泛應用于生產、工業(yè)等各種

16、領域，目前國內外技術已經很成熟。嵌入式系統(tǒng)是近些年新興的一個控制系統(tǒng)，發(fā)展前景較好。將兩者有效結合，以嵌入式系統(tǒng)為控制平臺，完成交流電壓的轉換，將會為變送器技術帶來進一步的提高。</p><p>　　1.1.1 變送器</p><p>　　變送器，一般是一種將普通電信號（如電流、電壓、功率、頻率、功率因數等信號）或者物理測量信號（如溫度、濕度、光、熱等信號）轉換為標準電信號輸出或能夠以通

17、訊協議方式輸出。它一般將物理量的變化轉化成4 ~ 20mA、1 ~ 5V等標準信號，供傳輸、監(jiān)視使用[2]。</p><p>　　變送器有很多種類，用在工業(yè)控制上的一般分為：溫度/濕度變送器、壓力變送器、差壓變送器、液位變送器、電流變送器、電量變送器、流量變送器、重量變送器等。</p><p>　　電量變送器是一種將被測電量參數轉換成直流電流、直流電壓并隔離輸出模擬信號或數字信號的裝置。這

18、種隔離輸出的標準信號可以直接和各種MCU、A/D轉換器以及計算機系統(tǒng)相接，形成一個可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.2 電壓變送器</p><p>　　電壓變送器是電量變送器的一種，它是一種將被測交流電壓、直流電壓、或脈沖電壓轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流，并隔離輸出模擬信號或數字信號的裝置。一般，其輸入電壓信號為0 ~ 5V / 0 ~ 10V / 1 ~ 5V，輸

19、出電流信號為0 ~ 10mA、0 ~ 20mA、4 ~ 20mA ，輸出電壓信號為0 ~ 5VDC、0 ~ 10VDC、1 ~ 5VDC。</p><p>　　電壓變送器又分直流電壓變送器和交流電壓變送器。交流電壓變送器是一種能將被測交流電壓轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流的裝置，廣泛應用于電力、郵電、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門的電氣裝置、自動控制以及調度系統(tǒng)。 交流電壓變送器具有單路、三路組合結構

20、形式。直流電壓變送器是一種能將被測直流電壓轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流的裝置，也廣泛應用在電力、遠程監(jiān)控、儀器儀表、醫(yī)療設備、工業(yè)自控等各個需要電量隔離測控的行業(yè)[3]。</p><p>　　1.1.3 嵌入式系統(tǒng)</p><p>　　通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板，是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設備的一部分。</p><

21、;p>　　嵌入式系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩部分。硬件是構成軟件的基本運行環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)硬件的核心是嵌入式處理器。嵌入式處理器通常將CPU、少量的RAM、Flash和其他接口封裝在一片集成電路中。嵌入式處理器可以分為嵌入式微處理器（MPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）等[4]。隨著科技的發(fā)展，嵌入式產品已經廣泛地滲透到日常生活、科學研究和軍事技術等各個領域。</p

22、><p>　　1.2 課題研究的目的與意義</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，對各種數據和參數的處理和監(jiān)視是一項重要工作。一直以來這些數據一般都是以模擬信號的形式存在，且常用標準為：電流（0 ~ 5）A，電壓（0 ~ 100）V，均為交流信號。隨著數字技術的不斷發(fā)展，電力參數的數字化測量方式必然要取代模擬方式。電力系統(tǒng)中各種參數的高低變化，關系到生產生活的各個方面。嵌入式系統(tǒng)廣泛應用在工業(yè)智

23、能化控制領域。因此將模擬電量信號轉化成符合標準的直流數字信號并使用嵌入式系統(tǒng)平臺進行實時監(jiān)視就顯得很有必要[5]。</p><p>　　本課題的研究目的是對與電壓轉化相關的整流、濾波電路進行深入了解，并設計出基于嵌入式系統(tǒng)的電壓變送器，實現對交流電壓的轉換和顯示。</p><p>　　1.3 課題的主要內容</p><p>　　本課題主要是針對電壓變送和數字監(jiān)控的

24、研究與設計。主要工作的內容如下：</p><p>　?。?）分析整流、濾波、穩(wěn)壓電路的原理及應用；</p><p>　　（2）研究集成運算放大器的原理及信號的運算處理電路等；</p><p>　?。?）設計精密整流電路及V / I轉化電路；</p><p>　?。?）設計單片機平臺及AD轉換電路；</p><p>　　

25、（5）實現對數據的監(jiān)控視操作。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)整體方案</b></p><p>　　2.1 交流電壓變送器的一般構成</p><p>　　交流電壓變送器一般分為降壓、整流、濾波、V / I轉換、AD采樣及輸出五個環(huán)節(jié)。其結構如圖2-1所示。</p><p>　　降壓環(huán)節(jié)是指通過變壓器將較高的交流

26、電壓信號轉換成為符合整流電路需要的較低的交流電壓信號，供下一級輸入。</p><p>　　整流環(huán)節(jié)的作用是把交流電壓轉化為脈動的直流電壓。整流后的脈動電壓還不能直接使用，還要經過濾波環(huán)節(jié)的濾波，轉化為平滑的直流電壓。</p><p>　　工業(yè)上標準的電流信號為4 ~ 20mA，V / I轉換環(huán)節(jié)就是將相應的直流電壓轉換成與其有線性比例關系的直流電流信號。</p><p&

27、gt;　　嵌入式平臺主要實現AD采樣、顯示輸出以及其它相關方面的控制。</p><p>　　AD采樣及輸出環(huán)節(jié)通過AD數模轉化芯片將模擬電壓信號轉變成相應數字電壓信號，在LED中實時顯示電壓值，供監(jiān)控和進行其他操作。</p><p>　　2.2 嵌入式平臺設計</p><p>　　嵌入式微處理器（MPU）通常是指ARM微處理器。ARM采用RISC精簡指令集體系，

28、大量使用寄存器，譯碼時間短；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，很好的兼容8位/16位器件[2]。</p><p>　　嵌入式微控制器（MCU）通常包括MCS-51、P51XA、C166/167等。51單片機是嵌入式系統(tǒng)的一部分。它內含多位I/O寄存器、5 ~ 6個中斷源、2個16位定時器、片內ROM，使用方便、價格便宜，廣泛應用于儀器儀表、自動控制、家用電器等各個領域[6]。</p>

29、<p>　　LPC2106是Philips公司新推出的一款基于ARM7TDMI-S的32位微控制器，帶有128KB的片內高速F1ash存儲器和64KB的片內SRAM，與片內存儲器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線（AHB）和連接片內外設功能的VLSI外設總線（VPB）。它具有非常小的尺寸和極低的功耗，帶有寬范圍的串行通信接口（雙UART、SPI、I2C）。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速

30、結構使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行[7]。LPC2106具有如下主要特征：</p><p>　?。?）32位ARM7TDMI-S處理器，64KB片內靜態(tài)RAM和128KB片內Flash程序存儲器，可通過片內Boot裝載程序實現在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）。編程及擦除時間極短；</p><p>　?。?）具有32個通用I／O口，兩個32位定時器 / 外部事件計數器，6路輸

31、出PWM單元，看門狗，實時時鐘（RTC），多個串行接口：UART、SPI、I2C；</p><p>　?。?）CPU操作頻率60MHz，帶向量中斷控制器（VIC），可配置優(yōu)先級向量中斷。自帶跟蹤接口提供實時調試功能和高速跟蹤功能；</p><p>　?。?）CPU電壓1.8V0.15V，I／O電壓范圍3.3V0.3V。具有兩個低功耗模式，實現功耗最低化；</p><p&

32、gt;　　AT89C52微控制器，是ATMEL公司生產的51系列單片機的一個型號，是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機。其片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元[8]。主要功能特性如下：</p><p>　?。?/p>

33、1）兼容MCS51指令系統(tǒng)；</p><p>　　（2）8k可反復擦寫（>1000次）Flash ROM；</p><p>　?。?）32個雙向I/O口，256×8bit內部RAM；</p><p>　?。?）3個16位可編程定時/計數器中斷，時鐘頻率0 ~ 24MHz；</p><p>　　（5）2個串行中斷，可編程UART

34、串行通道；</p><p>　　（6）2個外部中斷源，共6個中斷源；</p><p>　?。?）2個讀寫中斷口線，3級加密位；</p><p>　　（8）低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能。</p><p>　　本設計擬采用LPC2106芯片作為主控制器。由于仿真軟件中沒有ARM處理器芯片相關元件模型，故采用AT89C52替代LPC

35、2106進行實際電路設計。進行實際電路搭建時，只需將LPC2106替換AT89C52即可。</p><p>　　3 交流電壓變送器硬件設計</p><p>　　本設計的核心是對交流電壓進行精密整流輸出直流電壓、將電壓進行V/I轉化輸出相應成線性比例的4~20mA電流以及對電壓進行AD轉化并通過LED顯示。因此，如何設計這些主要電路，成為了本設計的關鍵。</p><p&

36、gt;　　3.1 降壓電路設計</p><p>　　這一部分主要實現的功能是將較高的交流電壓降壓，提供下一級整流電路的輸入。</p><p>　　一般選用變壓器來為電源電壓降壓。本設計中輸入電壓UI為0~100V交流，輸出電壓UO為0~5V交流，變壓器繞組設定為N1 : N2 = 20 : 1。考慮到電源電壓的波動，設置變壓器接入電壓為100V20%。降壓電路如圖3-1所示。</p

37、><p>　　變壓器的選擇：雙邊電壓比例系數為120 : 6 = 20 : 1，即變壓器變比。在變壓器容量選擇上，由于后續(xù)電路功率很小，小于1W，變壓器選擇電壓等級為120V，功率為1W。</p><p>　　另外，出于對后級接入電路保護的考慮，防止電壓突然升高帶來的沖擊，還要在電路中變壓器的原邊接入一個起保護作用的快速自恢復管D1?？焖僮曰謴凸苡纸兴矐B(tài)電壓抑制二極管。電子系統(tǒng)的應用當中，電壓

38、及電流的瞬態(tài)干擾會經常造成電子設備的損壞，瞬態(tài)干擾的顯著特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大，所以破壞性很大。為了防止這種破壞，自恢復管得到了廣泛的應用，其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異，當其兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓鎖定在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。雙向自恢復管可以在正反兩個方向吸收大

39、脈沖功率，并把電壓限定在預定水平，一般用于交流電路，單相自恢復管一般用于直流電路[9]。</p><p>　　本設計中，為了防止電壓瞬間增高，設定D1最大擊穿電壓為300V。根據上述條件選取的自恢復管的型號為1.5KE300A，峰值功率為1500W。當電網電壓超過300V時，它就可以有效抑制電網帶來的過載脈沖，從而起到保護負載中所有元器件的作用。</p><p>　　3.2 精密整流電路

40、設計</p><p>　　3.2.1 常用整流電路</p><p>　　要想完成交流到直流的轉換，整流電路的設計是關鍵。整流電路的目的就是將交流電壓轉變成脈動的直流電壓。它的種類很多，按不同的整流方式，大概可以分為如下幾類：</p><p>　?。?）單向整流和雙向整流；</p><p>　?。?）半波整流和全波整流；</p>

41、<p>　　（3）橋式整流和倍壓整流；</p><p>　?。?）二極管整流和可控硅整流。</p><p>　　這些整流電路的原理大同小異，它們大多都利用了二極管的單向導電性。</p><p>　　半導體二極管由一個PN結及它所在的半導體再加上電極引線和管殼構成。它的伏安特性曲線如圖3-2所示。在曲線OC段，它正向電流iD非常小，只有當正向電壓超過某一數

42、值時，才會有明顯電流，這個電壓值稱為開啟電壓；CD段，電流迅速增大，二極管上的正向壓降變化卻很??；OB段，二極管加反向電壓，反向電流很小，可以認為電路處于截止狀態(tài)；BA段，當二極管反向電壓大于某一數值時，電流急劇增大，二極管被反向擊穿[10]。</p><p>　　利用二極管的以上特性，可以設計相應電路，進行整流。一般二極管電路的整流電路如圖3-3所示。由于二極管存在開啟電壓，且開啟后會有正向壓降。電路中，輸出電

43、壓。當輸入電壓較大時，電路可以很好的對輸入電壓進行整流；當0<UI<UD1時，二極管截止，，故采用普通二極管整流電路，無法對較小的信號整流，整流效果不好。其輸入輸出波形如圖3-4所示，其中實線為輸入波形，虛線為輸出波形。</p><p>　　3.2.2 精密整流電路</p><p>　　精密整流電路可以很好的解決普通二極管整流的不足。精密整流電路利用集成運算放大器的放大作用和

44、深度負反饋作用，克服了普通二極管的非線性伏安特性和死區(qū)電壓帶來的信號誤差。利用它可以將微弱的交流電壓轉換成單向脈動電壓，整流電路的輸出保持輸入電壓的形狀，而僅僅改變電壓的相位。精密整流電路如圖3-5所示</p><p><b>　　其工作原理如下：</b></p><p>　　當UI>0時，運放A1輸出小于0，運放A2輸出大于0，二極管D1截止、D2導通。這時電

45、路等效成兩個電阻R1、R2串聯，再與由運放A2構成的電壓跟隨器并聯，則UO=UI。</p><p>　　當UI<0時，運放A1輸出大于0，運放A2輸出小于0，二極管D1導通、D2截止。這時的電路等效成反向比例電路。取R1= R2，則。</p><p>　　由上，。因此精密整流電路也稱為絕對值電路[11]。</p><p>　　當輸入有效值為5V，頻率為50Hz

46、的正弦波信號時，將輸出相對應的整流波形，其波形圖圖如圖3-6 所示。精密整流電路克服很好的二極管D1、D2在信號非常小時的非線性和正向導通壓降。</p><p>　　3.2.3 濾波電路設計</p><p>　　經整流后的電壓還不能直接作為直流電壓使用，還需要對其進行濾波。濾波電路就是將脈動的直流電壓轉化成平滑的直流電壓的過程。一般采用電容與負載并聯，或者電感與負載串聯來構成。在此，我們

47、采用電容濾波電路進行電壓濾波。其基本電路圖如圖3-7所示。</p><p>　　電容器具有“通交流，阻直流”的特點，它是一個儲能元件，隨著電壓的變化，其儲存和釋放的能量也在不斷變化。對于圖3-7，其輸出波形圖如圖3-8所示，它的工作原理大致如下：</p><p>　?。?）t1 ~ t2時刻，UI上升，UI大于電容上的電壓UC，UI對電容充電，此時UO=UCUI；</p>&

48、lt;p>　?。?）t2 ~ t3時刻，UI下降，UI小于電容上的電壓。二極管兩端電壓為負，截止。電容C通過RL放電，UC按指數規(guī)律下降，時間常數，UO= UC。</p><p>　　輸出電壓的平均值，即輸出直流電壓通常為，它與時間常數有關。越大，電容器放電時間越慢，輸出電壓平均值也就越大[10]。一般取。</p><p>　　這時經濾波后的電壓已經變得很平滑，但是還是有明顯的脈動信

49、號，特別是當RL C很小時。為了進一步得到平整的直流電壓，可以考慮采用多級濾波的方法，即在電路后再加一級或多級電容濾波電路。本設計采用的RC-型濾波電路圖如圖3-9所示。</p><p>　　這樣脈動電壓經過多級濾波之后，就已經轉化成了非常平滑的直流電壓。</p><p>　　此外，由于整流電路本身輸出電阻過小，且下一級V/I轉化電路和AD數模轉化電路輸入電阻大。輸出電阻越小，輸入端得到的

50、電壓也越小，信號源電壓衰減的也越大；輸入電阻越大，輸出電壓越不穩(wěn)定。整流電路帶負載能力因此也降低，輸出的直流電壓無法帶動后面的電路。所以還需要在整流濾波電路后設計一個同向比例電路，以提高電路帶負載能力。</p><p>　　設計合適的同向比例電路可以使整個電路“輸入高阻態(tài)，輸出低阻態(tài)”，使電路對于前一級電路呈現高阻狀態(tài)，相當于開路；對于后一級電路呈現低阻狀態(tài)，相當于恒壓源。前后級電路不會相互影響。有效地起到了隔離

51、、提高負載能力的作用。本設計的電壓跟隨器電路如圖3-10所示。這是電壓串聯負反饋電路。</p><p><b>　　圖中，由于，所以有</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　(3.2.

52、1)</b></p><p>　　上式表明輸出電壓與輸入電壓相位相同，大小成一定比例關系。當Rf趨向于0或R1趨向于無窮大時，輸出電壓與輸入電壓近似相等[10]。同時電路帶負載的能力也得到了提高。</p><p>　　3.3 V / I轉化電路設計</p><p>　　4 ~ 20mA電流是標準電信號之一。在工業(yè)、電力現場，用一個儀表完成信號的處理并采

53、用電壓進行長線傳輸，傳輸線會受到噪聲的干擾、傳輸線上的電阻會產生一定的壓降[12]。采用電流信號進行傳輸就可以很好的解決以上問題。V/I轉化電路就是要將0~5V電壓信號轉化成4~20mA電流信號。</p><p>　　將0 ~ 5V電壓轉化成4 ~ 20mA電流，需要由兩部分電路完成。一是利用加法電路完成0~5V電壓的提升，二是利用電壓——電流轉化電路完成壓流轉化。</p><p><

54、;b>　?。?）加法電路</b></p><p>　　加法電路如圖3-11所示，完成兩個電壓的加法運算[13]。</p><p>　　圖中節(jié)點P的電流方程為</p><p><b>　　所以同向輸入電位</b></p><p><b>　　(3.3.1)</b></p>

55、<p><b>　　其中。</b></p><p>　　將式3.3.1代入式3.2.1，得</p><p><b>　　(3.3.2)</b></p><p><b>　　式中。若，則</b></p><p><b>　　(3.3.3)</b>

56、;</p><p>　?。?）電壓——電流轉化電路</p><p>　　電壓——電流轉化電路如圖3-12所示，主要完成電壓、電流的線性變換[13]。</p><p>　　圖中A1構成同向求和運算電路，A2構成電壓跟隨器。圖中，因此</p><p><b>　　(3.3.4)</b></p><p>

57、;　　將式3.3.4代入上式，，R0上的電壓</p><p>　　所以 (3.4.5)</p><p>　　已知IO的輸出范圍為4~20mA，根據式3.4.5列出如下方程組：</p><p><b>　　(3.4.6)</b></p><p>

58、;　　根據式3.4.2列出如下方程：</p><p><b>　　(3.4.7)</b></p><p>　　圖3-11中輸出電壓UO即為圖3-12中的輸入電壓UI。UI1MIN為0V，UI1MAX為5V。將以上數據及方程組3.4.7代入方程組3.4.6，化簡得出</p><p><b>　　(3.4.8)</b><

59、/p><p>　　根據上式，在加法電路3-11中，取，則可得V。即當UI1為0~5V電壓、V時，經過加法電路以及電壓-電流轉換電路后，即可得到4~20mA直流電流。5V電壓可以從供電電路得到。</p><p>　　3.4 單片機及AD接口電路設計</p><p>　　本設計采用AT89C52的MCU平臺，結合8位數模轉換器ADC0808對輸入電壓進行數模轉化，并通過單

60、片機控制7SEG-MPX4-CC型LED進行實時電壓顯示，達到電壓顯示的目的。在使用LPC2106作為主控制器進行實際電路搭建時，只需將AT89C52替換即可。</p><p>　　AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入 / 輸出端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。它將通用的微處理器和Flash

61、存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本[8]。下面給出基于AT89C52單片機系統(tǒng)控制平臺體系結構設計圖，硬件框圖如圖3-13所示。</p><p>　　3.4.1 晶振及復位電路</p><p>　　晶振電路用于向 MCU及其它電路提供工作時鐘。晶振一般分為有源晶振和無源晶振。根據AT89C52最高工作頻率以及 ADC電路的工作方式，本系統(tǒng)使用 12M

62、Hz 的無源晶振，電路如圖 3-14 所示。</p><p>　　復位電路可以使主機各部件恢復為出事狀態(tài)。復位電路如圖3-15所示，電路在上電復位電路的基礎上并聯了一個開關，既可保證上電復位，又可手動復位。</p><p>　　3.4.2 ADC0808電路接口</p><p>　　ADC0808是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢缔D換的器件。其它由單一+

63、5V電源供電，其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。每次轉換耗時100μs，輸出帶有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與51系列單片機數據總線相連[14]。其主要特性如下：</p><p>　?。?）8路8位A／D轉換器，即分辨率8位； </p><p>　?。?）具有轉換起、停控制端； </p><p&g

64、t;　?。?）轉換時間為100μs；</p><p>　　（4）單個+5V電源供電； </p><p>　?。?）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準； </p><p>　　（6）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度； </p><p>　　（7）低功耗，約15mW。</p><p>　　其片內的3-8地址

65、譯碼器，A、B、C為地址入口，可以選中任一地址線，實現IN0~IN7的8路選一。A、B、C三位的地址輸入與8路地址的對應關系如表3-1所示。</p><p>　　本例中，A、B、C三腳分別與地相接，通過譯碼選中IN0地址，電壓信號通過滑動變阻器器接入IN0。由于ADC0808的模擬輸入電壓范圍為0~+5V，而考慮到電網電壓的向上浮動，整流得到的直流電壓也會超過+5V，故將滑動變阻器阻值調到中央分壓，再通過軟件編程

66、，將ADC0808的測量范圍調整到0~+10V。</p><p>　　ADC0808與AT89C52接口電路如圖3-16所示。</p><p>　　P3.3口作為ADC0808的CLK，通過軟件定時，控制其時鐘信號。START、EOC、ALE、OE分別與P3.0、P3.2、P3.7、P3.1。通過軟件控制和讀取其信號數值。根據對ADC0808的轉換輸出信號EOC的不同處理方式，可分為查詢方

67、式和中斷方式兩種。本例中選用的是查詢方式，開始轉換后，通過軟件不斷查詢EOC電平的高低，來判斷轉化是否結束。參考電壓VREF(+)接+5V電源，VREF(-)接地。</p><p>　　對于ADC0808的串行接口時序，采用對AT89C52單片機的端口編程來控制其變化，這具體體現在軟件設計部分。</p><p>　　3.4.3 LED數碼管顯示電路</p><p>

68、;　　本例中電壓顯示采用7SEG-MPX4-CC共陰極數碼管。其電路接口如圖3-17所示。</p><p>　　段地址A、B、C、D、E、F、G、DP分別與AT89C52的P1口相連，位地址1、2、3、4分別與P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相連。通過軟件編程控制段的輸出與位的選擇。實現動態(tài)顯示。</p><p>　　3.4.4 主控制器及其外圍電路</p><

69、;p>　　主控制器及其外圍電路見附錄B。</p><p>　　當有電壓輸入時，LED就會實時顯示電壓值。電壓測量范圍為0~10V。</p><p>　　3.5 電源電路設計</p><p>　　AT89C52單片機需要+5V電源供電，運放LM741需要9V電源供電才能正常工作。引入監(jiān)控電源，由于對整流精度要求不高，可利用橋式整流電路對監(jiān)控電源整流，再利用78

70、09、7909系列芯片穩(wěn)壓后，即可輸出直流9V電壓。得到+9V電源后，繼續(xù)利用7805芯片對其進行穩(wěn)壓，得到+5V電源。78XX、79XX系列產品是一種輸出固定正、負電壓的三端穩(wěn)壓集成電路，可得到5V、9V，12V等七個檔次電壓，它們價格低廉性能穩(wěn)定，已應用在多個領域，基本上取代了由分離元件組成的穩(wěn)壓電路[15]。電源電路如圖3-18所示。</p><p>　　如圖，UI為監(jiān)控電壓，UO1為穩(wěn)壓后得到的+9V直流

71、電壓，UO2為穩(wěn)壓后的到的-9V直流電壓，UO3為穩(wěn)壓后的到的+5V直流電壓。當輸出電壓接入負載時，還需要在電路中加入去耦電路。</p><p><b>　　4 軟件設計</b></p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境 </p><p>　　設計采用Keil uVision2進行軟件部分的開發(fā)。Keil uVision2軟件是目前最流行開

72、發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。Keil uVision2提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具會令工作事半功倍。</p><p&g

73、t;　　Keil uVision2軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。Keil uVision2生成的目標代碼效率非常高，語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。它可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。</p><p>　　4.2 計數定時程序設計</p><p>　　ADC0808的轉換

74、過程遵照嚴格的時序步驟。其對應的時鐘控制端口如表4-1所示[15]。</p><p>　　本設計采用P3.3口控制ADC0808的輸入時鐘。設置定時計數器工作在方式1，計數位為16位。對12MHz的MCU晶振頻率，一個機器周期=12晶振頻率=1μs。由于ADC0808的轉換時間為100μs，即定時時間是100μs，則可求得計數次數為X=100μs1μs=100次。計數器字長n為16，則(X)補=216-100=6

75、5436。再將此數變成低8位和高8位的十六進制數，分別裝入計數寄存器TL1和TH1中，即完成了定時計數器的程序設計。每定時結束一次后，就對CLK取反，實現其高低電平的準確的交替變化[14]。</p><p>　　4.3 LED顯示程序設計</p><p>　　本設計采用7SEG-MPX4-CC共陰極數碼管。共陰數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極（COM）的數碼管。共陰數

76、碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮[17]。其結構形式如圖4-1所示。</p><p>　　本設計采用的LED七段共陰極數碼管內部字段如圖4-2所示。根據數碼管內部字段格式以及共陰極數碼管的顯示特性，確定了共陰極數碼管編碼表表4-2。</p><p>　　數碼管顯示又可分為靜態(tài)和動態(tài)

77、兩種方式。靜態(tài)顯示是指每個數碼管的每一位都由單片機的I/O口或者譯碼器進行驅動。其優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高；缺點是占用I/O口較多。動態(tài)顯示是指由編程控制數碼管逐位顯示。當動態(tài)顯示時，所有數碼管的字形都相同，但由哪一位顯示則由程序進行控制。顯示間隔為1~2ms，掃描速度快，對于人眼沒有閃爍感。動態(tài)顯示占用CPU大量時間，但節(jié)省了硬件資源。本設計采用動態(tài)顯示方式。由P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別控制4位數碼管1、2、3、4位

78、的選擇[18]。</p><p>　　數碼管顯示子程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　4.4 主控程序設計</p><p>　　由表4-1，要完成整個轉化過程，則要對AD轉換器的時序有嚴格的控制。程序中先對ADC0808的引腳初始化，再完成定時計數器的設置。在主程序中，通過設置相應的時序端口，完成對轉化過程的控制。轉化完成得到結果轉化成BCD碼后，調用

79、LED顯示程序，在LED中實時顯示。</p><p>　　另外，由于電壓波動，輸入整流電壓會大于+5V，而ADC0808的測量范圍是0~+5V。為了解決這個問題，電壓輸入的時候采取分壓的方式，輸入電壓只有實際測量電壓的一半。在軟件編程中，將得到的轉化結果乘以2，即可得到實際電壓值。這樣測量電壓范圍擴大到了0~+10V。 </p><p>　　轉化的整個過程中，都伴隨有定時計數器的中斷執(zhí)行過

80、程。程序流程圖如圖4-4所示。</p><p><b>　　5 調試及結果</b></p><p><b>　　5.1 仿真調試</b></p><p>　　本設計選擇在仿真軟件PROTEUS ISIS中仿真實驗過程，調試實驗結果。Proteus（海神）的ISIS是一款Labcenter出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿

81、真各種電路和IC，并支持單片機。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS-232動態(tài)仿真、IC調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持大量的存儲器和外圍芯片，完全滿足本設計的仿真需求。</p><p>　　PROTEUS ISIS 實驗環(huán)境如圖5-1所示。</p><p>　　在PROTEUS

82、 ISIS中選擇所需元件，進行電路連接。電路連接完畢后即可對電路進行仿真。在PROTEUS ISIS中，電路圖如圖5-2所示。</p><p>　　點擊仿真按鈕對電路進行仿真。設置好電壓源幅值，即可通過電壓表觀察電路中各處電壓值。最后得到直流電壓可通過LED顯示，并可將電壓轉化成對應電流。具體調試步驟如下：</p><p>　?。?）首先利用Keil C51編譯已經寫好的C語言程序，設置仿

83、真器工作頻率為22.1184MHz。編譯好程序后，會在工程目錄下的到相應的.hex文件。</p><p>　?。?）進入PROTEUS ISIS，雙擊工作區(qū)的AT89C52芯片，在PROGRAM FILE選項中選擇步驟(1)中得到的.hex文件，確定后點擊開始按鈕即可開始仿真。</p><p>　?。?）仿真測試輸入電壓從0V開始。當輸入的50Hz交流電壓有效值小于2V時，輸出電壓一直為0

84、。當電壓有效值大于等于2V，即可得到相應的整流電壓以及直流電流。下面給出經測試所得的一些輸入電壓值及輸出電壓、輸出電流值。如表5-1所示。</p><p><b>　　5.2 數據分析</b></p><p>　　利用表5-1中數據在MATLAB中描點，并繪制出相應的理論曲線。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程

85、序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域[19]。得到的UI - UO圖形曲線如圖5-3所示，UO - IO圖形曲線如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-3中的直線l1是函數 y = 1 / 20 x的曲線圖形，”+”標記代表表5-1中（UI, UO）坐標值。圖5-4中的直線l2是函數 y = 3.2 x + 4的曲線圖形，”+”標記代表表5-1中（U

86、O, IO）坐標值。直線函數l1、l2分別是由理論上UI和UO、UO和IO的關系得到的函數。從上面兩圖可看出，所得坐標點基本分布在直線上，有一小部分分布在直線兩側，且離直線很近。</p><p>　　利用最小二乘法對表5-1中數據進行計算。最小二乘法是對數據進行直線擬合的一種方法。其原理是各觀測值yi的偏差互相獨立且服從同一正態(tài)分布，當觀測值yi的偏差的平方和最小時，得到最佳經驗式。根據這一原理可求出擬合直線方程

87、y = a x + b中a與b的值[20]。</p><p>　　對數據UI - UO，利用最小二乘法計算得，斜率：a = 0.049996253886592，截距：b = -0.00336806812931556，回歸方程：y = 0.0499962538865927 x - 0.00336806812931556，相關系數： r = 0.999977960598948，相關指數：R2 = 0.99995592

88、1683632?；貧w方程對比直線l1偏差很小。</p><p>　　對數據UO - IO，利用最小二乘法計算得，斜：a = 3.17971421371553，截距： b = 4.01771104635559，回歸方程：y = 3.17971421371553 x + 4.01771104635559，相關系數： r = 0.999967686321358，相關指數：R2 = 0.99993537368689?；貧w

89、方程對比直線l2偏差很小。</p><p>　　測得數據很好的滿足了設計要求。由于是使用仿真軟件對電路進行仿真，測得的數據要比做出的電路事物測得數據準確些。另外由于PROTEUS ISIS元件庫中沒有TVS雙向快速自恢復管的元件模型，所以無法進行電壓大幅波動的測試，這也是仿真軟件的局限之一。</p><p><b>　　6 結束語</b></p>&l

90、t;p>　　本課題對電壓變送器的原理、電源、模擬電子知識、單片機系統(tǒng)、數模轉化處理進行了學習和研究，并以AT89C52型單片機為主控平臺，結合ADC0808數模轉化器以及LED數碼管，將經過線性降壓以及精密整流的監(jiān)控電壓實時顯示出來，設計了一個電壓變送器，并利用V/I轉換電路將電壓轉化成電流。在文中介紹了如何通過仿真軟件對整個系統(tǒng)進行仿真實驗測試的可行性方案。測試結果精確，達到了預期要求。電壓變送器可以廣泛應用在電力、工業(yè)等部門的

91、電器設備上，進行電壓監(jiān)控。隨著科學技術的發(fā)展，其設計與應用也會更智能化更廣泛。</p><p>　　本設計還存在以下不足，有待將來進一步優(yōu)化。</p><p>　?。?）由5.1節(jié)測得的數據及相關計算可以看出，所設計的變送器誤差很小。其中有很大一部分原因是由于沒有根據電路圖搭建實際電路進行測試，而是利用PROTEUS仿真軟件對電路進行仿真測試，測試結果體現了軟件仿真的精確性以及電路理論設計

92、的可行性。但是由于實際元器件在具體參數上與理論的差異，以及在實際電路的搭建和測量中會有很多不可知性，實際測量的到得結果也會有偏差，實際效果得不到體現。另外，采取實際搭建電路測試，不僅可以鍛煉動手能力還可以對各種元器件的性能有一個更感性的認識。</p><p>　?。?）對于電壓顯示電路，本設計采用的是在AT89C52上搭建控制平臺，結合ADC0808對電壓進行數模轉化，已達到電壓輸出的目的。這部分電路也可以采用片

93、內帶有AD數模轉換器的ARM芯片，進行模擬信號處理以及對整個系統(tǒng)的控制。采取ARM控制器，在以后還可以對電路進行優(yōu)化，更利于人機操作和對電壓的監(jiān)控。</p><p>　?。?）對于V/I轉化電路，還可以采取軟件編程的方式，外加DA模數轉換器，輸出相應的模擬電流量。這種方法電路設計相對簡單，準確度高，經濟性更強，通過軟件編程也較易實現。</p><p><b>　　致謝</b

94、></p><p>　　本論文是在張志俊老師的悉心指導和親切的關懷下完成的。很慶幸，當初在論文擇題時選擇了張志俊老師作為我的論文指導老師。在做畢業(yè)設計期間，張老師始終都給于我詳細的指導和不懈的支持。雖然和張老師接觸的時間不是太長，但他嚴謹的治學態(tài)度、對工作對同學的認真負責以及他和藹可親的面容，確給我留下了極深的印象。我也借此機會向張老師表達我最衷心的謝意：“張老師，您辛苦了！”</p><

95、;p>　　感謝所有指導過我的老師，沒有你們一點一滴的栽培，也不會有我今天所學到的知識。感謝我的舍友馬驍、程圓建、張寶哲，感謝你們四年來陪我一起走過。感謝我的好友陳博，你在生活上給我?guī)砹四蟮臉啡づc安慰。感謝好友譚俊奇，你對生活的觀察以及廣泛的愛好，對我產生了巨大的影響。</p><p>　　感謝我的母親，您是最偉大的人。從把我?guī)У竭@個世上開始，您就以最深沉的愛哺育著我，讓我茁壯的成長?！罢l言寸草心，報得三

96、春暉”。我也會開出最燦爛的花朵，結出最鮮美的果實，來報答您的哺育之恩！</p><p>　　感謝所有幫助和關愛過我的人們！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 余志宏，邢志偉．基于51單片機的經濟型高精度變送器設計[J]．微型計算機，2008,08:123</p><p>　　[2]

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103、機信息，2008,25:199-201</p><p>　　[19] 郭仕劍，邱志模等．MATLAB入門與實戰(zhàn)[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2004:232-235</p><p>　　[20] 曹蓉．解線性最小二乘問題的正交化方法及應用[J]．太原師范學院學報，2008,01:35-38</p><p><b>　　附錄</b></p&

104、gt;<p><b>　　附錄A 程序清單</b></p><p>　　#include<reg52.h>// 調用單片機庫函數</p><p>　　#include "intrins.h"// 調用_nop_();延時函數用</p><p>　　unsigned char

105、 code dispbitcode[ ]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};</p><p>　　// 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9</p><p>　　unsigned char dispbuf[4];// 設置位的緩存</p><p>　　unsigned char get

106、data;</p><p>　　unsigned int temp;</p><p>　　sbit ST=P3^0;// ADC's START</p><p>　　sbit OE=P3^1;// ADC's OE</p><p>　　sbit EOC=P3^2;// ADC's

107、 EOC</p><p>　　sbit CLK=P3^3;// ADC's CLK</p><p>　　sbit ALE=P3^7;// ADC's ALE</p><p>　　sbit P20=P2^0;// LED 位選擇控制引腳</p><p>　　sbit P21=P2^1;

108、// LED 位選擇控制引腳</p><p>　　sbit P22=P2^2;// LED 位選擇控制引腳</p><p>　　sbit P23=P2^3;// LED 位選擇控制引腳</p><p>　　sbit P17=P1^7;// LED's dp 引腳</p><p>　

109、　Void Delay(unsigned int i);</p><p>　　//-------------------------定時器初始化--------------------------------//</p><p>　　Void TimeInitial()</p><p>　　{ TMOD=0x01;// 設置中斷為定時器，

110、工作在方式1</p><p>　　TH0=(65536-100)/256;// 將計數初值高8位放入寄存器TH0</p><p>　　TL0=(65536-100)%256;// 將計數初值低8位放入寄存器TL0</p><p>　　EA=1;// 開中斷</p><p><b>　　ET0=1;<

111、;/b></p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//--------------------------延時子程序---------------------------------//</p><p>　　Void Del

112、ay(unsigned int i)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int j;</p><p>　　for(;i>0;i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(j=0;j<100