基于單片機的電力數據采集系統設計-資料下載頁

【導讀】本文介紹的重點是電力數據采集系統，而該系統硬件部分的重心在于單片機。心，還包括A/D模數轉換模塊，顯示模塊，USB接口和串行接口部分。機負責數據采集并應答主機的命令。8路被測電壓通過模數轉換器PCF8591進行模。示，并用LED數碼顯示器來顯示所采集的結果。軟件部分應用KeilUvision3編寫

　　

【正文】 極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接 +5V，每個發光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。如圖所示： 共 陽 極接法 共 陰 極接法 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 25 頁 共 51 頁 圖 LED 數碼顯示 器電路圖 模數轉換器 PCF8591 PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、 8bit CMOS 數據獲取器件。PCF8591具有 4個模擬輸入、 1個模擬輸出和 1個串行 I178。C 總線接口 。 PCF8591的 3個地址 引腳 A0, A1和 A2可用于硬件地址 編程 ，允許在同個 I2C 總線上接入 8個 PCF8591器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向 I2C總線以串行的方式進行傳輸 [27]。 在我們所采集的數據電壓值是隨著滑動變阻器的旋轉而不斷改變的，而要對這些數據進行處理 ,則需要將其轉換為數字量， A/D 轉換器就是為了將連續變化的模擬量轉換成計算機能接受的數字量。 按模擬量轉換成數字量的原理可以分為 3 種：雙積分式、逐次逼近式及并行式A/D 轉換器 。而該系統選用的是 PCF8591，下面就具體的介紹一下 PCF8591 的工作原理。 PCF8591 是具有 I2C總線接口的 8位 A/D及 D/A轉換器。有 4路 A/D 轉換輸入，中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 26 頁 共 51 頁 1 路 D/A 模擬輸出。這就是說，它既可以作 A/D 轉換也可以作 D/A 轉換。 A/D轉換為逐次比較型。引腳圖如圖 所示。結構圖如圖 所示。電源電壓典型值為5V。 圖 PCF8591 的引腳圖 AINO～ AIN3：模擬信號輸入端。 AO～ A3：引腳地址端。 VDD、 VSS:電源端。 (～ 6V) SDA、 SCL： I2C總線的數據線、時鐘線。 OSC：外部時鐘輸入端，內部時鐘輸出端。 EXT：內部、外部時鐘選擇線使用內部時鐘時 EXT 接地。 AGND:模擬信號 接 地。 AOUT: D/A 轉換輸出端。 VREF:基準電源端。 PCF8591 與 STC89C52 單片機的接口方式，如圖 ： 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 27 頁 共 51 頁 圖 PCF8591 與單片機的連接圖 PCF8591 采用典型的 I2C總線接口器件尋址 方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位組成。飛利蒲公司規定 A/D 器件地址為 1001。引腳地址為 A A A0，其值由用戶選擇，因此 I2C系統中最多可接 8個具有 I2C 總線接口的 A/D器件。地址的最后一位為方向位 R/w，當主控器對 A/D 器件進行讀操作時為 1，進行寫操作時為 0?？偩€操作時，由器件地址、引腳地址和方向位組成的從地址為主控器發送的第一字節 [28]。 控制字節：控制字節用于實現器件的各種功能，如模擬信號由哪幾個通道輸入等?？刂谱止澊娣旁诳刂萍拇嫫髦小？偩€操作時為主控器發送的第二字節。其格式如下所示： 其中： Dl、 DO 兩位是 A/D 通道編號： 00 通道 0， 01 通道 1， 10 通道 2，通道3D2 自動增益選擇（有效位為 1）。 D D4 模擬量輸入選擇： 00 為四路單數入、 01中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 28 頁 共 51 頁 為三路差分輸入、 10 為單端與差分配合輸入、 11為模擬輸出允許有效。 圖 AD、 DA 設計電路圖 當系統為 A/D 轉換時，模擬輸出允許為 0。模擬量輸入選擇位取值由輸入方式決定：四路單端輸入時取 00，三路差分輸入時取 01，單端與差分輸入時取 10，二路差分輸入時取 11。最低兩位時通道編號位，當對 0 通道的模擬信號進行 A/D轉換時取 00，當對 1 通道的模擬信號進行 A/D 轉換時取 01，當對 2通道的模擬信號進行 A/D 轉換時取 10，當對 3通道的模擬信號進行 A/D轉換時取 11。 在進行數據操作時，首先是主控器發出起始信號，然后發出讀尋址字節，被控器做出應答后，主控器從被控器讀出第一個數據字節，主控器發出應答，主控器從被控器讀出第二個數據字節，主控器發出應答?一直到主控器從被控器中讀出第 n個數據字節，主控器發出非應答信號，最后主控器發出停止信號。 原理圖設計 該系統是一個主從式數據采集系統，主機和從機均用單片機實現，它的主機部分負責數據處理 和顯示，主機和從機之間用 USB— UART 轉換電路 PL2303 進行通信。它由 STC89C5 PL230 LED 數碼顯示器組成。 由于單片機采用的是 USB 接口供電，且單片機必須與 PC 機保持串行通信，所以在本設計中采用了 PL2303 的 USB— UART 轉換電路進行通信。所以通過 UART切換電路 PL2303 的 USB— TX 端與 RS232的 USB— RX 端相連， PL2303 的 USB— RX 與 RS232中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 29 頁 共 51 頁 的 USB— TX 相連，從而實現 USB— UART 的電路轉換。 晶振 類似單片機的心臟，是給單片機提供工作節拍的，旁邊的電容是 起振作用 [29]。 STC89C52 的 XTAL1 端和XTAL1端與晶振相連。 STC89C52 的 P0端的 8個端口與 74HC245 的 A1— A8端口相連，以及與 74HC138 的 A0、 A A E3端口相連，從而實現對 4個數碼管的控制。 74HC245是方向可控的八路緩沖器，主要用于實現數據總線的雙向異步通信。 STC89C52 中的 端與 端分別與 24C01 的 SDA 端和 SCL 端相連。 24C01 是串行接口的EEPROM 存儲器，常用于存儲需要掉電保存的數據。同時 STC89C52 中的 端與 端分別與 PCF8591 的 SDA 端和 SCL 端相連，實現數據的發送與接受，進而實現對電壓數值量的 AD、 DA轉換，從而在 LED上顯示所采集電壓數據數值，而 PC 機上的串口調試助手則顯示 16 進制的數值。原理圖 見附錄 A。 PCB 圖設計 設計中數據采集單片機的 PCB 圖是由單片機的原理圖生成的，其操作步驟為： 1． 加載網絡表和元件封裝：網絡表是自動布線的基礎，是連接原理圖和印制電路板的紐帶。只有加載了網絡表和元件封裝后，電路板的自動布線才能完成。 2． 元件布局：規劃電路板并導入網絡表后，通過執行命令，系統將自動裝入元件并將元件布置 在電路板邊框內。元件布局可以由系統自動完成，然后進行手工調整布局，布局合理后才能進行下一步的布線工作。元件布局是印制電路板設計中比較花費精力的一個步驟，需要設計者有足夠的耐心 [30]。 3． 自動布線： Protel DXP 2020 中自動布線的功能相當強大，只要把有關參數設置得適當，元件布局合理，系統就會根據設置的規則選擇最佳的布線策略進行自動布線，成功率幾乎 100%。 4． 手工調整：自動布線雖然成功率很高，但往往存在不滿意的地方，這時就需要進行手工調整，以滿足設計要求。 5． DRC 檢查：布線完成后，為了確保 PCB 板符合 設計規則、所有的網絡連接正確，必須對電路板進行設計規則檢查。電路圖如 上 圖所示： 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 30 頁 共 51 頁 5 軟件部分 單片機主程序設計 本數據采集系統系統的設計有一個主程序 ,六個子程序部分，六個子程序部分分別為 I2C 通信的啟動 I2C_start(）與停止 I2C_stop()操作、 I2C 通信的應答 I2C_ACK()與非應 I2C_Wakita()答操作、 I2C 通信的數據發送 I2C_send byte()與接收 I2C_rec byte()操作、 I2C 通信的讀數據 I2C_read byte()操作、采用 UART 發送數據 UART_Send_Byte()到 PC 機界面操作、數碼管數據的顯示與刷新 refresh()操作。 （ 1）主程序 主程序對系統進行初始化，先讀取 I2C通信中的讀數據函數的數據，通過 UART發送數據到 PC 機界面，同時將所讀的十六進制的數據轉換為十進制的數據顯示在四位數碼管上。其流程圖見圖 : 圖 （ 2） I2C 通信的啟動 I2C_start(）與停止 I2C_stop()操作 該子程序部分 SCL 為高電平期間，數據 線上的數據必須保持穩定，只有 SCL 信號為低電平期間， SDA 狀態才允許變化。 （ 3） I2C 通信的應答 I2C_ACK()與非應 I2C_Wakita()答操作 該子程序部分在主機寫數據時，每發送一個字節，接收機需要回復一個應答位 開始 I2C 通信的讀數據 UART 發送數據到 PC 機界面顯示 將所讀十六進制數據轉換為十進制數據 LED 顯示 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 31 頁 共 51 頁 “ 0”，通過應答位來判斷從機是否接收成功。主機讀數據時，接收一個字節結束后，主機也需要發送一應答位“ 0”，但是當接收最后一個字節結束后，則需發送一個非應答位“ 1”，發完了 1后，再發一個停止信號，最終結束通信。 （ 4） I2C 通信的數據發送 I2C_send byte()與接收 I2C_rec byte()操作 I2C 總線是數據線 SDA 和時鐘 SCL 構成的串行總線，可發送和接收數據。該子程序部分是通過改變 SDA 和 SCL 的高低電平來實現控制 24C01 從而實現發送和接收。 SCL 為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有 SCL 信號為低電平期間， SDA 狀態才允許變化。 （ 5） I2C 通信的讀數據 I2C_read byte()操作 圖 I2C 通信的應答 I2C_ACK()與非應 I2C_Wakita()答操作 首先 I2C 起始信號，然后 發送首字節，即器件（ EEPROM)地址。并且在讀寫方向位上選擇“寫操作”方向。 第二個字節，發送數據的存儲地址，就是要讀取的數據所存儲在 EEPROM中的位置。 第三個字節，重新發送 I2C起始信號和器件地址，并且在方向位上選擇“讀開始 主機寫數據 發送字節 應答位 0 接收成功 接收未成功 主機接收完最后一字節數據 發送非應答位 1 停止通信 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 32 頁 共 51 頁 操作”方向。 在前三個字節操作過程，都要等待器件給與回應一個“應答位 0” 第四個字節，接收從器件發回的首字節后，單片機要主動返回一個“ (非 )應答位 0”?? 特別注意： 接收器件返回數據的中間字節，主機主動返回“應答位 0”，但最后一個字節，主機要返 回一個“非應答位 1”，以此通知從機讀取數據結束，發送停位。 (6)采用 UART發送數據 UART_Send_Byte()到 PC 機界面操作 UART 是單片機與 PC 之間的最簡單的通信方式之一，也是單片機之間常用通信。本設計中先通過 I2C 通信將數據接收存儲在 EEPROM 中，然后通過 USB— UART轉換電路將數據發送到 PC機所做好的界面上，并進行與 LED 電壓數值的同步顯示。其流程圖如圖 : 圖 UART 發送數據 UART_Send_Byte()到 PC 機界面操作 （ 7） 數碼管 數據的顯示與刷新 refresh()操作 在本設計中用了四個數碼管將電壓數值精確到小數點后三位，數碼管所顯示的數據是將 I2C通信發送過來的十六進制數據轉化為十進制數據進行顯示。由于本設計 我們所測外部模擬電壓范圍為 05V， 0V對應為 0,5V 就對應 255，外部所測電壓經模數轉換 AD 變化為數字量 0255，數碼管也就顯示此值十進制轉化值（（ AD/255）*5）。 其流程圖如圖 ： 開始 UART 初始化 UART 發送數據到 PC 界面 PC 界面顯示 開始 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業設計說明書 第 33 頁 共 51 頁