西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作目 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103.4.1 TL431芯片简介103.4.2 STC12C52A06S2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26I1.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。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，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： 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 图2-1-1 方案一系统结构框图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： 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 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：数码管显示被测电路功率传感器51单片机 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。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，根据得到电路电流，这个小电阻我们利用3个和一个的电阻并联得到，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所示图3-2-1 电压电流采样电路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3-2-2P2.7 P2.6 P2.5C B A选位情况0 0 10 0 1Y1输出低电平即第1位被选中0 1 10 1 1Y3输出低电平即第3位被选中1 0 01 0 0Y4输出低电平即第4位被选中图3-2-2(a) 位选电路 当和CS3任一位为低电平时输入缓冲器74HC541工作，此时按键有效，键盘分为8个独立按键，一端与74HC541的D1-D8引脚及10K上拉电阻相连，另一端接地，当任一按键按下时，D1-D8低电平有效对应的Q1-Q8输出就可以对单片机P0口输入信号进行相应控制，比如KEY4可以切换数码管显示功率、电压和电流。模拟量输入就是把采样的电压输入单片机A/D转换引脚。电路图如图3-2-2(b)所示：图3-2-2(b) 按键和复位电路3.2.3数码显示电路模块设计本设计制作中选用两个四位共阳极数码管作为显示模块，由和共同控制74HC573作为段锁存器，当他们低电平时，74HC573工作，由和共同控制75HC573作为的位锁存器，位锁存器连接驱动芯片ULN2803，驱动数码管工作。显示的连接电路图如图3-2-3所示： 图3-2-3 数码管显示电路3.2.4电源电路设计在电路中由于我们所用OP07运算放大器需要9V双电源供电，由于我们测量需要稳定的供电而USB供电不稳定，所以我们自制+5V电源供电，电源电路图如图3-2-4：图3-2-4 电源电路3.2.5基准电压电路设计我们用单片机自带的AD进行A/D转换，而单片机实际工作时电压会发生变化，所以在单片机AD检测时外加TL431作为基准源，当输出电压变化时，P1.7口电压保持恒定。电路图如图3-2-5：图3-2-5 基准电压3.3电路参数的计算及元件选择因为我们要测量的范围是，负载电压不超过25V，电流不超过2A，而单片机能够接受的电压小于5V，所以我们电压采样时，用和电阻分压的方式，这样就算电压得到25V时，我们所采的电压也只有3.261V，单片机也能正常工作，电压采样后经过一个电压跟随器，降低输出阻抗，电流采样时，通过电压间接采样，因为我们所串联的电阻很小，由3个和一个的电阻并联，所采得的电压也很小，经过放大单片机识别更准确，所以放大26倍后再送入单片机。3.4 特殊器件的介绍3.4.1 TL431芯片简介TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。TL431特点： 可编程输出电压为36V 电压参考误差：0.4 ，典型值25（TL431B） 低动态输出阻抗，典型0.22 负载电流能力1.0mA to 100mA 等效全范围温度系数50 ppm/典型 温度补偿操作全额定工作温度范围 低输出噪声电压TL431引脚图:图3-4-1 TO92 封装引脚3.4.2 STC12C52A06S2单片机简介STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度要快812倍，内部集成8路高速10位A/D转换（250K/S）。STC12C5A60S2单片机管脚图如图3-4-2。图3-4-2 STC12C5A60S2单片机引脚图4 软件设计4.1 说明软件设计原理及所用工具本系统的程序设计使用Keil uVision3软件进行编写，编译，链接，软件调试等。目标单片机型号为STC12C5A32S2，该单片机具有完全兼容51单片机，功耗小，内部资源丰富，价格便宜等优点；本设计应用单片机内部自带A/D完成电压、电流样本的采集。该系统程序的主要功能是对电压、电流信号和基准电源进行同时采集，然后根据采样比例计算出实际电压、电流和功率，再转换成相应显示码，由8位数码管显示出结果。功率或者电压和电流的显示通过按键进行切换。A/D采样为单片机内部寄存器操作，采取多次采样求平均值的方式进行软件滤波可减小误差，同时也达到了显示结果稳定的目的。在A/D转换过程中停止单片机所有I/O口操作可提高转换的准确度。LED显示使用的是单片机内部定时器产生定时中断进行扫描显示，通过设置合理的定时初值可以稳定不间断地显示，超出量程时可闪烁显示进行报警。由于A/D转换时间极短，所以在A/D转换时停止的I/O操作对显示没有影响。键盘扫描程序使用了延时去抖的算法可避免了误触发，并在程序主循环中进行调用，能保证按键信息实时捕捉的不丢失的要求。STC系列单片机具有在系统可编程（ISP）的特性，程序下载使用厂商提供的ISP 下载工具STC_ISP_V4.78通过单片机串口完成程序烧写，使用方便，无需其他编程工具。4.2 软件设计结构及其功能1.系统初始化程序：对单片机系统硬件初始化；所涉及内存空间初始化；A/D转换器初始化；定时器0和中断初始化，为显示做准备。2.A/D转换程序：对电压、电流、基准源进行模数转换并保存到相应变量中，为计算提供原始数据。3.结果计算和处理程序：对采集到的原始数据进行运算得到测量结果；通过计算将测量结果转换成可直接被数码管显示的字码信息；若超出量程可设置相应标志供显示查询达到闪烁报警的目的。4.中断显示程序：定时对数码管进行扫描，显示被测系统的电压、电流或功率的大小；在超出量程时进行闪烁显示。5.按键扫描程序：通过扫描和一定算法捕捉按键信息；通过按键信息判断是否有键按下，并执行相应的操作(显示信息的切换)。 图4-2 软件结构及功能框图4.3软件设计流程框图程序流程见图4-3(a)(b)开始系统初始化，定时器、中断、A/D转换器等初始化分别对电压、电流对应A/D通道进行选择和转换，完成一次数据采集对采集到的数据进行累加或计算，并更新需要显示的信息按键扫描，并执行相应的按键操作(a)主程序程序流程定时器0溢出中断定时器初值重置，关闭定时器0判断并记录显示的位(8位轮流扫描显示)输出该位选信号和对应显示码重新开启定时器0 ，退出中断程序(b) 定时器溢出中断程序流程图4-35系统调试对系统的OP07运放模块，电压电流采样模块，数码显示模块进行了调试。5.1调试环境本设计采用的是Proteus的ISIS进行设计、仿真以及调试。Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便。该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，仿真很方便。同时，还能输出位图，方便将所设计的电路图打印出来，使用非常方便。5.2硬件调试将电路准确的焊接好，然后通电，查看电源及数码管是否正常工作，同时查看各个芯片是否有异样，比如发热，有烧臭味等。确认电路无错误后，用万用表测试运放OP07的2脚和3脚对地的电压是否为供给的V，对电路进行调试，直到所得到的电压是外接电源供给的V。然后将该电路与单片机相连，接入直流稳压电源，改变直流稳压电源的输出电压，用探针测试被测点的电流电压是否符合要求。同时注意观察数码管的显示是否正确，若超量程了是否闪烁报警，以此来判断单片机的工作状态以及A/D通道是否工作正常。通过对程序的不段调试，达到我们测试功率和电压电流的最终目的。在调试过程中，我们发现所选的负载电阻能承受的功率太小，于是换了一个 的滑动变阻器。调试中我们用到的工具还有直流稳压源，万用表以及程序的调试软件Keil 和下载软件STC-ISP，另外还有若干导线。利用ISIS画出仿真电路，将程序下载到单片机上，运行仿真，观察数码管能否正确显示此时测试点的电压电流。6系统功能、指标参数直流功率计的设计主要是能够准确测试出被测点的功率以及对应的电压电流。6.1系统能实现的功能本系统能实现的功能是测量电路的直流输入功率，并能通过键盘切换显示负载电压和被测电流。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能。6.2系统指标参数测试经过调试，得到以下一组数据，如表6-2。表格上部分是直流稳压电源输出的数据，下部分则是通过功率计读出来的数据。从表格中可以看出来，在不超过量程即电压在25V以下，电流在2A以下时，功率计可以比较准确的测出被测电路的功率及对应的电流电压。直流稳压电源电压（V）252015105电流（A）1.180.950.690.470.23功率（W）29.51910.354.71.15直流功率计电压（V）24.8520.0614.919.954.93电流（A）1.210.940.680.450.22功率（W）30.1418.8610.144.481.08表6-26.3系统功能及指标参数分析系统总体上由四部分组成，既采样电路、按键与复位电路、数码管显示电路、电源电路。首先由采样电路对被测电路进行电压和电流采样，因为单片机能够接受的电压小于5V，所以我们电压采样时，用和电阻分压的方式，这样就算电压得到25V时，我们所采的电压也只有3.261V，单片机也能正常工作，电压采样后经过一个电压跟随器，降低输出阻抗，电流采样时，通过电压间接采样，因为我们所串联的电阻很小，由3个和一个的电阻并联，所采得的电压也很小，经过放大单片机识别更准确，所以放大26倍后再送入单片机，有单片机进行A/D转换和计算功率，并将功率大小显示在数码管上，还能通过键盘切换显示被测负载电压和电流大小。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能。电源电路主要是提供系统所需要的基本工作电压，让系统能够正常工作。7 结论本次系统以单片机为控制核心，实现了电路直流功率的测量。LED能连续稳定的显示被测功率，并能通过按键切换显示电压电流大小，在超过量程时数码管闪烁报警。系统硬件设计时，由于USB供电不稳定，所以设计了一个5V的恒压电源，而且我们还自己设计了所需的9V电源供运算放大器工作，另外由于单片机实际工作时电压会发生变化，所以在单片机AD检测时外加TL431作为基准源，当输出电压变化时，P1.7口电压保持恒定。恒定电压为2.5V。本系统设计可推广到各种电子测量系统中，实现直流电路各参数的测量。在生产生活中，本系统简单明了为生活带来便利；在工业生产中，可以加以各种适当变化，进行电路参数的自动测量，如对电路负载的直流电压、电流和功率自动测量显示。进而可以随时的观察到电路的变化，进行电路的检测，维护。如在电路系统中可以根据不同的负荷得到不同的电压信号，再由电压信号得到各种参数了解电路负荷的变化，以便实时检测。实现系统的自动化调度。综上所述，该系统的设计和研究具在社会生产和生活中具有重要地位。本系统设计实现了电路的直流输入功率的测量，并能通过键盘切换显示负载电压和被测电流。当被测电压高于25V或电流高于2A时，数码管将闪烁，作为超过量程的报警功能。但是由于以前做的实践性工作不是很多，设计的器件不够精确和环境不够专业，该系统设计并不能实现精确的功率测量。由于时间的限制，也没有再进一步的改进，要达到工业生产生活中的要求还有一定距离。该系统的进一步研究应该从提高采样精度和系统工作电压的稳定性出发，取得更精确的测量结果。由于以前做的实践设计不是很多，本次系统设计中遇见了很多的阻碍。起初的设计没考虑到单片机工作电压会变化，没加基准电压，导致测量偏差很大，经过仔细的思考和查找原因，我们加上了基准电压，使得单片机A/D转换时有个基准解决了单片机实际工作电压变化的问题。但是发现结果还是存在偏差，经过请教和仔细思考，最终是因为USB供电不稳定，所以自行设计了所需9V和5V电源。最后是按键部分，在该部分的设计中的主要问题是键盘去抖动的延时时间设置。键盘的延时时间不能过长，也不能过短，否则会使按键失效或者连续跳动，而且按键在切换功率和电压电流显示时会有一段空白时间，刚开始改程序，改成切换时会闪烁显示一段随机数字，经过程序的不断调试，得到了比较理想的按键功能（理想只是对自己在延时按键时间上的感觉）。通过不断的调试和修改，整体系统实现了对电路直流输入功率的较精确测量。8 总结与体会此次课程设计作品是直流功率计的设计，通过对电路负载电压和电流的采样，对采样进行AD转换，再根据功率计算公式，由单片机计算并控制LED数码管动态显示。当然我们所设计的作品肯定是不完美的，有很多不足之处。如测量不能得到非常的精确，存在一定的误差，还有就是当设计作品长时间工作时的稳定性等问题。在测量精度上我们可以用更精确的器件并且在程序方面编写的更完善以得到更精确的测量。至于本系统其他方面肯定还有问题，在以后的进一步研究中，我会从相应的出发点着手，更精确的测量电路直流输入功率。而在本次为期4周的课程设计中，遇见了相当多的问题，所需要的知识点很多，所以我们重新复习了这学期所学的单片机内容以及电力电子技术还有模拟电子和数字电子课程的知识要点，并且熟悉了电子作品设计和制作的整个流程，较为熟悉的掌握了ISIS仿真、PROTEL画原理图和PCB图以及Keil C51等软件的使用方法，同时也熟悉了C语言程序的编写。并且根据课程设计的要求和通过参考有关资料拟的方案，写好程序流程图，在程序流程图的基础上，根据芯片的功能写出相应的程序，达到能够实现所要求的功能。 在写程序时，在每条指令后都写好注释，以便在程序出错的检查过程中可以更容易查找得到。在调试过程中，我们也遇到了很多问题，我们也一一解决了，使我们对调试的过程和方法更加清楚。就这样我又加强了以前所学到的书本知识，而且在实际设计中得到了很好的发挥，也锻炼了我们的实际动手能力。9 谢辞在余建华老师和谢维成老师的指导下，让我们这组顺利地完成了本次设计。在这次设计中，余建华老师和谢维成老师不仅教会我们怎样用Protel 和 Proteus 来进行电路的设计和仿真，而且培养了我们独立解决问题的能力。通过去图书馆查阅相关资料以及在网上搜素信息，都对我们解决问题有莫大的帮助。在此，我再一次感谢余建华老师和谢维成，感谢你们让我们学到除了书本上的知识外，对自己的能力的提升有帮助的东西。当然，还要感谢和我一个团队的组员，在出现困难的时候一起解决问题，在解决问题的过程中相互学习，最终顺利完成任务。10参考文献1 张毅刚、 彭喜元、 董继成 单片机原理及其应用 高等教育出版设，20032 王兆安 、黄俊 电力电子学 （第四版） 北京机械工业出版社，20013 姚国强、 钱锐、 陆成鹰 机电设备的单片机控制技术科学出版社，20064 杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例M.西安电子科技大学出版社，2002.5 张培仁.基于 C 语言编程 MCS-51 单片机原理与应用M.清华大学出版社，2003.6 陈日耀金属切削原理M北京机械工业出版社，1985年3月7 庞思勤、刘成伟激光加工高性能复合材料的工艺与机理研究J兵工学报，1992(4)8 何立明MCS-51 单片机外围器件使用手册M北京航空航天大学出版社，19989 何立明主编MCS-51 单片机应用系统设计系统配置与接口技术J北京航空航天大学出版社，198910康华光电子技术基础（第五版）M高等教育出版社，200611阎石数字电子技术基础（第四版）J高等教育出版社，1998附录1系统的原理电路图 公板：万用板：附录2 系统PCB图附录3 设计实物图万用板：公板：附录4 程序代码主程序#include STC_NEW_8051.H#include#include type.h#include hardware.h#include ADC.h#define vol_scale 7.66667f /ch5 电压采样比#define cur_scale 1.42727f /ch6 电流采样比#define vol_max 50000.0f /最大电压#define cur_max 5000.0f /最大电流void main() t0_dis_init(); /初始化系统 delay(200); /延时 显示hello_欢迎界面 while(1)key_scan(); if(key1)dis_mod=dis_mod;/切换显示模式AD_read_data(42000,0); /AD采集42000次dis_change(dis_mod); /转换成显示码 中断显示程序 void timer0_init() interrupt 1using 1 /中断显示static uchar i,j;TH0=0xf8;TL0=0xcf; /赋值定时器初值R0=0; / 关闭T0 if(i+7) /移位i=0;if(j+80)j=0; /闪烁频率调整 if(led_flag&(140) /闪烁判断led_sel_port=(1i); /位选led_com_port=led_tab17; /关闭显示TR0=1;return;led_sel_port=(1i); /位选led_com_port=dis_tabi; /段码输出TR0=1; /TO运行第 27 页