【正文】 。 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)今的應用，從而顯示出研究本課題的意義及作用，確立了研究方案。學習了設(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。主要實現(xiàn)了對電壓為 220V，頻率 50Hz的電壓信號的檢測。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)符合預期要求。 (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。 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 。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。 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?？床ㄐ蔚拇笮『托螤?，是否是正弦波且大小是要求的177。 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。 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習和實踐 ，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。 當采集到的電壓輸入單片機， 設(shè)定的電壓上下限為 3～ 5V，其基準值就是 4V且波動范圍是﹣ 1V～﹢ 1V。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。 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 。 整體功能通過 按鈕來控制，同時與 主程序和中斷服務程序配合實現(xiàn) （如圖 43） 。在 Workspace 窗口內(nèi)，不同類型的文件有不同的圖標表現(xiàn)。 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。 ResourceView 視窗列出當前工程用到的所有資源。 Head Files 文件夾用于保存頭文件。 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。 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 標簽，用戶可以方便瀏覽到工程內(nèi)的 各文件。 圖 42 Workspace 窗口 在 Workspace 窗口內(nèi)，用戶可查看到當前工程所包括的全部文件。只需在 各窗口內(nèi)單擊鼠標左鍵即可把該窗口激活。 圖 41 μ39。 μ39。 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 27 μ39。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。 編程環(huán)境的介紹 μ39。匯編語言可以直接操作硬件，運算速度快，但復雜 的運算編程很耗時。 同時還應該認識到，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]。 g． C 語言適用范圍大，可移植性好 。 f． 生成目標代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高 。 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。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂?、維護以及調(diào)試。且計算功能、邏輯判斷功能強 大。并引入了指針概念，使程序效率更高。 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。從而使 C 語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。 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。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。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]。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。 匯編語言 (AssemblyLanguage)是面向機器的 程序設(shè)計語言 。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬 件的應用程序。是一種計算機程序設(shè)計語言。 圖 311 敷 銅后的 PCB 圖 制成后在進行元器件的焊接就可以制成實物電路 （ 如圖 312） 。元件的名稱為黃色在 overlay 層，即絲印層。 高頻去耦 的小電容要靠近相應的電源管腳。將元件移到區(qū)域內(nèi)，并簡單布局，接插件放在周邊。 整個電路的繪制 在上面?zhèn)€部分電路設(shè)計的基礎(chǔ)上將采集電路、整流電路還有濾波電路相結(jié)合，組合成為完整的電壓采集電路，在加上電源等一系列元 件畫出如圖 310 的電路 圖 。 本設(shè)計主要采集頻率為 fs=1KHz,所以其采樣周期為 T=1/fs=1ms。交流采樣以其優(yōu)異的性能，正在逐步代替直流采樣 [18]。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展初期，直流采樣得到了廣泛的應用，但這種方法有自身的不足之處 : ①為了提高響應速度，變送器的時間常數(shù)必須特殊設(shè)計，因而不宜普遍使用； 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 22 ②變送器測量諧波有誤差； ③具有較大的時間延遲，難以 及時反映被測量的突變； ④監(jiān)控系統(tǒng)的測量精度直接受變送器精確度和穩(wěn)定性的影響。電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用交流采樣只是針對電力系統(tǒng)中一些不重要的實時數(shù)據(jù) , 如果需要提高數(shù)據(jù)的精度和速度， 就需要采用直流采樣。交流采樣實時性好、相位失真小、投資少、便于維護 , 在電力系統(tǒng)中遠動終端多以分布式和交流采樣為主。輸出時的電壓經(jīng)電阻 R R7 分壓得到單片機可以接受的電壓，其信號必須在 0～ 2V之間。 二階濾波器的設(shè)計 在仔細研讀電壓傳感器的使用手冊和 原理的基礎(chǔ)上設(shè)計電路，本課題選用 1KHz截止頻率，二階巴特沃茲濾波器。因此采用集成運放及電阻、電容組成低通有源濾波器。在不許通帶里有較大波動的情況下，為了在通帶范圍內(nèi)可得到最平坦的幅頻曲線，選擇 Butterworth 型二階低通濾波電路 .它結(jié)構(gòu)簡單，帶內(nèi)紋波小，濾波效率高。 +R 1 R 2C 1C 2 圖 37 有源濾波器結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖可以求出其傳遞函數(shù)為： 21 2 1 2 1 2 21( ) 1oiuu R R C C s R R C s? ? ? ? （ 33） 實際進行參數(shù)設(shè)計時，頻率特性分 析，得到其 bode 圖如圖 312 所示，上半部分為幅頻特性，下半部分為相頻特性。 濾波器的選擇 檢測電路中最主要的一環(huán)是二階有源濾波器的設(shè)計。根據(jù)有用信號的頻 率，可以利用有源濾波器進行信號的提?。桓鶕?jù)無用信號的頻率，可以利用有源濾波器將他們?yōu)V除。特性中使用通帶放大倍數(shù)下降到 倍的頻率成為通帶截止頻率 fp,如圖 36 中所標注 [14]。 四種濾波器的理想幅頻特性分別如圖（ a）（ b）（ c）（ d）所示，每個特性曲線均分為通帶和阻帶倆部分，通帶中的電壓放大倍數(shù)稱為通帶放大倍數(shù) Aup。有源濾波器是一種信號處理電路，組成有源 濾波器的繼承運放工作在線性區(qū)。這就要求在運放輸出的時候把電壓信號進行轉(zhuǎn)換，所以在輸出的地方加一﹢ 5V 的電壓信號，此時的電壓由雙極性變?yōu)閱螛O性的，其大小為 0V～ 10V，其變化可由波形 34 圖可知 : 圖 34 經(jīng)整流后的電壓波形 故這一部分的電路設(shè)計如圖所示： 圖 35 調(diào)理 電路原理圖 基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 19 二階濾波器的原理及設(shè)計 濾波器的種類 對于信號頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路。 LF353 是個接受電壓信號的原件，所以要把電流轉(zhuǎn)換為電壓，在設(shè)計中的電壓大小為： 2 1 1* 200 * ( 25 ) 5U R I m A V? ? ? ? ? （ 32） 其中 LF353 的工作電壓為177。15V[13]。 圖 32 電壓 采集電路 調(diào)理電路的設(shè)計 運放的選擇 在運放方面 我選擇 LF353，其實際上是 由 兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器 組成 ，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 15V 電源使傳感器正常工作，由 LV28P 霍爾電壓傳感器的轉(zhuǎn)換率為 2500： 1000 可知其五號腳輸出的電流為177。C 250 無窮 RS 副邊線圈電阻 TA=70176。C TS 環(huán)境貯存溫度 25..+85 176。C 177。 5 %) 177。 10 mA max 177。14 mA RM 測量電阻 with 177。 （ 2） 使用原則： 對于電壓測量 ,原邊電流與被測電壓的比一定要通過一個由用戶選擇的外部電阻 R確定 ,并串聯(lián)在傳感器原邊回路上。 霍爾傳感器 出色的精度、良好的線性度、低溫漂、最快的反應時間、寬頻帶、無插入損耗、抗干擾能力強、電流過載能力強、優(yōu)越的性價比 而廣泛使用。其優(yōu)點在于：出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動 速度 [12]。 如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾基于單片機的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 16 電流傳感器 。 假如磁感應強度 B 不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 α時，實際上是作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即 Bcosα，這時的 霍爾 電動勢 EH 的基本關(guān)系為 ： EH=KHIBcosα 式中 KH— 霍爾系數(shù)； I— 通過的電流 ； B— 垂直 于 I 的磁感應強度 。磁場方向相反，霍爾電勢的方向也隨之改變，因此霍爾傳感器能用于測量靜態(tài)磁場或交變磁場。電子積累得越多， FE也越大，在半導體薄 片 c、 d 方向的端面之間建立的電動勢 EH 就是霍爾電勢。當有電流 I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢 EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導體薄片稱為霍爾元件。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明 顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應。金屬的霍爾效應是 1879 年被美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的。定時器 A 的時鐘源來從時鐘源和時鐘源組合 B， 在定時器 B 的時鐘源給出 C，當計時器溢出，一個 INT 信號發(fā)送到 CPU 的產(chǎn)生超時信號 。定時器 A 被稱為通用計數(shù)器。 PORTB 的一些 特殊功能的摘要列舉如下： 表 24 B 口 的 特殊功能 端口 B 特殊功能 功能說明 標注 IOB0 SCK 時鐘串行接口 參照見串口部分 IOB1 SDA 數(shù)據(jù)串行接口 參照見串口部分 IOB2 EXT1 外部中斷源 1（負邊沿觸發(fā)） IOB2 設(shè)置為輸入模式 IOB2 反饋輸出 1 與