基于单片机数据采集开题报告.

中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名名 学学 号 号 学学 院院 系系 信息商务学院 自动控制系 专专 业业 电气工程及其自动化 设设 计计 题题 目目 基于单片机电力数据采集系统设计 指指 导导 教教 师师 郝骞 2014 年 3 月 1 日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1 结合毕业设计情况 根据所查阅的文献资料 撰写 2000 字左右的文 献综述 文文 献献 综综 述述 1 本课题的选题背景意义 为了保证电力系统的正常运行 经常需要对电力线上的电压 电流 功率等各种 参数进行测量 这就必须对电力数据进行采集 数据采集是计算机应用的一个重要分 支 是获取测量信息的主要与最新手段之一 1 我国经济的高速发展带动了各行各业对电力的大量需求 因此 迫切需求对电力 供应进行科学管理 电力数据采集系统作为电力供需管理的基本环节 发挥着重要作 用 电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性 实时性以及可靠性都提出了更高 要求 尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅 速的发展 而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡 把它插在微机的扩展 槽内并辅以应用软件 就能实现数据采集功能 但这并不会对基于单片机为核心的数 据采集系统产生影响 2 4 相较于数据采集板卡成本和功能的限制 单片机具多功能 高效率 高性能 低电压 低功耗 低价格等优点 而且又具有精度较高 转换速度 快 能够对多点同时进行采集 因此能够开发出能满足实际应用要求的 电路结构简 单的 可靠性高的数据采集系统 这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领 域得到了广泛的应用 5 2 本课题的发展历程和现状 2 1 数据采集系统的发展历程 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代 1956 年美国首先研究了用在军事上的测试 系统 目标是测试中不依靠相关的测试文件 由非成熟人员进行操作 并且测试任务 是由测试设备高速自动控制完成的 由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的 灵活性 可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务 因而得到了初步的 认可 大概在 60 年代后期 国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统 6 20 世纪 70 年代后期 随着微型机的发展 诞生了采集器 仪表同计算机溶为一体 的数据采集系统 由于这种数据采集系统的性能优良 超过了传统的自动检测仪表和 专用数据采集系统 因而获得了惊人的发展 从 70 年代起 数据采集系统发展过程中 逐渐分为两类 一类是实验室数据采集系统 一类是工业现场数据采集系统 7 20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用 数据采集系统得到了很大的发展 开始出 现了通用的数据采集与自动测试系统 该阶段的数据采集系统主要有两类 一类以仪 表仪器和采集器 通用接口总线和计算机组成 这类系统主要应用于实验室 在工业 生产现场也有一定的应用 第二类以数据采集卡 标准总线和计算机构成 这一类在 工业现场应用较多 20 世纪 80 年代后期 数据采集发生了很大的变化 工业计算机 单片机和大规模集成电路的组合 用软件管理 是系统的成本减低 体积变小 功能 成倍增加 数据处理能力大大加强 8 10 20 世纪 90 年代至今 在国际上技术先进的国家 数据采集系统已成功的运用到军 事 航空电子设备及宇航技术 工业等领域 由于集成电路制造技术的不断提高 出 现了高性能 高可靠的单片机数据采集系统 DAS 11 数据采集技术已经成为一种 专门的技术 在工业领域得到了广泛的应用 该阶段的数据采集系统采用模块式结构 根据不同的应用要求 通过简单的增加和更改模块 并结合系统编程 就可扩展或修 改系统 迅速组成一个新的系统 12 2 2 电力数据采集系统的发展现状 随着电力体制改革的深入和技术的进步 建立电力采集系统迫在眉睫 电力采集系 统作为电力营销系统和未来电网商业化运营的技术支持也将起到重要的作用 电力采 集系统主要由主站端计算机系统 厂站端电量采集器 和信息通信网络 3 部分组成 它 涉及到电子 计算机 通信 网络 电力系统等多方面的专业知识 13 16 电力数据 采集系统的主要功能是实现对管辖范围内的电厂的电能量 供电局 供电所售电能量和 一次网损电能量的自动采集和结算 系统的考核不仅能区分峰 谷 平电能量 而且 与周波高低 超受 少受 超发 少发挂钩 通过计算机网络与其他电能采集系统交换 电能量计量信息 与有关生产管理部门实现信息共享 17 国内外对电力数据采集器的研究有很多 很多公司和科研单位也有的做出了相应 的通用型产品 比如浙江丝绸工学院电工教研室刘建宁研制的数字功率表可以实现对 电网中的电网中的电能或电机功率的测量 有的则增加了一些功能如 北航的自动化 学院研制的多功能电力数据采集及处理终端 在实现电力数据采集的基础上 实现了 谐波计算 无功补偿 数据显示和远程控制的功能 也有一些是基于 Windows 或者是 虚拟仪器家采集卡实现的等等 18 21 我国经济的高速发展带动了各行各业对电力的大量需求 因此 迫切需要对电力 供应进行科学的管理 电力数据采集系统作为电力供需管理的基本环节 发挥着关键 且重要作用 电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性 实时性以及可靠性都提 出了更高的要求 22 24 3 本文完成的主要研究工作 本文主要是在数据采集系统设计研究的基础上 通过对电力数据采集系统基本原 理和控制方案的研究和分析 完成单片机控制系统及辅助电路设计 系统由模拟量与 开关量采集模块 通讯模块以及上位机人机交互模块组成 根据要求完成控制电路和 驱动设计及控制系统软件设计 参考文献参考文献 1 李朝青 单片机原理及接口技术 简明修订版 北京 北京航空航天大学出版社 2004 2 何立民 单片机应用系统设计 北京 北京航空航天大学出版社 2005 3 张迎新 等 单片机初级教程 北京 北京航空航天大学出版社 2003 4 李维祥 单片机原理与应用 天津 天津大学出版社 2001 5 林国汉 李晓秀 基于单片机的数据采集与处理系统的设计 湖南工程学院报 自 然科学版 2009 6 姜志玲 用凌阳单片机实现多路数据采集与传输系统 西华大学学报 自然科学版 2005 7 何志明 基于单片机数据采集及传输系统的研究 重庆职业技术学院学报 2008 8 谢中华 张振军 王永泉 一种用于多种地学信号观测的信号采集系统研究 测绘 通报 2006 9 宋杰 微机原理与接口技术 J 2009 24 10 宋恒力 董浩斌 利用 SOC 单片机的数据采集卡 电子设计应用 2004 11 刘宝栋 刘汉峰 基于 ATmega128 单片机数据采集系统 电子产品世界 2006 12 刘小强 粟梅 基于 CAN 总线的数据采集处理系统的设计 仪表技术与传感器 2006 13 林苹华 基于 AT89C51 嵌入式数据采集器的设计与应用 机电技术 2007 14 祝常红 数据采集与处理技术 J 2000 15 任家富 庹先国 陶永莉 数据采集与接口技术 M 北京 北京航空航天出版 社 1998 10 12 16 李育 快学易用 Protel99 M 北京 北京邮电大学出版社 2004 5 17 李庆 Keil C51 使用详解 V3 0 M 北京 北京理工大学出版社 2007 1 18 张友德 赵志英 涂时亮 单片微型机原理 应用与实验 M 上海 复旦大学出 版社 2000 12 19 19 王涌 单片机与嵌入式系统应用 J 2002 20 Microchip Technical library Microchip The Embedded Conrtol Solution Company 2001 21 Philips Assigned I2C bus Adresses Table General 2001 22 D Azzo John J and Constantine Houpis Linear Control System Analysis and Design Fourth Edition McGrawg Hill New York 2008 23 李佳 C51 系列处理器应用技术完全手册 M 上海 人民邮电出版社 2007 11 24 张旭 李世光 基于 STM32 电力数据采集系统的设计 山东科技大学 2010 11 3 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 途径 1 本课题要解决的问题 1 1 分析研究电力数据采集系统基本原理结构 并确定与本课题想适应的路径规划 1 2 如何完成单片机控制系统电路板的设计 1 3 如何完成驱动电源电路板的设计 1 4 如何完成单片机控制系统软件设计 2 本课题拟采用的研究途径 2 1 系统简介 电力数据采集 又称电力数据获取 是利用一种装置 从系统外部采集电力数据并输 入到系统内部的一个接口 电力数据采集技术广泛引用在各个领域 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代 由于数据采集系统具有高速性和一定的灵 活性 可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和通信任务 因而得到初步的认可 由于集成电路制造技术的不断提高 数据采集技术已经在军事 航空电子设备及宇航 技术 工业等领域被广泛应用 从 80 年代中期开始 电力控制系统在我国得到了广泛的推广和应用 曾为缓解我国 90 年代中期以前的电力供需矛盾起了关键性的作用 据前不久的调查资料表明 全国已有 29 个省采用集中型 分散型或分时控制等多种方式 通过技术手段对辖区实行负荷控制川 不论使用哪一种方式进行负荷预测 都离不开电力数据采集器的电力数据采集 本系统主要包括电力数据采集模块 数据存储模块 CPU 模块 人机交互模块 通信模块 其中数据采集模块采用PCF8591 转换器主要实现对不同形式信号的实时采 集 CPU 模块负责对采集到的信号进行分析 变换等操作 人机交互模块是实现采集 频率控制及显示数据等功能 2 2 系统总体框图 本设计拟采用单片机作为程序的主控芯片 利用A D转换技术 实现数据的实时 转换 用软件控制采样频率的改变 通过显示器显示数据并进行通信 系统总体框图 如图所示 采 集 信 号 A D 转 换 器 单 片 机 单 片 机 滑动变阻器 调节按键 RS 232 或 PL2303 LED 显示器 系统总体框图 3 方案论证 3 1 单片机的选择 单片机是一种面向大规模的集成电路芯片 是微型计算机中的一个重要的分支 此系 统是由 CPU 随即存取数据存储器 只读程序存储器 输入输出电路 I O 口 还有可能 包括定时 计数器 串行通信口 显示驱动电路 LCD 和 LED 驱动电路 脉宽调制电路 模拟多路转换器及 A D 转换器等电路集成到一个单块芯片上 构成了一个最小但完善的计 算机任务 单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序 在用 keiluvision2 把程序下 载到单片机内 而本设计选用的是 STC89C52 3 2 A D 模数转换的选择 A D 转换器的种类很多 就位数来说 可以分为 8 位 10 位 12 位和 16 位等 位数 越高其分辨率就越高 价格也就越贵 A D 转换器型号很多 而其转换时间和转换误差也 各不相同 1 逐渐逼近式 A D 转换器 它是一种速度快 精度较高 成本较低的直接式转换器 其转换时间在几微秒到几百微秒之间 2 双积分 A D 转换器 它是一种间接式的 A D 转换器 优点是抗干扰能力强 精度 比较高 缺点是数度很慢 适用于对转换数度要求不高的系统 3 并行式 A D 转换器 它又被称为 flash 快速 型 它的转换数度很高 但她采用 了很多个比较器 而 n 位的转换就需要 2n 1 个比较器 因此电路规模也极大 价格也很 贵 只适用于视频 A D 转换器等数度特别高的领域 鉴于上面三种方案 在价格 转换速度等多种标准考量下 在本设计选用的是逐渐逼 近式 A D 转换器 PCF8591 3 3 串行口的选择 该串行口我选用了标准 RS 232C 接口 它是电平与 TTL 电平转换驱动电路 常用的芯 片是 MAX232 MAX232 的优点是 1 一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能 2 单一电源 5V 供电 3 它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全 3 4 显示部分 LED 数码显示管是一种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件 它使用了 8 个 LED 显示管 其中 7 个用于显示字符 1 个用来显示小数点 故通常称之为八段发光二极 管数码显示器 对 LED 数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位 选和段选信号 LED 数码显示有动态扫描显示法和静态显示 在单片机中 为了节省硬件 资源 多采用动态扫描显示法 3 5 按键 键盘是一种常见的输入设备 用户可以向计算机输入数据或命令 根据案件的识别方 法分类 有编码键盘和非编码键盘两