电力系统电压信号测量系统设计.doc

摘 要1一、 文件综述2二、课程题目与设计要求3三、系统的总体设计方案43.1 交流采样技术43.1.1 同步采样法43.1.2 准同步采样法63.1.3 系统采样方案的确定63.2 相关电量测量算法73.2.1电压、电流的有效值计算73.2.2短路保护参数计算83.2.3系统信号处理算法的确定9四、系统的硬件设计94.1 系统硬件的构成94.2 单片机的选型104.2.1 STC89C52单片机最小系统的组成104.2.2 STC89C52单片机的复位和时钟电路114.3 数据采集电路114.3.1 电压、电流信号输入以及调理电路114.3.2 A/D转换134.4 LCD显示电路154.4.1 LCD显示模块的简介154.4.2 LCD显示电路的原理164.5 电源电路174.6 系统的硬件电路图184.7 系统PCB设计效果图19五、系统的部分软件设计195.1 系统主程序的设计205.2 系统初始化子程序的设计205.3 显示子程序的设计215.4 数据采样处理子程序的设计22六、个人总结与心得体会23七、分组情况24参考文献24摘 要对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题以及实现电力系统自动化的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携、稳定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。 本文简述了交流采样原理的产生和发展，对交流采样法中的二种主要方法即同步采样法和准同步采样法做了基本介绍，并分别对其特点进行了比较。而硬件同步采样法因其硬件开销不是很大，软件量相对较小，测量所需时间短，适宜做分周期实时检测。因而，本文采用此种方法。系统采用STC89C52单片机来实现电力参数的交流采样，通过液晶显示器显示电压和电流的实时值。结果表明，采用交流采样方法可以进行数据采集,并采用运算获得电压、电流电力参数，它们均有很好的精确度和稳定性。单片机测量交流电量参数方案是进行电能监控系统的一部分。通过对本系统进一步完善，能够作为电力部门及用户收费，付费系统。因而，该系统具有广泛的应用前景。关键词： 交流采样原理 电参数 测量系统ABSTRACTIt is very important for acquiring the running state and solving the problems of the power supplying system to perform high accurate, multi-parameter, low-cost, portable, real time and stable measurement of power parameters. It is also one major subject on which the researchers have focused for many years.In this paper, the production and development of the Alternating Current (AC) sampling principle is simply explained. And the two main methods, namely, in-phase sampling and standard in-phase sampling technique are basically introduced and compared by their characteristics. However, the hardware in-phase sampling method fits for the real-time detection because the hardware spending is not very great, the software has the less proportion and the less measurement time is needed. Thus, this method is adopted in this paper. The STC89C52 Single Chip Microcomputer (SCM) is utilized to realize the AC sampling of the electric power, then, tphase difference, voltage and voltaic is displayed by the LCD. The results demonstrate that the AC sampling method can get data and the power parameters of the voltage, electric current, which have the high precision and stability. The SCM scheme is used to measure the AC parameter, which is a part of the power supervision system. More improving of the system can utilize as the power corporations and consumers of charge and pay out system. So the system possesses the very broad application foreground.Keywords ：Digital Sampling Principle Electric Parameter Measuring System一、 文件综述电力工业的迅猛发展，使改造现有的输电和配电网络，建立新型变电站成为广泛的需求。微处理器技术的发展和人力维护的高昂成本是电力公司建立新型自动化变电站主要原因。而实现电力系统参数的高精度、多参数的测量，是实现电力系统自动化的前提。测量与仪表是一项涉及面很宽的多学科结合的技术，它已经日益成为现代科技和工业发展不可或缺的一环，在各个领域都发挥着技术基础保证的作用。就电测及仪表技术而言，在过去的一个多世纪里，伴随着工业化的蓬勃发展，电测量理论及仪表技术也持续快速发展，大致经历了早期、初期、中期和近期等四个阶段。在进入中期发展阶段前，电测量技术主要是以模拟测量为主，各种磁电、电磁及电动系的电压表、电流表、功率表等是这一时期电测仪表的典型代表，这些模拟式仪表具有功能单一、精度低、响应速度慢等特点。20世纪50年代初期，数字技术的出现使得各种数字仪表得以问世，电测与仪表技术的发展逐步加快。进入20世纪70年代以来，微电子技术和微计算机技术发展迅速，1974年，美国国家标准局(NBS)的R.S.Turgel博士首次提出等间隔数字采样技术，数字采样测量法(Digital Sampling Measurement)由此诞生，此后数字电子与计算机技术在电测和仪表领域进一步渗透，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的标志。20世纪80年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。近几十年来，随着大规模集成电路、计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，电测与仪表技术的发展也是日新月异，各种新的技术和概念不断涌现，各学科技术日趋融合，测量系统与计算机、网络、通信以及控制系统的界限越来越模糊，测量系统由传统的集中模式逐渐转变为分布模式，成为具有开发性、交互操作性、分散性、网络化和智能化的测控系统。我国对电力参数监测技术的研究与应用起步较晚，但随着电力企业的快速增长及电网改造工作的深入，电力监测的相关研究和应用的到了迅速的发展。随着电子技术和微机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中。但是电力系统对检测装置的实时性、计算能力及大数据量运算速度等各方面要求的不断提高，单片机技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系统电压和电流的测量和分析中，单片机以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用单片机开发的测量装置体积小，集成度高;随着单片机芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，单片机的应用成为目前电力参数测试开发的一大突破。二、课程题目与设计要求1、题目 电力系统电压信号测量系统设计2、设计目标及技术要求 系统功能是对4路电压输入(0-100v)（A相电压、B相电压、C相电压、零序电压） 和三相电流（ABC）进行测量。测量及输出误差2。 通过液晶显示相关参数和文字。设计目的通过对电力系统电压信号测量系统设计，使学生初步掌握电力系统的主要参数采集方法，以及常用元器件的选型；使学生理解电力信号的分析和设计方法；同时使学生掌握电路板的设计方法，提高学生动手能力和设计能力，增强对所学知识的运用。3、 设计主要内容1、设计信号采集和显示原理图，要求信号采集采用专用的单通道A/D转换器；2、设计PCB电路板；3、给出交流信号的采样方法及信号处理的相关算法； 4、完成器件选型； 4、 设计要求1、写综合设计报告；2、完成相关电路板设计；5、设计的心得体会要求主要参考书目电器智能化原理及应用 王汝文电路板设计相关书籍三、系统的总体设计方案本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统，其关键的环节是数据采集部分。根据采集信号的不同，分成直流采样和交流采样两种。直流采样通常是把交流电压、电流信号经过变送器转化为05 V的直流电压，此方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有局限性，无法实现实时信号的采集，变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响，设计复杂等。交流采样是通过二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，并采用软件编程方法来实现硬件的功能，因而实时性好，相位失真小，硬件的投资大幅降低。所以，本系统采用交流采样的方法来测量电力系统的参数。3.1 交流采样技术采样又称取样、抽样、对模拟信号在时间上离散化、幅值离散化。这样用在电参量测量中可以克服模拟运算准确度较低且模拟器件易受各种干扰影响的缺点，从同一批数据中可获得许多电参量信息，对于一个连续的时间信号f(t)，若其最高次谐波分量的频率为，当采样频率时，采样信号就将无失真地反映被测信号f(t)这就是香农(Shannon)采样定理。本文所述交流采样技术主要应用于电参量测量领域，就是对周期或非周期的交流待测信号在CPU的控制下，由采样保持器进行采样和保持，再送给 A/D转换器进行模数变换、量化处理，将模拟量变为数字量，送存贮器存贮，最后由CPU进行一系列运算、处理、得到结果送显示器显示、原理框图如图 2-1 所示信号输入CPUA/D转换器采样保持器显示器图3-1 交流采样法原理框图交流采样技术主要分以下二种方法：1.同步采样法 ；2.准同步采样法。下面分别加以介绍：3.1.1 同步采样法此法也是最初采用的方法，同步采样法（P.S.Wright,P.Pickering，1999）（A.A.Girgis, J.Qiu，1989）是指采样时间间隔 Ts与被测交流信号周期 T及m个周期内采样点数 N之间满足关系式 mT= NTs。对于周期为T的信号，设采样由t =0处开始，在m个整周期中均匀采样N次，则采样时间间隔Ts= mT/N 那么第 i 次采样的时间为 （3-1）以测功率为例，交流平均功率为 （3-2）经等间隔同步采样后，各采样点的瞬时功率值为，经离散后m个整同期的平均值为 （3-3）以上以功率测量为例来说明同步采样的原理，对电流、电压有效值的计算公式与功率相似，其它参量如功率因数、视在功率、无功功率等可通过计算得到。同步采样法有两种实现方法：一是用硬件实现，由硬件同步电路向CPU提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的有锁相环电路。但是这种电路较复杂，实现起来成本较高。典型的硬件同步电路如图3-2所示。 图3-2 硬件同步法原理框图二是用软件实现，常规的软件同步采样法首先要测量被测信号的周期T，然后除以一个周期内的采样点数N，得到采样间隔Ts，并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。所以，软件同步采样的核心和前提是对被测信号进行精确和实时的测频，并以此计算出采样的时间间隔。软件同步的原理框图如图3-3所示。软件同步不需要专用的同步电路，省去了硬件环节，结构简单，节约成本，得到了广泛的应用。图3-3 软件同步法原理框图3.1.2 准同步采样法准同步采样是从同步采样演变而来，在同步采样的基础上通过适当增加采样点及采用相应的算法进行数据处理的一种方法。它去掉了同步采样中的同步环节，节省了硬件开销，在被测信号的m个周期内，以等间隔同步采样（mN+1）点。N为每周期采样点数，采样时间间隔Ts对采样数据值进行m次叠代，最终得到测量值，准同步采样在算法上的主要依据是，为周期信号求其平均值，有下面的表达式： （3-4）其中为f(x)的周期，是积分起点对应的角值，在采样过程中，通过适当增加采样数据量，在满足一定条件时可采样35 周期，通过数值积分公式进行叠代运算，就可以获得对的高准确度估计。设周期信号 （3-5） 其平均值为，经叠代处理后有 （3-6）显然，的准确度取决于可忽略的近似程度。递推公式如下 （3-7）对三次叠代的展开公式如下,每周期采样点数为64点。 = （3-8）这样处理后，简化了软件计算过程，把三次递推运算均选用矩形数值求积公式，即用采样点形成的每个小矩形的面积之和来模拟整个曲线的下含面积。3.1.3 系统采样方案的确定虽然，准同步采样技术使测量装置简单，简化电路。准同步采样法的不足之处在于：它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数，并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其所需数据较多，计算量远大于同步采样，运算时间较长，不适合多回路、多参量实时性要求高的在线交流测量系统，而且受短暂突发性干扰影响的可能性要比同步采样大。由于同步采样技术运算速度最快，运算量也较小，故采用同步采样技术测量电流、电压有效值和有功功率值、并通过计算得到视在功率、功率因数、频率、有功、无功电能。由于整个供电环境是在给定的工频50HZ的大前提下，对三相电压、电流以及零序电压的有效值进行测量，并且在满足设计要求之上，我们选择通过软件设计实现的同步采样方法。采用此采样方法，需要专用的同步电路，省去了硬件环节，结构简单，节约成本。下面我们介绍对采样得来的数据进行相应的处理以及其中运用的相关算法。3.2 相关电量测量算法智能电器对点参量的测量是根据对被测参量的采样结果，实时地计算出测量当前量。被测点参量包括监控和保护对象的电压和电流有效值、有功功率、无功功率和功率因数。这里我们只针对本设计要求以及被测相关量介绍电压和电流有效值在监控和保护两个主要环境下的相关算法。3.2.1电压、电流的有效值计算求电压、电流的有效值，就是计算其均方根值。根据周期性连续函数有效值的定义，任意周期函数的有效值为 （3-9）式中，为函数的周期。在智能电器中，中央处理器是根据被测量的采样值进行计算的。如前所述，对连续函数采样的结果是离散时间函数，计算时需将连续函数的积分变成对离散量求和。因此，电压、电流的有效计算的表达式为 （3-10） （3-11）式中，为每个电源周期的采样点数：，为电压、电流在第点的采样值。为防止随机干扰对转换器输入电压波形的影响，个采样点上的数据都被先做滤波处理。当然这里用到是各种平滑滤波方法中的加权平均滤波。这样，电压、电流在第点上的采样值分别为 （3-12） （3-13）式中，为滤波所需的采样点数，一般取34。3.2.2短路保护参数计算短路是供电线路中较常见的严重故障之一。造成短路故障的原因很多，主要有线路绝缘老化、负载短路，以及某些不可预知的因素（雷击、动物等）。出现短路时，电流一样增大，而且因为线路的分布电感、电容等产生瞬态过程，使故障出现时的电流中含有衰减的非周期分量和高次谐波，波形严重畸变。一旦发生短路，保护用的开关电路必须在规定的时间内分断，切断故障段，避免造成大面积停电事故，因为短路电流波形是非周期、非正弦的，在计算上与有效值完全不同。在电力系统中，开关电器的短路保护动作值，是用基波电流有效值超过额定电流的倍数来整定的。因此，在监控单元必须从非正弦的短路电流波形中快速地去除基波分量求出其有效值相对额定电流的倍数，决定一次开关电器是否应该分断操作。当前采用最多的提取短路电流的倍数，决定一次开关电器是否应该进行分断操作。当前采用最多的提取短路电流的基波分量的方法，是基于快速傅里叶变换FFT的傅式滤波算法，它能分解并滤除其中的非周期衰减分量和高次谐波。根据傅里叶级数的分解公式，任意周期寒食中的第次谐波的实部模值和虚部模值分别为 （3-14） （3-15）当一个周期内采样点数为时，由上面两式可得对应的离散数字信号 （3-16） （3-17）在监控单元计算时，将各采样点的电流值、采样点数代入即可。由于只要基波分量去，即可分别求得的基波幅值的实部和虚部，从而求出的基波有效值为 （3-18）以一个电源周期采样12点，求短路电流基波有效值为例，把代入式（3-16）和式（3-17），根据采样点间的相位关系将其展开，得到电流基波的实部和虚部分别为 （3-19） （3-20）短路电流基波分量的幅值为 （3-21）3.2.3系统信号处理算法的确定若是采用监控的前提下进行对电、电流有效值的计算，则需要对实时采集的数据进行计算量分别进行平方运算后再进行的叠加运算，这样预算量大，对CPU要求高而且受短暂突发性干扰影响大。相对而言，采用12点采样的傅里叶变换FFT算法实现电力参量的测量时所获得的测量数据较全面，而且还能够获得高次谐波和偶次谐波分量，对于接着的进行的有功功率、无功功率和相位计算的都有很大数据利用价值。而且FFT算法运算量小，运算速度最快，较为容易得到在简单电路上实现！四、系统的硬件设计4.1 系统硬件的构成本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统由电压输入回路、电流输入回路、低通滤波电路、多路开关/采样保持/A/D转换器TLC2543、STC89C52单片机、LCD显示电路和电源电路组成。电压输入回路由电压互感器和运放组成，电流输入回路由电流互感器和运放组成。A/D转换模块TLC2543，内部集成了多路开关和采样保持器。由于本系统用于交流参数测量，需要测量三相电流、三相电压以及零序电压。系统的测量原理为：交流电压、交流电流经过电压互感器(PT)、电流互感器(CT)变成010mA的电流信号、-5+5V的电压信号, 高性能的运放组成的放大电路保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。经过多路模拟开关的切换和采样保持器对变换后的信号进行采样保持然后接入一个一阶低通滤波器的信号调理电路，略去对测量结果影响大的高次谐波，后再送人A/D转换器转换为相应的数字量。单片机对采样值进行数据处理，处理结果可以储存在数据储存单元，也可在液晶显示器上显示所选择的处理结果。由于为了简化硬件电路，本系统采用软件同步进行采样，并且通过单片机中断控制采样及保持电路进行A/D转换。系统硬件的总体结构框图如图4-1所示。Ia电流输入回路Ic电流输入回路Ib电流输入回路Ua电压输入回路Ub电压输入回路Uc电压输入回路U0电压输入回路信号调理电路（以一阶有源滤波电路为主）多路开关/采样保持器/A/D转换保持器TLC2543STC89C52单片机LCD显示电源电路图4-1 系统硬件的总结构框图4.2 单片机的选型数据处理部分是将采集来的数据进行转换，主要是由CPU实现。本设计需要选择对数据处理速度要求不是很高，但要求无论是ROM还是RAM都相对比较大的单片机，所以选用宏晶公司生产的STC89C52芯片。该芯片与MCS-51兼容，内部含8KROM、512字节 RAM，并有E2PROM功能和硬件看门狗定时器功能。性能优良，使用方便，成本低。4.2.1 STC89C52单片机的主要组成STC89C52单片机主要包括电源部分、CPU部分、显示界面部分、串行通讯部分、系统扩展部分。1.电源部分提供5V直流电源，正常工作电流0.2A左右，选择5V、1A的开关电源。为了下载程序，电源回路中增加了一微动开关，每次更新程序时，需按下微动开关，断开电源2秒左右。2.CPU部分CPU采用比较流行的SST公司的STC89C52，有8K程序存储器，晶振频率为22.1184M，最大可到80M。STC89C52内部具有上电复位功能，为了可靠，增加了手动复位按键。3.显示界面部分可选择12864点阵液晶屏、32字符液晶屏或8位数码管三种方式进行显示，还可安装88点阵屏。采用数码管、键盘专用芯片BC7281B，接线简单，几乎不占用CPU时间。4.串行通讯部分采用RS232和计算机或其他单片机通信，可在线下载程序。5.系统扩展部分由于采用先进的总线切换技术，只使用了小部分CPU的I/O口线，大部分可用于系统扩展。4.2.2 STC89C52单片机的复位和时钟电路1. 复位电路单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位，外部复位电路是为了内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是VCC上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与VCC是的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。在本系统中，电容C取10uF，电阻R取10K，充电时间常数为100ms。2. 时钟电路XTAL1和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联振荡电路。当外接石英晶体时，电容C1、C2选30pF10 pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选47pF10 pF。外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在本系统中，选用12MHz的标准石英晶振，电容C1、C2选30pF。4.3 数据采集电路数据采集电路由点电流、电压输入回路、采样保持及模/数转换器TLC254构成。由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A /D转换器变成数字量以后，才能送入STC89C52进行处理。4.3.1 电压、电流信号输入以及调理电路被测的三相交流电压和三相交流电流信号首先经过互感器隔离变换和输入电路将其规范为A/D转换器的电压输入范围内的相应电压信号。下面以其中一相为例，分别介绍点电压信号和点电流信号输入回路以及简单的信号调理电路。电压信号输入回路以及信号调理电路如图4-2所示。外界输入电压经过选型为100：3.3的电压互感器变换后，若以100V题设正常电压计算，则转化为供给A/D转换器的输入信号为+3.3V的双极型电压信号，后再输入单片机进行处理与计算。但是在实际工作过程中处于强干扰的环境下工作，电信号到达监控元件输入端口时，波形往往由于干扰而出现失真，对检测精度带来严重的影响。因此，在对模拟信号进行A/D转换时必须进行波形的调制，即通过滤波器去除干扰，使达到监控单元入口的信号尽可能保持原来的波形。常用的滤波器有无源和有源两种。无源滤波器基本是电阻电容（RC）一阶滤波器。这种滤波器电路器电路简单，但频率性较差，在干扰信号频率比较接近被测参量频率时，波形效果不是很好。由于输出电压相对输出电压产生滞后的位移，在对采集的电压电流进行计算时会带来很大的误差。通常用于消除有叠加在被测参量信号上的“尖峰”。有源滤波器的电路中一定包含有源器件，在作为信号滤波要求的情况下，可以有不同的设计。正确选择电路中的无源元件的参数，在满足滤波要求的情况下，可以使输出电压的幅值和相位与输入电压基本相同。在本系统调理电路中，我们采用的是一种较为简单的一阶低通有源滤波器。在运算放大器为理想器件时，如图4-2所示电路的传递函数为： （4-1）式中，称为截止频率。用代替上式中的S，得到该电路的频率特性 （4-2）其中截止频率，本电路中。有效的滤去了高倍谐波的干扰。放大倍数在由于，电流变送器的合适选取，得到变换后的电压信号正常情况下为+3.3V。虽然此电压信号在AD芯片输入范围内，为方便处理，我们将每一相的信号（零序除外）转化为+5V范围内，这里选取的放大倍数为R20：R11=3：2。电路由电压互感器及高性能运放组成，电压互感器隔离了电网上的各种干扰，对内部电路起保护作用，高性能的运放保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。图4-2 电压输入回路电流输入回路如图4-3所示，此电路由电流互感器及高稳定度的电阻和高性能运放组成，将电流信号变为与输入电流信号或正比的电压信号输出。电流输入信号电路以及信号调理电路与上面的电压环节的电路不同的是多了一个电流/电压变换电路。因为电流互感器二次侧输出的总是电流，但是A/D转换器的模拟输入端只接受允许幅值的电压，在使用电流输出的变压器或电流互感器作为现场参量的信号变换时，必须巾帼电流/电压变换电路将电流变换成与电流成比例的电压。这里我们采用的是最为简单的用无源电阻元件，变送器输出电流iIN直接流过电阻R，输出的电压两端的电压，。在本电路中由于我们恰当选取了变比为2000：1的电流变送器，选取了1K的电阻，可直接叫电流信号转化为+10V的电压信号，由此电路中的放大倍数选为1，无须放大。后面的电压调理电路上面的完全相同。图4-3 电流输入回路信号输入以及调理电路的硬件选取，简单介绍如下：1.AD OP-07运算放大器电路中采用了AD公司生产的一种高精度运算放大器芯片ADOP-07。它具有极低的失调电压、偏置电流和温漂系数，长期稳定性能指标为0.20.5uV/每月。AD OP07具有较高的共模输入范围（+14V），共模抑制比（CMRR=120-126DB）。他的供电范围较宽（+3+18V），适用于各种信号调理电路。2.PCB直焊式的电压、电流互感器为简化设计，我们采用的是PCB直焊式、一次电流穿心内置式继电保护电流、电压互感器。具体参数见详细手册。4.3.2 A/D转换在智能化测量仪器中，为了能够实现对外界模拟信号的测量，必须要采用数据采集系统将信号送入仪表之中。数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经之路。多路数据采集电路包括多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器。模拟开关将多路被测模拟信号轮流送入采样/保持器，采样/保持器的作用是为了给A/D转换器提供一个稳定的输入信号以满足A/D转换器的动态特性。为了简化电路的硬件结构，本设计采用模数转换器TLC2543。1.TLC2543芯片TLC2543是一种12位开关电容逐次逼近式模数转换器，带有SPI（Serial Peripheral Interface）接口。它消除了以往许多AD芯片并行输出，连线复杂的特点，并在AD转换结果串行输出的同时，可以串行输入下次AD转换位的控制字。该芯片提供的最大采样速率为66ksps，供电电流仅需1mA（典型值）。TLC2543的内部结构框图如图4-4所示。它有3个输入控制端：片选（），I/O时钟（I/O CLOCK）以及数据输入端(Data Input),同时还可以通过串行的三态输出端与主处理器及其外围串行口进行通讯，以输出转换结果。除了高速的转换功能和通用的控制能力外TLC2543的片内还具有14通道多路器，可以选择11个模拟输入通道（AIN0AIN10）或三个自测电压（self-test）中的一个。转换结束时，EOC输出变高，指示转换完成。编程器件的DATA INPUT管脚串行输入的8位数据通道/方式控制字节的高4位，可以选择11个模拟通道的任何一个。也可校正或其他用途。通道/方式控制字节的低4位用于选择输出数据的长度（8、12或16位）、输出数据的顺序（以MSB开始或以LSB开始）和是否需要单极性（二进制）或双极性（二进制补码）格式。图4-4 TLC2543的内部结构框图2. TLC2543的接口电路TLC2543有十一路模拟输入通道，它将多路开关、采样保持12位A/D转换，基准电源，内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了可靠性，此部分电路将信号输入电路传来的信号进行 A/D 变换，将模拟输入量变成数字量，送给CPU进行处理。系统的采样时间间隔为1/600s。采样时，在1个信号周期内对一相电压、电流等时间间隔准确采样12点，并把结果送入片外数据存储器相应的存储页内。三相全采样完毕后，对采到的数据进行数字滤波，计算有效值。TLC2543和STC89C52微处理器的接口电路如图4-5所示。TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选CS由并行双向I/O口1的管脚P1.0、P1.1、P1.3提供。TLC2543的转换结果数据通过口1的P1.2脚接收。通道选择和方式数据通过口3输入到微处理器。图4-5 TLC2543的接口电路4.4 LCD显示电路随着大量电子仪器、设备的多功能化、智能化，并且普遍采用人机交互方式，需要能够显示更为丰富的信息和通用性较强的显示器，而点阵式 LCD 显示器能够满足这一要求，同时采用大规模专用集成电路作为点阵LCD控制驱动，使用者仅仅直接送入数据和指令就可以实现所需的显示。这种由LCD板、PCB 板、控制驱动电路所组成的单元叫做字符型点阵液晶显示模块。这种字符型点阵液晶显示模块具有重量轻、体积小、功耗低、指令功能强、接口简单方便、工作温度范围宽和可靠性高等特点。字符型点阵液晶显示模块具有重量轻、体积小、功耗低、指令功能强、接口简单方便、工作温度范围宽和可靠性高等特点。所以本设计选用JM12864M-2汉字图形点阵液晶显示模块。4.4.1 LCD显示模块的简介1JM12864M-2的主要特性JM12864M-2汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。它的主要技术参数和显示特性如下：（1）电源：VDD +3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)；（2）显示内容：128列 64行；（3）显示颜色：黄绿；（4）显示角度：6：00钟直视；（5）LCD类型：STN；（6）与MCU接口：8位或4位并行/3位串行；（7）配置LED背光；（8）多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等；（9）逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V；（10）电源地(GND)：0V；（11）工作温度(Ta)：-10 60(常温) / -2070（宽温）。2. JM12864M-2的管脚功能JM12864M-2的各管脚功能如表4-1所示。表4-1引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟714DB0DB7H/L数据0715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RETH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A（LED+5V）背光源正极20LED_K（LED-OV）背光源负极4.4.2 LCD显示电路的原理LCD显示模块JM12864M-2与单片机的接口电路图如图4-6。JM12864M-2具有串/并行两种接口方式，基于速度考虑，本设计采用并行接口方式。把模块的PSB脚接高电平，模块即进入并行接口模式。引脚714接单片机P0口进行并行数据传输，引脚46的三根控制线接P1口。由于P1口内部没有上拉电阻不能输出高电平，因此在P1口接上了一个10K的排阻RP9作为P1口的上拉电阻。LCD液晶显示器的背光LED灯采用三极管驱动控制。引脚Vo为LCD驱动电压输入端，它通过电阻在VDD与GND之间的分压得到。图4-6 LCD显示模块JM12864M-2与单片机的接口电路图4.5 电源电路电源电路的选择是系统设计的一个重要的部分，电源好坏对系统影响很大。本系统中各种芯片采用外围供电电压+5V的方式，系统中的运算放大器采用的+12V的外围供电方式，提供静态工作点。稳压器是控制系统中电源电路的重要组成部分，它不仅影响测控系统的电源电路，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。电源是系统的能量来源，要想使电路中的各个部件正常工作必须提供额定的电源。本文选用的是79M系列（7912）、78M（7805）系列三端集成稳压器，它的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。本设计中使用了很多芯片，在选择给它们供电的电源时不能选择过于复杂的电源。本设计所选择的电源是比较简单的把220V市电转换成12V的直流电源与反向的12V直流电源。再将12V的直流电源降压成+5V的直流电源。其原理也相对比较简单，先把220V变压，再整流滤波，再用7912稳压，再将12V电压接出来，经过7805稳压输出正5V电压。其功能元件使用较少，本系统电源电路图如图4-7所示。图4-7 系统电源电路图4.6 系统的硬件电路图图4-8 硬件总电路图4.7 系统PCB设计效果图运用Altium Designer软件设计PCB板，所设计的PCB板长为11120mil（282.448mm），板宽为5950mil（151.13mm）。效果图见图4-9以及敷铜之后的PCB板图4-10。图4-9 未敷铜的PCB板设计图图4-10 敷铜之后的PCB板设计图五、系统的部分软件设计在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，可以使程序结构清晰，便于以后进一步扩展系统功能。系统软件部分由主程序、初始化子程序、数据采集处理子程序、显示子程序等组成。5.1 系统主程序的设计系统上电后首先初始化，调用看门狗子程序，判断系统是否开始测量。确定开始测量后调用看门狗子程序，再调用数据采集处理子程序，结果处理完后调用显示子程序，将测量结果送入LCD进行显示。看门狗定时器要及时清零，以免系统复位。系统的主程序流程图如图5-1所示。NN图5-1 系统的主程序流程图5.2 系统初始化子程序的设计系统的初始化部分包括CPU各端口输入输出设置、中断设置、外围驱动、译码电路的初始化、数据RAM的初始化等。在系统初始化以后，系统将掉电情况下保存在静态RAM中的重要信息内容读入内存，其中保存了系统当前时间和关机前最后一次设置的内容，这样可免去开机后重新设置参数的麻烦。特殊功能寄存器的初始化包括定时器的初始值的装入、中断的开放等。外围设备初始化主要是对外围设备的初值设定。系统初始化子