西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告

I西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告目录1前言······································12总体方案设计·································22.1方案比较··································22.1.1方案一·································22.1.2方案二·································32.1.3方案三·································32.2方案论证··································42.3方案选择··································43单元模块设计·································53.1各单元模块功能介绍及电路设计······················53.2各单元模块·································53.2.1电压电流采样模块设计·························53.2.2按键和复位模块设计··························63.2.3数码显示电路模块设计·························73.2.4电源电路设计······························83.2.5基准电压电路设计···························93.3电路参数的计算及元件选择·························93.4特殊器件的介绍······························103.4.1TL431芯片简介····························103.4.2STC12C52A06S2单片机简介······················104软件设计···································124.1说明软件设计原理及所用工具·······················124.2软件设计结构及其功能··························124.3软件设计流程框图····························135系统调试···································155.1调试环境·································155.2硬件调试·································156系统功能、指标参数·····························166.1系统能实现的功能····························166.2系统指标参数测试····························166.3系统功能及指标参数分析·························167结论·····································188总结与体会··································199谢辞·····································2010【参考文献】·································21附录1系统的原理电路图····························22附录2系统PCB图································24附录3设计实物图································25附录4程序代码·································26第1页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告1.前言当今时代，电子器件广泛应用于各行各业，功率作为表征电信号能量的基本参数，对其的测量非常重要，现在市面上也有很多测量功率的仪器。作为电气专业的我们，更是要掌握功率的测量方法，因此，我们选择了直流功率计的设计。随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制测量系统也应运产生，本课程制作就是利用宏晶公司的STC系列单片机STC12C5A32S2编程控制LED七段数码管完成功率大小的计算和动态显示，设计中我们通过电阻分压采样负载两端电压，通过在被测点串联一个很小的电阻测其两端电压，间接进行电流采样，将所采集的电压经过适当放大后送入单片机，然后由程序控制单片机计算出被测电路的直流输入功率并显示在数码管上，且能用键盘切换显示负载电压和被测点电流。另外在单片机工作过程中，工作电压有变化，所以额外加入一个基准电压，以确保所采样的电压准确。这个功率计能测量被测负载电压不超过25V，被测电流不超过2A的直流电路的输入功率（精确到小数点后6位），能在两个四位七段LED数码管上直观的动态显示出功率大小，并能通过键盘切换显示被测负载的电压和电流大小。通过此次直流功率计的设计，使我更加熟悉有关单片机开发设计原理及方法，并能使自己加深了对单片机的理解和运用以及掌握了单片机与外围接口的方法和技巧，这些主要体现在以下方面：1.学会了单片机总线控制方式的运用，懂得了利用单片机内部A/D转化简化外部电路，节约成本，同时在此基础上扩展了一些实用性强的外围电路。2.可以了解到LED显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例。3.怎样扩展显示接口、如何驱动外围元件等。4.了解了通过电压间接测电流和电流电压同步采样的方法。第2页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告2总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我们主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1方案比较2.1.1方案一本方案的整体思路是：根据功率计算公式UIP，要计算功率我们需要知道负载的电压和电流，因此首先对电路中被测负载进行电压采样和电流采样，将采样的电压送入单片机，由单片机内部集成的A/D转换电路对采样进行模数转换，然后通过编写程序让单片机计算出功率并将功率大小显示在LED数码管上，且能通过按键切换显示负载电压和被测电流，由于在单片机实际工作过程中，电压有可能发生变化，为确保采集的电压的准确性，因此额外提供了一个基准电压。方案一整体结构框图如图2-1-1所示：图2-1-1方案一系统结构框图被测负载电压采样电流采样单片机键盘显示复位晶振基准电压第3页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告2.1.2方案二方案二总体思路是：在被测电路中进行电压采样和电流采样后，先由外部器件进行A/D转换，再送入单片机计算和显示，这里的单片机只需要一般的不自带A/D转换的单片机就行了。系统框图如图2-1-2所示：图2-1-2方案二系统结构框图2.1.3方案三方案三的总体思路就是用一个功率传感器，直接采集被测电路的功率送入单片机，由单片机控制LED数码管显示出功率大小。系统框图如图2-1-3所示：被测负载电压采样电流采样单片机显示复位晶振A/D转换A/D转换键盘第4页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告图2-1-3方案三框图2.2方案论证方案一电压和电流采样后采用单片机自带的A/D转换器进行A/D转换，节约了成本，简化了外围电路，而且方案一外加了基准电压，使电路进行A/D转换时有基准，克服了单片机实际工作时电压不稳定的情况，使测量结果更加准确，方案二采用外接A/D转换器进行数模转换，提高了成本，也使外围电路复杂化了，方案三虽然简单，但是传感器价格昂贵，而且方案三没有起到通过这次课程设计让我们对所学知识进行实际应用的能力。2.3方案选择本设计是利用单片机测量被测负载的直流输入功率，并要求显示，通过以上对三个方案的论证，方案一既能相对准确的测量功率，还能将我们所学知识进行实际运用，是我们对所学知识进一步掌握，而且成本低，电路简洁明了，符合设计要求；方案二相对方案一成本较高，电路叫复杂；方案三成本高。综合考虑我们选择了方案一。被测电路功率传感器51单片机数码管显示第5页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为电压采样，电流采样，按键复位及档位选择，数码显示，电源电路的设计等模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.2各单元模块3.2.1电压电流采样模块设计电压和电流需要同步采样，采样的方式有很多，本次设计中我们采用电阻分压采样电压，对于电流采样，我们通过电压进行间接采样，具体方式是在电路中串联一个很小的电阻，通过测这个很小的电阻两端的电压，根据RUI得到电路电流，这个小电阻我们利用3个33.0和一个1.0的电阻并联得到，采样所得的电压可能很小要经过适当放大再送入单片机。电路中运放OP07采用外接双电源供电。电压电流采样电路如图3-2-1所示。电压电流采样电路如图3-2-1所示1234ABCD4321DCBAR510KR410KVinR712kR6100kACBR80.1IinVin电压采样IU+-+5VR11KR21KR310KIin+5VIoutVoutR90.33R110.33R100.3312J2POWER+5V电流采样12J1CUR12J3VOLC1100UC21043261874U2OP073261874U1OP07W320kW220kW110k1234J4TESTC3104图3-2-1电压电流采样电路第6页西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告3.2.2按键和复位模块设计单片机采用总线控制方式，由单片机P2.7、P2.6和P2.5作片选控制信号，通过74HC138译码器来选通。74HC138是一个3-8译码器。74HC138的A、B、C与单片机的P2.5、P2.6和P2.7相连通，我们可以通过程序控制P2.5、P2.6、P2.7的输出进而控制3-8译码器的输出，从而达到选位的目的。其选通情况如表3-2-2，位选电路如图3-2-2(a)。表3-2-2P2.7P2.6P2.5CBA选位情况001001Y1输出低电平即第1位被选中011011Y3输出低电平即第3位被选中100100Y4输出低电平即第4位被选中123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Jul-2010SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\2010设计最终版本\ZZL2010智能设计(最终)(7.8.20.57).ddbDrawnBy:C1830pFC1930pFEX_LVD/P4.6/RST231X119X218RESET/P4.79P3.7/RD17P3.6/WR16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T0/CLK014P3.5/T1/CLK115P1.0/ADC0/CLCK21P1.1/ADC12P1.2/ADC2/ECI/RXD23P1.3/ADC3/CCP0/TXD24P1.4/ADC4/CCP1/SS5P1.5/ADC5/MOSI6P1.6/ADC6/MISO7P1.7/ADC7/SCLK8P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728NA/P4.429ALE/P4.530P3.1/TXD11P3.0/RXD10IC7STC12C5A16S2或STC89C52X111.0592TXDRXDWRINT1INT0P20P21P22P23P24P25P26P27RSTR231kVCCT0T1RDA1B