基于单片机的电网数据采集系统的设计毕业论文

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1、基于单片机的电网数据采集系统的设计 I摘 要家庭和实验室中各种对电压要求比较高的电器和设备，在电压产生过高或者过低的波动时会产生误差或者损坏，此时必须对电压进行实时的在线监测。本系统采用凌阳 SPCE061A 单片机作为核心控制器件来控制的电压采集系统。利用霍尔电压传感器来对 220 伏，50 赫兹的电压信号进行数据采集。经电压调理电路的调理和滤波器的滤波得到适合单片机的直流电压信号，进行采样信号的分析和处理，并与设定的基准值相比较，对其结果用 LED 实时输出。本设计涉及语言学、计算机科学、信号处理、模/数电转换等诸多领域，在煤矿、生产制造都可广泛运用，该技术有非常广阔的应用前景。关键词：关

2、键词：单片机，波动，监测，数据采集，滤波基于单片机的电网数据采集系统的设计 IIAbstractThis design is based on acquisition system with microprocessor controlled voltage. Home and laboratory on the voltage requirements of various electrical appliances and equipment relatively high, too high or too low in voltage fluctuations generated whe

3、n errors or damaged, it is essential for real-time monitoring of voltage. The system uses Sunplus SPCE061A MCU as the core control device, using Hall voltage sensor on 220 volts, 50 Hz voltage signal data acquisition. The conditioning circuit filter conditioning and filtering by taking into account

4、wave devices for single chip DC voltage signal, sampled signal analysis and processing, and with the reference value set by comparing its results with real-time LED output. The design involves linguistics, computer science, signal processing, analog / digital power conversion and many other fields,

5、in coal mines, production can be widely used, the technology has very broad application prospects.Key word: SCM , volatility , monitoring , data collection , filtering 基于单片机的电网数据采集系统的设计 III目录目录1 绪论 .11.1 电压数据采集的现状 .11.2 电压数据采集的基本原理 .11.3 本系统设计的目的 .21.4 本系统完成的功能 .32 模块特性介绍 .52.1 SPCE061A 模块的介绍 .62.2

6、SPCE061A 单片机的介绍 .83 系统的硬件设计 .153.1 电压传感器的选择和设计.153.2 调理电路的设计 .173.3 二阶滤波器的原理及设计 .193.4 采样的方式和原理 .213.5 整个电路的绘制 .224 系统软件的设计 .254.1 编程语言的选择 .254.2 编程环境的介绍 .264.3 系统的程序 .285 采集系统调试与运行结果分析 .325.1 数据采集系统硬件的调试 .325.2 系统测试时出现的问题及解决方法 .335.3 小结 .33参考文献 .34致 谢 .35基于单片机的电网数据采集系统的设计 11 绪论绪论随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实

7、时性要求也愈来愈迫切。显然，不论在哪个应用领域中，数据处理越及时则经济效益就越大。例如在实时监控系统中，必然要求对测量数据实时处理。又如在新型飞机试飞中如能实现对某些关键数据的实时处理和监测，就能在这些数据发生异常变化时及时发现并采取措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。可见，实时处理数据意义是很大的。由于电子计算机技术和大规模集成电路技术的蓬勃发展，为提高数据处理的实时性提供了广阔的前景1。1.1 电压数据采集的现状随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中己成为必不可少的部分。数据采集经过几十年的发展，已经成为一门很成熟的技术。但国内对电压在线监测装置的研究和

8、开发起步较晚，大约 20 世纪 90 年代才逐渐开始，但其发展速度很快。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需的数据。同时，还可以用计算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被采集量，其中电压量的采集最为经常。电压的采集方法可以将一些处理模拟量的问题转化为处理数字量的问题。现代数字逻辑电路集成度越来越高，不仅有利于电网电压采集的小型化，更可贵的是能够提高可靠性。电网数据的采集

9、从最早的指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表等，这些仪器仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性，但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而目前还在被广泛使用。随着单片机的出现和广泛应用，国外生产和制造仪器的各大公司纷纷把它用于测量仪器中，产生了仪器发展中的一次革命，研制出了各种智能仪器，由模拟电子线路实现仪器的信号测量，并由微处理器来增加仪器的功能，简化仪器结构。这类仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同

10、指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用2。1.2 电压数据采集的基本原理数据采集一般主要完成两部分的工作:一是信号的采样，主要由采样/保持电路完成；二是采样值的量化，主要由 A/D 变换器完成。现在 A/D 的集成化很高，很多都内置了基于单片机的电网数据采集系统的设计 2采样/保持放大器和电压参考源等单元电路，为应用的简化提供了方便。模拟信号经过前置放大器放大后进入采集系统，先经过信号调理电路进行信号的放大、滤波、使信号的带宽限制在需要的范围内，并使信号的幅度与 A/D 的量程相匹配。经过以上处理后，信号被送入采样保持器进行采样，然后被模数转换器进行量化

11、，量化后的数据被送入存储器进行存储或者以供处理。由电压传感器输出的信号是一个连续的模拟信号，要通过数据采集系统变换为单片机能够处理的信号。数据采集部分是整个测量部分的核心。它的整体设计和实现都要紧紧围绕着被测信号来考虑。根据采样定理，如果采样频率不够高，输入信号将会产生混叠现象，采样得到的数据将不能完全恢复出原始信号。为了能够恢复出原始信号，采样频率必须大于信号频率的至少两倍，一般工程上要求采样频率要比信号频率高 45 倍。也就是说，在被测信号经过前向通道降低为合适的电平被数据采集装置采集之后，转化的结果能否最大限度的逼近真实信号，取决于数据采集装置的采样速度。采集速度主要由数据采集装置的单片

12、机的 A/D 转化系统决定。电压模拟信号进入数据采集部分后，先通过采样/保持器，再进行 A/D 转换。A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望 A/D 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度，采样/保持器的引入，大大提高了数据采集系统的采样频率。A/D 转换所得的数据写入 A/D 转换器的输出寄存器，然后比较电路或软件计算程序，从输出寄存器中提取数据，与基准值进行比较，做出预期的判断3。1.3 本系统设计的目的在家庭电压波动对要求高的电器是一种考验，往往使其不能正常工作，导致电器的寿命下降甚至烧掉，造成不必要的损失。在社会生产领域，高科技孕育大量电子企业，其

13、生产往往伴随着大量精密电子控制系统的广泛使用，同样参与生产的过程控制装置 PLC 、工业机器人等都是对电压波动十分敏感的负荷，表 1-1 详细列举了电压波动给各种敏感设备带来的不良影响。表表 1-1 电压波动对一些设备的影响电压波动对一些设备的影响(以电压额定值的以电压额定值的 100%为标准为标准)设备名电压波动造成的影响某公司芯片测试仪当电压低于 85 %，芯片被毁，测试仪停止工作，内部电子电路主板故障。可编程控制器（PLC）当电压低于 80%时，PLC 停止工作，一些 I/O 设备，当电压低于 90%，持续几个周波就会被切除。精密机械工具由机器人控制的精密加工机械，为保证产品的质量和安全

14、，工作电压门槛值一般设为 90%，当电压低于此值，持续 23 个周波时跳闸。调速驱动器(ASD)当电压低于 70%，持续时间超过 6 个周波时，ASD 被切除；而对于一些精细加工工业中的电机，当电压低于 90%，持续时间超过 3 个周波时，电机会被跳闸而退出运行。基于单片机的电网数据采集系统的设计 3交流接触器有报告表明当电压低于 50%，持续时间超过 1 个周波，接触器就会脱扣；也有报告表明当电压低于 70%甚至更高，接触器就会脱扣。计算机当电压低于 60%，持续 12 个周波时，计算工作将受到影响。直流电机当电压低于 80%时，直流电机被跳闸。在现代工业中，广泛应用着这些设备，任一设备的作

15、业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。尤其是当今个人计算机的应用十分普遍，当电压下降到额定值的 60%及以下时，可能造成计算机程序紊乱，数据丢失。这也就是一些重要的计算机设备都要装配不停电电源（UPS）的原因。同样，对基于单片机原理的数控设备、复印机、银行自动提款机等都会遇到类似的问题。由于家庭电压时常出现波动，就需要监测电压是否在正常范围内，起到一个报警的作用。所以本课题要设计一个采集家庭电网电压为 220V，采样频率为 50Hz 的电压信号。此系统运用电压传感器采集一路电压信号，经调理电路的调理和滤波器

16、的滤波将电压转化成单片机能够接受的直流电压信号，通过数据处理后与设定值的比较，报告电压的正常与否，图 1-1 是系统设计的基本流程。图图 1-1 电压采集系统的基本流程电压采集系统的基本流程1.4 本系统完成的功能系统整体硬件设计如图 2-2 所示，整个系统以 SPCE061A 为核心，前向通道包括传感器及其信号采集电路，按键输入电路；后向通道包括：LED 显示电路。SPCE061A 内部有 8 路 10 位精度的 A/D 转换器，可以直接将信号输入其 A/D 转换通基于单片机的电网数据采集系统的设计 4道。由于启动按钮电路和 LED 灯显示电路都是 61 板自带功能，所以本设计的任务主要是电

17、压传感器的设计、调理电路得设计和二阶滤波器的设计，同时还有软件方面完成对于数据采集和 A/D 转换的功能。图图 1-2 系统功能图系统功能图基于单片机的电网数据采集系统的设计 52 模块特性介绍模块特性介绍电压数据采集的硬件主要以电压传感器的设计，调理电路的设计和二阶滤波电路的设计，其核心控制原件为 SPCE061A 单片机为主控制的 61 板,其电路原理图和电路实物图如下所示4。图图 2-12-1 6161 板原理图板原理图基于单片机的电网数据采集系统的设计 6图图 2-2 61 板实物图板实物图2.1 SPCE061A 模块的介绍2.2.1 61 板的结构和功能SPCE061A 是一款 1

18、6 位结构的微控制器5，图 2-3 是它的结构概览： 图图 2-3 SPCE061A 的结构概览图的结构概览图SPCE061A 主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真基于单片机的电网数据采集系统的设计 7电路 ICE 接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。SPCE061A 单片机应用领域非常广泛，例如应用在家用电器控制器、工业控制制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。61 板的核心是凌阳 16 位单片机 SPCE061A，封装形式为 PLCC84，各引脚功能可以参见附件

19、中的 SPCE061A 原理图6。图图 2-4 61 板的接口图板的接口图输入/输出（I/O）接口 61 板将 SPCE061A 的 32 个 I/O 口全部引出：IOA0IOA15，IOB0IOB15，对应的 SPCE061A 引脚为：A 口，4148、53、5460；B 口，51、8176、6864。而且该 I/O 口是可编程的，即可以设置为输入或输出：设置为输入时，分为悬浮输入或非悬浮输入，非悬浮输入又可以设置为上拉输入或是下拉输入；在 5V 情况下，上拉电阻为 150K，下拉电阻为110K；设置为输出时，可以选择同相输出或者反相输出。61 板具有强大的语音处理功能，如图 1.3 所示，

20、X1 是语音的 MIC 输入端，自带自动增益（AGC）控制，J3 是语音输出接口，一个 2pin 的插针外接喇叭，由 DAC 输出引脚 21 或 22 经语音集成放大器 SPY0030A 放大，然后输出，SPY0030A 是凌阳的一款芯片，功能相当于 LM386，但是比 LM386 音质好，它可以工作在 2.46.0V 范围内，最大输出功率可达 700mW（LM386 必须工作在 4V 以上，而且功率只有100mW）。图中 J10 是电源接口，61 板的内核 SPCE061A 电压要求为 3.3V，而 I/O 端口的电压可以选择 3.3V 也可以选择 5V。所以，在板子上具有两种工作电压：5V

21、 和 3.3V。对应的引脚中 15、36 和 7 必须为 3.3V，对于 I/O 端口的电压 51、52、75 可以为 3.3V 也可以是 5V，这两种电平的选择通过跳线 J5 来选择。61 板的供电电源系统采用用户多种选择方式：（1）5V 供电用户可以用 3 节电池来供电，5V 直流电压直接通过 SPY0029（相当于一般 3.3V稳压器）稳压到 3.3V，为整个 61 板提供了 5V 和 3.3V 两种电平的电压。另外也可以基于单片机的电网数据采集系统的设计 8直接外接 5V 的直流稳压源供电，5V 电压再通过 SPY0029 稳压到 3.3V。（2）3.3V 供电用户可以提供直流 3.3

22、V 电压为实验板进行供电，此时整个板子只有 3.3V 电压，I/O 端口电压此时只有一种选择。2.2 SPCE061A 单片机的介绍SPCE061A 是继 nSP系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一个 16 位结构的微控制器。与 SPCE500A 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 里只内嵌 32K 字的闪存 FLASH ROM。较高的处理速度使 nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相同，以 nSP为核心的 SPCE061A 微控制器也适用在数字语音识别应用领域。 SPCE061A

23、在 2.6V3.6V 工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。2K 字 SRAM 和 32K字闪存 ROM 仅占一页存储空间，32 位可编程的多功能 I/O 端口；两个 16 位定时器/计数器；32768Hz 实时时钟；低电压复位/监测功能；8 通道 10 位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道 10 位 DAC 方式的音频输出功能。SPCE061A 是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用7。 2.2.1 SPCE061A 的性能特点SPCE061A 主要有以下性能特点：116 位 nSP微处理器；

24、2CPU 时钟：0.32MHz-49.152MHz；3工作电压：3.0V-3.6V；4编程 Flash 工作电压：3.0V-3.6V；5IO 口 AB 工作电压：3.0V-5.5V；6内置 32K 闪存 ROM；7内置 2K 字 SRAM；8可编程音频处理；9晶体谐振器；10待机模式（时钟停止模式节省功耗），最大：2.0A3.6V；112 个 16 位定时器/计数器；12两个 10 位 DAC 输出通道；1332 位通用的 I/O（位可编程）；1414 个中断源和 2 个优先级；15关键唤醒功能（IOA0-7）；基于单片机的电网数据采集系统的设计 916能容纳 210 秒的语音数据，音频编码为

25、 2.4Kbit /每秒的 SACM_S240；17锁相环 PLL 的系统时钟功能；1832768Hz 实时时钟（RTC）；198 通道 10 位 AD 转换器；20ADC 的外部参考电压；212.0V 电压调节器输出，驱动能力为 5mA；22串行接口 I/O（SIO）；23内置麦克风放大器和 AGC 功能；24UART 接收器和发送器（全双工）；25低电压复位及低电压检测；26看门狗使能（键选择）；27ICE 作用发展和减少内存加载到 Flash；28安全功能，以保护代码进行读写。2.2.2 SPCE061A 管脚排列和说明图图 2-5 SPCE061A LQFP80 封装引脚排列图封装引脚

26、排列图表表2-1 管脚描述表管脚描述表管脚名称管脚名称 管脚编号类型描述IOA15:846-39I/OIOA15:8：双向 I/O 端口基于单片机的电网数据采集系统的设计 10IOA7:034-27I/OIOA7:0：可以编程的唤醒 I/O 引脚IOA 6:0 ：可以作为选配的 ADC 线在输入IOB15:11IOB 10IOB 9IOB 8IOB 7IOB 6IOB 5IOB 4IOB 3IOB 2IOB 1IOB 050-545758596061626364656667I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OIOB 15:11: 双向 I / O 端口IOB

27、10 可以选择为异步传输器（TX）IOB9 可以多占空比的 TimerB（BPWMO）周期输出IOB8 可以多占空比的 TimerB（BPWMO）周期输出IOB7 可以选择为 UART 接收器（Rx）IOB6 是一个双向 I/O 端口IOB5 可以选择作为反馈信号的 EXT2IOB4 可以选择作为反馈信号的 EXT1IOB3 可以选择作为外部中断输入引脚（EXT2）（负缘触发）IOB2 可以选择作为外部中断输入引脚（EXT1）（负缘触发） 。IOB1 可以选择作为一个串行接口数据（SDA）IOB0 可以选择作为一个串行接口时钟（SCK）DAC112O音频 DAC1 输出DAC213O音频 DA

28、C2 输出X32I2I晶体振荡器输入X32O1O晶体振荡器输出VCOIN70IRC 电路的 PLL 滤波器连接AGC16IAGC 控制引脚MICN19I差分麦克风输入（负）MICP21I差分麦克风输入（正）V2VREF14O2.0V 的输出电压，驾驭能力（5.0 毫安可作为外部ADC Line_IN 顶部参考电压）MICOUT18O麦克风第一放大器输出OPI17I麦克风第二放大器输出VEXTREF23IADC Line_IN 顶部外部参考电压输入引脚VMIC25O麦克风电源VADREF22OAD 参考电压（AD 转换器由内部产生）VDD5,69I逻辑正电源VSS10,26,71I接地参考的逻辑

29、和 I/O 引脚VDDIO37,38,56I正的 I/O 输出脚VSSIO35,36,48I参考接地 I/O 引脚AVDD24I正向传输的模拟电路包括 ADC，DAC 和 2.0V 的稳压器AVSS15I模拟电路的参考接地包括 ADC，DAC 和 2.0V 的稳压器RESET68I芯片低有效复位SLEEP49睡眠模式（高电平有效）基于单片机的电网数据采集系统的设计 11ICE7IICE 使能（高电平有效）ICECLK8IICE 串行接口时钟ICESDA9I/OICE 串行接口数据TEST3I连接到高测试模式，通常与连接至 GND（测试模式禁用）无关ROMT47I快闪记忆体测试，通常无关N/C5

30、5I不使用N/C4I请勿粘合和连接此脚，如果用户绑定此脚 IC 将无法工作WDGOPT*6I关连看门狗禁用高，无关的看门狗启用PFUSE,PVIN20,11I安全使用保险丝2.2.3 SPCE061A 系统的特性参数SPCE061A 系统的特性参数如表所示8：表表 2-2 SPCE061A 系统的特性参数系统的特性参数特性参数SPCE061A工作电压2.6-3.6V最大工作速率49.152MHzCPU16 位 nSPSRAM 容量2K 字ROM 容量（字）32K 闪存 ROM并行 I/O 端口 AIOA15-0并行 I/O 端口 BIOB15-0音频输出方式DACx2中断源TimerA/B时基

31、信号发生器外部中断触键唤醒唤醒源IOA7-0其他中断源定时器/计数器双 16 位加计数定时器/计数器双通道 PWM 输出UART具备ADC7 通道 10 位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器（ADC）串行 SRAM 接口具备（凌阳格式）晶振具备低电压复位具备低电压监测具备内置 ICE 接口具备上电复位具备麦克风放大器和自动增益控制单通道节电功能具备基于单片机的电网数据采集系统的设计 12中断控制功能具备触键唤醒功能具备2.2.4 SPCE061A 功能说明（1）处理器SPCE061A 配备了凌阳科技开发的最新的 16 位微处理器 nSP。8 个寄存器参与nSP：R1- R4 的

32、（通用寄存器），PC（程序计数器），SP（堆栈指针），基本指针（BP）和 SR（段寄存器）。该中断包括三个 FIQs（快速中断请求）和 8 个IRQ（中断请求），以及一个软件中断。此外，高性能的硬件乘法器和 FIR 滤波器的能力以减少软件乘法加载9。（2）内存a静态存储器拥有 2K 字的 SRAM（包括堆栈区） ，访问两个 CPU 时钟周期的速度介于$0000 到$07FF。b闪存快闪记忆体（$008000$00FFFF）是一种高速记忆体，是访问两个 CPU 时钟周期的速度。使用 IDE 工具完成闪存擦除和程序的功能。（3） 锁相环，时钟，电源模式aPLL（锁相环）PLL 的目的是提供一个基本

33、频率（32768Hz）和抽取频率 20.48MHz 到 49.152MHz系统时钟（振荡频率）。默认锁相环频率为24.576MHz。b系统时钟基本上，系统时钟是由PLL 和程序由 Port_SystemClock（W）来确定时钟频率系统。如果没有指定，默认的系统时钟振荡频率= 24.576MHz 的和八分之一的CPU 时钟振荡频率。最初八分之一的CPU 时钟振荡频率后，系统醒来并调整到所需的CPU 时钟的编程Port_SystemClock（W）。这避免了闪存ROM 读取失败时系统醒来。c32768Hz 实时时钟实时时钟（RTC）通常用于手表，时钟或其他相关产品的时间。加载在SPCE061A

34、的一个 2Hz-时钟（1/2 秒）函数。RTC 的计数时间以及醒来时，CPU 最高时钟发生。是由于时钟产生的每 0.5 秒，时间可追溯这些数字对 RTC 的发生。此外，SPCE061A 的支持 32768Hz 振荡器模式和强大的 auto_weak 模式。在强大的模式，32768Hz 振荡始终运行在最高功耗。但是，在 auto_weak 模式，它运行的第一个 750 强模式秒和更改回自动模式 auto_weak 保存的权力。（4）功率节省模式该 SPCE061A 的还提供了省电模式（待机模式）用于低功耗应用的需求。要进入待机模式下，所需的键唤醒端口（IOA 7:0）必须被配置为输入的第一个。和

35、阅读基于单片机的电网数据采集系统的设计 13Port_IOA_Latch（R）的锁存 IOA 前的状态进入待机模式。还记得让对应的中断源（s）为唤醒。在此之后，CPU 时钟停止时钟寄存器（b0b2 的Port_SystemClock（W）进入待机模式。在这种模式下，静态存储器和 I/O 留在 CPU的到以前的状态正唤醒。在 SPCE061A 的该唤醒来源包括港口 IOA7-0 和 IRQ1-IRQ6。随着 SPCE061A 唤醒后，该组继续执行程序。程序员也可以启用或禁用 32768Hz 振荡时的 CPU 处于待机模式10。（5）低电压检测和低电压复位a低电压检测（LVD）认证有两个电压级别选

36、择：为2.9V和3.3V。这些都可通过Port_LVD_Ctrl（W）进行控制。假设VLVD=2.9V。当电压下降2.9V以下，那么对Port_LVD_Ctrl b15读数就高。在这种状态，可以设计程序以应对这种情况。b低电压复位除了低电压检测，SPCE061A 的另一个重要的功能是低电压复位（LVR）。那么有了 LVR 功能，电压下降为低于 2.3V 时会在连续 4 个时钟周期后产生一个复位信号完成复位系统的操作。无 LVR，故障时 CPU 变得不稳定，工作电压下降为 2.3V 以下。（6）中断SPCE061A有14个中断源，分为两种类型，FIQ（快速中断请求）和IRQ（中断请求）。 FIQ

37、的优先权高于IRQ。FIQ是高优先级中断而IRQ是低优先级之一。一个IRQ，可以通过FIQ中断，而不是通过其他的IRQ。一个FIQ不能中断任何其他中断源。表表2-3 SPCE061A的的中中断断源源中断源中断优先级优先级Fosc/1024 溢出信号FIQ/IRQ0高Timer A 溢出信号FIQ/IRQ1高Timer B 溢出信号FIQ/IRQ2高外部时钟源输入信号EXT2IRQ3低外部时钟源输入信号EXT1IRQ3低触键唤醒信号IRQ3低4096Hz 时基信号IRQ4低2048Hz 时基信号IRQ4低1024Hz 时基信号IRQ4低4Hz 时基信号IRQ5低2Hz 时基信号IRQ5低频选信号

38、 TMB1IRQ6低频选信号 TMB2IRQ6低UART 传输中断IRQ7低（7）输入/输出端口SPCE061A 内置的两个 I/O 端口，A 口和 B 口。A 口具有普通的 I/O 可编程唤醒功基于单片机的电网数据采集系统的设计 14能。除了定期的IO 功能，B 口还可以执行某些引脚的一些特殊功能。假设工作电压在3.6V 运行（VDD）和 VDDIO（用于 I/O 电源）从至3.6V（VDD）至 5.5V。在这种情况下，I/O 板是从 0V 通过 VDDIO 控制的。然而 IOB13 和 IOB14 操作建议在待机状态=3.6V 的模式，否则这两个内部端口会漏电。虽然数据可以从不同的地方写入

39、相同的寄存器通过Port_Data 和 Port_Buffer，缓冲区（R）和数据（R）。IOA 7:0是关键唤醒端口。要激活键唤醒功能，闩锁PORT_IOA_Latch 是数据使唤醒功能的关键。唤醒时，就会触发该门的状态在不同的时间锁定。除了一个普通的I/O 端口，PORTB 的带有一些特殊功能。PORTB 的一些特殊功能的摘要列举如下：表表 2-4 B 口的特殊功能口的特殊功能端口 B特殊功能功能说明标注IOB0SCK时钟串行接口参照见串口部分IOB1SDA数据串行接口参照见串口部分IOB2EXT1外部中断源1（负边沿触发）IOB2 设置为输入模式IOB2反馈输出 1与 IOB4 工程之间

40、，增加了 RC 电路来得到一个振荡器来EXT1 中断IOB2 设置为反向输出IOB3EXT2外部中断源2IOB3 设置为输入模式IOB3反馈输出 2与 IOB5 工程之间增加了 RC 电路来得到一个振荡器来的EXT2 中断IOB3 设置为反向输出IOB4反馈输入 1IOB5反馈输入 2IOB7RxUART 接收器参照看到的 UART 部分IOB8APWMAOTimerA 的 PWM 输出参照定时器/计数器部分IOB9BPWMAOTimerB 的 PWM 输出参照定时器/计数器部分IOB10TxUART 发送器参照 UART 部分参照上表，在 IOB2，IOB3，IOB4 配置，和 IOB5 涉

41、及反馈功能，其中一个振荡器频率可从 EXT1（EXT2 文件） ，通过简单地增加 RC 电路与 IOB2（IOB3）和IOB4（IOB5） 。（8）定时/计数器SPCE061A 提供了两个 16 位定时器/计数器，定时器 A 和定时器 B。定时器 A 被称为通用计数器。定时器 B 是一个通用计数器。定时器 A 的时钟源来从时钟源和时钟源组合 B，在定时器 B 的时钟源给出 C，当计时器溢出，一个 INT 信号发送到 CPU 的产生超时信号。表表 2-5 SPCE061A 的的定时定时/计数器计数器时钟源A时钟源B时钟源C基于单片机的电网数据采集系统的设计 15Fosc/22048HzFosc/

42、2Fosc/2561024HzFosc/25632768Hz256Hz32768Hz8192HzTMB18192Hz4069Hz4Hz4069Hz12Hz1010EXT1EXT2EXT1基于单片机的电网数据采集系统的设计 163 系统的硬件设计系统的硬件设计3.1 电压传感器的选择和设计3.1.1 霍尔元件的工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879 年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时 ，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在

43、居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。原理（如图 3-1）简述如下：激励电流 I 从 a、b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c、d 方向产生电场 E。电子积累得越多，FE也越大，在半导体薄 片 c、d 方向的端面之间建立的电动势 EH就是霍尔电势。流入激励电流端的

44、电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度 B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。 假如磁感应强度 B 不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上是作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电动势 EH的基本关系为：EH=KHIBcos式中 KH霍尔系数；I通过的电流 ；B垂直于 I 的磁感应强度 。 图图 3-1 霍霍尔尔元元件件的的原原理理 图图由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁

45、场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电基于单片机的电网数据采集系统的设计 17流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感11。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度12。3.1.2 霍尔电压传感器的选择LV28-P 霍尔电压传感器，LV 系列霍尔电压传感器是应用霍尔效应的闭环（补偿）电压传感器，符合 94V0 标准的绝缘外壳，对于电压测量原边电流

46、与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻确定，并串联在传感器原边回路上。其优点在于：出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强。霍尔电压传感器的原边回路和副边回路之间高度绝缘隔离，可用于测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，副边输出能真实反映原边电流的波形和线性比例。霍尔传感器出色的精度、良好的线性度、低温漂、最快的反应时间、宽频带、无插入损耗、抗干扰能力强、电流过载能力强、优越的性价比而广泛使用。3.1.3 霍尔电压传感器的参数（1）性能：a应用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器；b符合 UL 94-V0 标准的绝缘外壳。（2）使用原则：

47、对于电压测量,原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻 R确定,并串联在传感器原边回路上。（3）电参数：表表 3-1 LV28-P 霍尔电压传感器的电参数霍尔电压传感器的电参数IPN原边额定有效值电流10mAIP原边电流测量范围0.14mARM测量电阻 with 15 V 10 mA max 14 mA max100 350100 190ISN副边额定有效值电流25mAKN转换率2500:1000VC电源电压 ( 5 %)15VIC电流消耗10+ISmAVd有效值电压用于交流绝缘检测 1)50Hz，1 分钟2.5kV基于单片机的电网数据采集系统的设计 18（4）精度- 动态参数

48、：表表3-2 LV28-P霍尔电压传感器的霍尔电压传感器的精度精度-动态参数动态参数XG总精度 IPN , TA = 25C 0.6%L线性度=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 510 倍；采样定理又称 奈奎斯特定理 。本设计主要采集频率为 fs=1KHz,所以其采样周期为 T=1/fs=1ms。对于我要采样的频率 50Hz 来说，其周期为 20ms，就是每个采样周期采样 20 次。3.5 整个电路的绘制在上面个部分电路设计的基础上将采集电路、整流电路还有滤波电路相结合，组合成为完整的电压采集电路，在加上电源等一系列元件画

49、出如图 3-10 的电路图。图图 3-10 采集电路的电路图采集电路的电路图将画出的电路电压采集电路原理图中确定的封装和网络标号导入新建 PCB 中文件中，在规定的区域内通过手动布局，将元器件放到相应位置（原则是方便走线，按功基于单片机的电网数据采集系统的设计 24能分类） 。将元件移到区域内，并简单布局，接插件放在周边。确定主要芯片的位置，其他元件围绕它来布局19。高频去耦的小电容要靠近相应的电源管脚。调整布局及连线，根据电流大小加粗，电源线粗线，信号线细线，top 层为红色，不好走线时，要打过孔到 bottom 层，在底层为蓝色走线。元件的名称为黄色在 overlay 层，即丝印层。最后为

50、了加强电路板的抗干扰能力，对数字电路部分进行覆铜，模拟的不需要覆铜，最终得到如图 3-11 的 PCB电路板，制成后在进行元器件的焊接就可以制成如图 3-12 的实物电路。图图 3-11 敷铜后的敷铜后的 PCB 图图制成后在进行元器件的焊接就可以制成实物电路（如图 3-12） 。基于单片机的电网数据采集系统的设计 25图图 3-12 采集电路实物图采集电路实物图基于单片机的电网数据采集系统的设计 264 系统软件的设计系统软件的设计4.1 编程语言的选择C 语言是 Combined Language（组合语言）的中英混合简称。是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的

51、特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到 C 语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发21。汇编语言(AssemblyLanguage)是面向机器的程序设计语言。在汇编语合中，用助记符(Memoni)代替操作码，用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程

52、序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件22。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编，其中 C 语言和汇编语言的优点是：（1）C 语言的优点C 语言一共只有 32 个关键字 9 种控制语句， 程序书写形式自由，主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。 C 语言可以像汇编语言一样对 位、字节和地址进行操作， 而这三者是计算机最基本的工作单元23。 a运算符的丰富C 语言的运算符包含的范围很广泛，共有34 种运算符。C 语言把括号、赋值、强制类型转换 等都作为运算符处理。从而使 C 语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可

53、以实现在其它高级语言中难以实现的运算。b数据结构丰富C 语言的数据类型有： 整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据结构的运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。另外 C 语言具有强大的图形功能，支持多种 显示器和驱 动器。且计算功能、逻辑判断功能强大。cC 是结构式语言结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。dC 语法限制不太

54、严格，程序设计自由度大基于单片机的电网数据采集系统的设计 27虽然 C 语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活，允许程序编写者有较大的自由度。eC 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作 由于 C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，因此它既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。f生成目标代码质量高，程序执行效率高 。一般只比汇编程序生成的目标代码效率低1020%。gC 语言适用范围大，可移植性好 。C 语言有一个突出的优点就是适合于多种操作系统，如DOS、UNIX；

55、也适用于多种机型。 C 语言具有强大的绘图能力，可移植性好，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，它也是数值计算的高级语言24。（2）汇编语言的优点汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：a.能够直接访问与硬件相关的 存储器或 I/O 端口；b.能够不受编译器的限制，对生成的 二进制代码进行完全的控制；c.能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁； e.能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；f.能够最大限度地发挥硬件的功能。同时还应该认识到，汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直

56、接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点：a.编写的代码非常难懂，不好维护；b.很容易产生 bug，难于调试；c.只能针对特定的 体系结构和处理器进行优化；e.开发效率很低，时间长且单调。C 语言可以和汇编语言混合编程。汇编语言可以直接操作硬件，运算速度快，但复杂的运算编程很耗时。而用汇编语言编写与硬件底层操作有关的程序，用 C 语言编写与硬件无关的运算程序，这样可充分发挥两种语言的长处，从而提高开发效率25。4.2 编程环境的介绍nSP集成开发环境，它采集程序的编辑、编译、链接、调试以及仿真等功能为一体。具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使人们的编程、

57、调试工作更加方便且高效。此外，它的软件仿真功能可以在不连接仿真板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序。基于单片机的电网数据采集系统的设计 28nSP集成开发环境支持 C 和汇编混合编程，可以有效地利用这两种语言的优点进行在线编程，有利于更加充分地、直观地利用硬件资源。nSP IDE 采用 MFC MDI 机制，因此，用户可以在主界面里同时打开多个窗口，如图 4-1。图图 4-1 nSP集成开发环境主界面集成开发环境主界面主界面包括三个主要窗口：Workspace window 工作区窗口、Edit window 编辑窗口和 Output window 输出窗口。只需在各窗口内单击鼠标左键即可把

58、该窗口激活。此外，在主界面上，还提供工具栏等一些方便用户操作的工具。图图 4-2 Workspace 窗口窗口在 Workspace 窗口内，用户可查看到当前工程所包括的全部文件。Workspace 窗口由 FileView 和 ResourceView 两个视窗组成。基于单片机的电网数据采集系统的设计 29单击 FileView 标签，用户可以方便浏览到工程内的各文件。FileView 视窗用层次图排列出当前工程的所有程序文件和文件之间的逻辑关系。Files 文件夹包含了源程序、程序接口和说明硬件配置情况的文件。Resource 文件夹包括了各种资源文件(rc)。 Head Files 文件

59、夹用于保存头文件。External Dependencies 文件夹用于保存对工程的一些标注信息。ResourceView 视窗列出当前工程用到的所有资源。可以单击顶部旁边的和号展开和收缩层次图。注意，Workspace 窗口所体现的逻辑关系不是指文件在硬盘上的物理位置，而是一个逻辑从属关系。用户可用拖曳的办法改变文件的逻辑位置。在 Workspace 窗口内，不同类型的文件有不同的图标表现。4.3 系统的程序4.3.1 程序的控制流程程序的控制思想：设置目标电压后，系统采样电网电压，并通过预设电压，当前电压的比较，输出采样的结果。整体功能通过按钮来控制，同时与主程序和中断服务程序配合实现（如

60、图4-3）。 图图4-3 程序的控制流程程序的控制流程4.3.2 主程序的基本流程 系统首先初始化I/O，定时器配置等部件，之后进入主程序，进行电压采样。由于采样有一定的时间，在采样时间没到到时就继续采样，时间一到进行信号的读取和储存，对信号进一步滤波处理。基于单片机的电网数据采集系统的设计 30图图4-44-4 主程序流程图主程序流程图程序主要参数的设置：图图4-54-5 程序参数的设置程序参数的设置中断服务程序： 此程序用到了一个中断程序其提供20ms时间以确定AD采样的时间间隔，在每个采样周期采样10次，程序流程如图4-6所示 。基于单片机的电网数据采集系统的设计 31图图 4-6 中断

61、程序中断程序A/D转换子程序如下图图4-74-7 A/DA/D转换子程序转换子程序A/D处理：A/D处理包括两方面内容，一是A/D值的滤波处理，二是A/D值向实际电压转换。由于干扰的存在，在采样过程当中会出现采样信号与实际信号存在偏差的现象，甚至会出现信号的高低波动，为了减小这方面原因造成的测量误差，在实际采样时采样10个点，然后再除去其中偏差较大的两个点，即一个最大值和一个最小值，再对剩余的8个点取均值，这样得到的A/D转换结果比较接近实际值。在对数值进行滤波操作之后，还要将A/D值转换为电压。现在采集的是220V电压，其基准值就是220V，测量的上限是260V，下限为180V，波动范围大约

62、在20%。当采集到的电压输入单片机，设定的电压上下限为35V，其基准值就是4V且波动范围是1V1V。由于单片机的A/D转换是10位的，基于单片机的电网数据采集系统的设计 32其精确度为： （4-1）1020.00221VV每次一个模拟信号都要换算成数字信号来做比较，就是得到的模拟信号电压的值都要乘以它的基准值 0.002V，这样模拟信号就变成了数字信号，再作比较即可。基于单片机的电网数据采集系统的设计 335 采集系统调试与运行结果分析采集系统调试与运行结果分析5.1 数据采集系统硬件的调试电压数据采集系统调试时遇到不少问题，由于以前都是理论的学习和实践，现在是第一次亲自动手设计基于单片机的数

63、据采集电路图的设计，所以在设计时考虑不周全，出现的问题必须调式时解决。现就课题中调试时的方法介绍如下：调试采集系统的总原则是本着节省时间和保证成功率的前提下，分模块化进行调试，在己经调试成功模块的基础上，逐步累加新加入的未调试的模块，然后再分级调试下去，这样可以保证调试的逐级进行，最后能够在最有效的时间内使整个系统能够经过检测调试后能够按照预先的要求正常运行，调试的主要调试设备如图5-1所示。5-15-1 调试的设备图调试的设备图对于采集系统，可以分为一下几大部分：传感器部分、调理电路部分、滤波电路部分以及61板主芯片电路等六大部分。对于传感器采集电网电压部分的调试，采取的方法是将电路焊接上去

64、后，用跳线将其他模块断开，先验证电路图是否正确，然后检测板上电路是否符合预先的设计图纸的电路，最后给输入口加上电源，通过示波器观察波形。看波形的大小和形状，是否是正弦波且大小是要求的5V（如图5-2所示）。图图5-25-2 传感器采集的电压波形传感器采集的电压波形基于单片机的电网数据采集系统的设计 34调理部分电路调试和前面一样，最终在示波器上得的到的的波形还是正弦波，但是其大小为010V。滤波电路得到的是一个更加稳定电压，经电阻分压后输出波形大小在02V内。最后通过电源线将采集电路和61板连接，将数据传输到SPCE061A单片机。5.2 系统测试时出现的问题及解决方法系统测试时出现的问题如下

65、：测试时输出不稳定；在开始使用开发板时出现了程序不能下载的情况。解决办法如下：在 61 板工作电压尽可能采用 5V 的稳压电源，因为稳压电源能使单片机工作在稳定的电压环境，使其减少不必要的误差。不能下载的其原因主要有两种：(1)在编译或者综合时，在凌阳单片机的编程环境中文件程序的下载路径有误时下载文件不能下载，重新设置下载路线和用正确的步骤来解决问题。(2)由于在程序下载时是通过下载器下载，并通过数据线连接，在此过程中可能下载通道有误，检查接口和数据线来解决。5.3 小结本章详细讲述了系统测试及测试结果，说明了如何检验程序的可行性，并列出了系统的测试结果。系统利用对部分硬件的仿真，得到了满意的

66、结果，并且在具体的电路上进行验证，最后经过这些综合的测试和验证证明了系统符合预期要求。本课题针对电网电压经常波动的现状，所提出的研究方案：设计一个基于单片机的电压数据采集系统。主要实现了对电压为 220V，频率 50Hz 的电压信号的检测。顺利完成了电压数据采集系统的硬件和软件的设计，实现对现场数据的采集、处理和显示功能。学习了设计系统的硬件设计方案、软件设计思想，并对系统进行实验调试。论文详细地阐述了以单片机为核心原件的电压采集系统设计过程中所涉及的关键技术及方法。综观全文，主要内容如下：（1)概述了电压采集的历史背景及现今的应用，从而显示出研究本课题的意义及作用，确立了研究方案。整个系统由硬件选型设计和软件编程设计两方面完成。（2)确立了采集电路原件的选型，通过分析采集系统的要求，绘制原理图及硬件接线图等。（3)采用了以凌阳 SPCE061A 单片机为核心的 61 板，通过输入数据、分析数据和输出结果，另外根据所要求实现功能，设计程序。本文提出的设计方案可以满足对电压数据的采集，可以可靠的对家庭电压进行实时的监测。基于单片机的电网数据采集系统的设计 35参考文献参考文献1 张学强,