【導(dǎo)讀】波動時會產(chǎn)生誤差或者損壞，此時必須對電壓進行實時的在線監(jiān)測。SPCE061A單片機作為核心控制器件來控制的電壓采集系統(tǒng)。利用霍爾電壓傳感器來對。220伏，50赫茲的電壓信號進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)電壓調(diào)理電路的調(diào)理和濾波器的濾波得到。適合單片機的直流電壓信號，進行采樣信號的分析和處理，并與設(shè)定的基準(zhǔn)值相比較，對其結(jié)果用LED實時輸出。本設(shè)計涉及語言學(xué)、計算機科學(xué)、信號處理、模/數(shù)電轉(zhuǎn)換。等諸多領(lǐng)域，在煤礦、生產(chǎn)制造都可廣泛運用，該技術(shù)有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的實時性要求也愈來愈迫切。又如在新型飛機試飛中如能實現(xiàn)對某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時處理和

　　

【正文】 25 4 系統(tǒng) 軟件 的設(shè)計 編程語言的選擇 C 語言是 Combined Language（組合語言）的中英混合簡稱。是一種計算機程序設(shè)計語言。它既具有高級語言的特點，又具有 匯編語言 的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬 件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C 語言，具體應(yīng)用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) [21]。 匯編語言 (AssemblyLanguage)是面向機器的 程序設(shè)計語言 。在匯編語合中，用助記符 (Memoni)代替操作碼，用地址符號 (Symbol)或標(biāo)號 (Label)代替地址碼。這樣用符號代替 機器語言 的二進制碼，就把機器語言變成了匯編語言。于是匯編語言亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫 匯編程序 ，匯編程序是 系統(tǒng)軟件 中 語言處理系統(tǒng) 軟件 [22]。匯編程序把匯編語言翻譯成機器語言的過程稱為匯編 ，其中 C 語言 和 匯編語言 的優(yōu)點是： （ 1） C 語言的優(yōu)點 C 語言一共只有 32個 關(guān)鍵字 9 種控制語句， 程序書寫形式自由，主要用小寫字母表示。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。 C 語言可以像匯編語言一樣對 位 、 字節(jié)和地址進行操作， 而這三者是計算機最 基本的工作單元 [23]。 a． 運算符的豐富 C 語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有 34種運算符。 C 語言把 括號 、 賦值 、強制類型轉(zhuǎn)換 等都作為運算符處理。從而使 C 語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符可以實現(xiàn)在其它高級語言中難以實現(xiàn)的運算。 b． 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富 C 語言的數(shù)據(jù)類型有： 整型 、 實型 、 字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。另外 C 語言具有強大的圖形功能，支持多種 顯示器和驅(qū) 動器。且計算功能、邏輯判斷功能強 大。 c． C 是結(jié)構(gòu)式語言 結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。 C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 d． C 語法限制不太嚴格，程序設(shè)計自由度大 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 26 雖然 C 語言也是強類型語言，但它的語法比較靈活，允許程序編寫者有較大的自由度。 e． C 語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作 由于 C 語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進 行操作，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。 f． 生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高 。 一般只比匯編程序生成的目標(biāo)代碼效率低 10～ 20%。 g． C 語言適用范圍大，可移植性好 。 C 語言有一個突出的優(yōu)點就是適合于多種操作系統(tǒng)，如 DOS、 UNIX；也適用于多種機型。 C 語言具有強大的繪圖能力，可移植性好，并具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫，它也是數(shù)值計算的高級語言 [24]。 （ 2） 匯編語言的優(yōu)點 匯編語言直接同計算機的底層軟件甚至硬件進行交互，它具有如下一些優(yōu)點： 存儲器 或 I/O 端口； ，對生成的 二進制代碼 進行完全的控制； ，避免因線程共同訪問或者硬件設(shè)備共享引起的 死鎖 ； ，提高運行速度； 。 同時還應(yīng)該認識到，匯編語言是一種層次非常低的語言，它僅僅高于直接手工編寫二進制的機器指令碼，因此不可避免地存在一些缺點： ，不好維護； bug，難于調(diào)試； 體系結(jié)構(gòu) 和 處理器 進行優(yōu)化； ，時間長且單調(diào)。 C 語言可以和匯編語言混合編程。匯編語言可以直接操作硬件，運算速度快，但復(fù)雜 的運算編程很耗時。而用匯編語言編寫與硬件底層操作有關(guān)的程序，用 C 語言編寫與硬件無關(guān)的運算程序，這樣可充分發(fā)揮兩種語言的長處，從而提高開發(fā)效率 [25]。 編程環(huán)境的介紹 μ39。nSP?集成開發(fā)環(huán)境，它 采 集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試以及仿真等功能為一體。具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使人們的編程、調(diào)試工作更加方便且高效。此外，它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模擬硬件的各項功能來調(diào)試程序。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 27 μ39。nSP?集成開發(fā)環(huán)境支持 C 和匯編混合編程，可以有效地利用這兩種語言的優(yōu)點進 行在線編程，有利于更加充分地、直觀地利用硬件資源。 μ39。nSP? IDE采用 MFC MDI機制，因此，用戶可以在主界面里同時打開多個窗口，如圖 41。 圖 41 μ39。nSP? 集成開發(fā)環(huán)境主界面 主界面包括三個主要窗口： Workspace window 工作區(qū)窗口、 Edit window 編輯窗口和 Output window 輸出窗口。只需在 各窗口內(nèi)單擊鼠標(biāo)左鍵即可把該窗口激活。此外，在主界面上，還提供工具欄等一些方便用戶操作的工具。 圖 42 Workspace 窗口 在 Workspace 窗口內(nèi)，用戶可查看到當(dāng)前工程所包括的全部文件。 Workspace 窗口由 FileView 和 ResourceView 兩個視窗組成。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 28 單擊 FileView 標(biāo)簽，用戶可以方便瀏覽到工程內(nèi)的 各文件。 FileView 視窗用層次圖排列出當(dāng)前工程的所有程序文件和文件之間的邏輯關(guān)系。 Files 文件夾包含了源程序、程序接口和說明硬件配置情況的文件。 Resource 文件夾包括了各種資源文件 (rc)。 Head Files 文件夾用于保存頭文件。 External Dependencies 文件夾用于保存對工程的一些標(biāo)注信息。 ResourceView 視窗列出當(dāng)前工程用到的所有資源。可以單擊頂部旁邊的＋和－號展開和收縮層次圖。 注意， Workspace 窗口所體現(xiàn)的邏輯關(guān)系不是指文件在硬盤上的物理位置，而是一個邏輯從 屬關(guān)系。用戶可用拖曳的辦法改變文件的邏輯位置。在 Workspace 窗口內(nèi)，不同類型的文件有不同的圖標(biāo)表現(xiàn)。 系統(tǒng)的程序 程序的 控制 流程 程序的控制思想：設(shè)置目標(biāo) 電壓 后，系統(tǒng)采樣 電網(wǎng)電壓 ，并通過預(yù)設(shè) 電壓 ，當(dāng)前 電壓 的比較，輸出采樣的結(jié)果。 整體功能通過 按鈕來控制，同時與 主程序和中斷服務(wù)程序配合實現(xiàn) （如圖 43） 。 圖 43 程序的控制流程 主程序 的基本 流程 系統(tǒng)首先初始化 I/O， 定時器配置 等部件，之后進入主 程序 ，進行 電壓 采樣。 由于采樣有一定的時間，在采樣時間沒到到時就繼續(xù)采 樣，時間一到進行信號的讀取和儲存，對信號進一步 濾波 處理 。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 29 圖 44 主程序流程圖 程序主要參數(shù)的設(shè)置： 圖 45 程序參數(shù)的設(shè)置 中斷服務(wù)程序： 此程序用到了一個中斷程序 其提供 20ms時間以確定 AD采樣的時間間隔， 在每個采樣周期采樣 10次， 程序流程如圖 46所示 。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 30 圖 46 中斷程序 A/D轉(zhuǎn)換子程序如下 圖 47 A/D轉(zhuǎn)換子程序 A/D處理： A/D處理包括兩方面內(nèi)容，一是 A/D值的濾波處理，二是 A/D值向?qū)嶋H 電壓 轉(zhuǎn)換。由于干擾的存在，在采樣過程當(dāng)中會出現(xiàn)采樣信號與實際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號的高低波動，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在 實際采樣時采樣10個點，然后再除去其中偏差較大的兩個點，即一個最大值和一個最小值，再對剩余的8個點取均值，這樣得到的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實際值。在對數(shù)值進行濾波操作之后，還要將 A/D值轉(zhuǎn)換為 電壓。 現(xiàn)在采集的是 220V電壓，其基準(zhǔn)值就是 220V，測量的上限是 260V，下限為 180V，波動范圍大約在 20%。 當(dāng)采集到的電壓輸入單片機， 設(shè)定的電壓上下限為 3～ 5V，其基準(zhǔn)值就是 4V且波動范圍是﹣ 1V～﹢ 1V。由于單片機的 A/D轉(zhuǎn)換是 10位的， 其精確度為： 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 31 102 V?? （ 41） 每次一個模擬信號都要換算成數(shù)字信號來做比較 ，就是得到的模擬信號電壓的值都要乘以它的基準(zhǔn)值 ，這樣模擬信號就變成了數(shù)字信號，再作比較即可 。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 32 5 采集系統(tǒng)調(diào)試與運行結(jié)果分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的調(diào)試 電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 調(diào)試時遇到不少問題，由于以前都是理論的學(xué)習(xí)和實踐 ，現(xiàn)在是第一次親自動手設(shè)計基于 單片機的數(shù)據(jù)采集 電路圖 的設(shè)計 ，所以在設(shè)計時考慮不周 全，出現(xiàn)的問題必須 調(diào)式時解決?，F(xiàn)就課題中調(diào)試時的方法介紹如下： 調(diào)試 采集系統(tǒng) 的總原則是本著節(jié)省時間 和保證成功率的前提下，分模塊化進行調(diào)試，在己經(jīng)調(diào)試成功模塊的基礎(chǔ)上，逐步累加新加入的未調(diào)試的模塊，然后再分級調(diào)試下去，這樣可以保證調(diào)試的逐級進行，最后能夠在最有效的時間內(nèi)使整 個系統(tǒng) 能夠經(jīng)過檢測調(diào)試后能夠按照預(yù)先的要求正常運行 ，調(diào)試的主要 調(diào)試設(shè)備 如圖 51所示 。 51 調(diào)試的設(shè)備 圖 對于 采集系統(tǒng) ，可以分為一下幾大部分 ： 傳感器 部分 、 調(diào)理電路部分 、 濾波電路部分 以及 61板 主芯片電路等六大部分。對于 傳感器采集電網(wǎng)電壓部分 的調(diào)試，采取的方法是將電路焊接上去后，用跳線將其他模塊斷開，先驗證電路圖是否正確，然后檢測板上電路是否符合預(yù)先的設(shè)計圖紙的電路，最后給輸入口加上電源， 通過示波器觀察波形 ?？床ㄐ蔚拇笮『托螤?，是否是正弦波且大小是要求的177。 5V（如圖 52所示） 。 圖 52 傳感器采集的電壓波形 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 33 調(diào)理部分電路調(diào)試和前面一樣，最終在示波器上得的到的的波形還是正弦波，但是其大小為 0～ 10V。 濾波電路得到的是一個更加穩(wěn)定電壓 ，經(jīng)電阻分壓后輸出 波形大小在0～ 2V內(nèi)。最后通過電源線將采集電路和 61板連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SPCE061A單片機。 系統(tǒng)測試時出現(xiàn)的問題及解決方法 系統(tǒng)測試時出現(xiàn)的問題如下： 測試時輸出不穩(wěn)定 ； 在開始使用開發(fā)板時出現(xiàn)了 程序不能下載的情況。 解決辦法如下： 在 61 板工作電壓 盡可能采用 5V的穩(wěn)壓電源，因為穩(wěn)壓電源能使單片機工作在穩(wěn)定的電壓環(huán)境，使其減少不必要的誤差 。 不能下載的其原因主要有兩種： (1)在編譯或者綜合時， 在凌陽單片機的編程環(huán)境中文件程序的下載路徑有誤時 下載文件不能下載， 重新設(shè)置下載路線和用正確的步驟來解決問 題 。 (2)由于 在程序下載時是通過下載器下載，并通過數(shù)據(jù)線連接，在此過程中可能下載通道有誤，檢查接口和數(shù)據(jù)線來解決。 小結(jié) 本章詳細講述了系統(tǒng)測試及測試結(jié)果，說明了如何檢驗程序的可行性，并列出了系統(tǒng)的測試結(jié)果。系統(tǒng)利用對部分硬件的仿真，得到了滿意的結(jié)果，并且在具體的電路上進行驗證，最后經(jīng)過這些綜合的測試和驗證證明了系統(tǒng)符合預(yù)期要求。 本課題針對電網(wǎng)電壓經(jīng)常波動的現(xiàn)狀，所提出的研究方案：設(shè)計一個基于單片機的電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要實現(xiàn)了對電壓為 220V，頻率 50Hz的電壓信號的檢測。順利完成了電壓數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示功能。學(xué)習(xí)了設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案、軟件設(shè)計思想，并對系統(tǒng)進行實驗調(diào)試。論文詳細地闡述了以單片機為核心原件的電壓采集系統(tǒng)設(shè)計過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)及方法。 綜觀全文，主要內(nèi)容如下： （ 1)概述了電壓采集的歷史背景及現(xiàn)今的應(yīng)用，從而顯示出研究本課題的意義及作用，確立了研究方案。整個系統(tǒng)由硬件選型設(shè)計和軟件編程設(shè)計兩方面完成