电子技术课程设计-单片机监测交流电压报警系统设计

1、电子技术课程设计电子技术课程设计任务书任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：基于单片机交流电压检测报警。 1.1 技术要求与工作要求a、可以对民用电压进行检测的b、超出设定电压范围会自动报警c、报警采用声光两种方式d、利用仿真软件对硬件电路仿真；e、检测边界：交流电压 190.3 伏 至 240.4 伏 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，编写程序，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于 5000 字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用 proteus软件绘出原理图,器件的选择要有计算依据。3主要参考

2、文献：1 李朝青.单片微机原理及应用技术.南开大学出版社 ,1998,12 何立民.单片机应用系统设计.北京航天航空大学出版社 ,19993 张洪润等.单片机应用技术教程.清华大学出版社 ,19974 张毅刚等.mcs- 51 单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社 ,1997 5 王长胤等.单片单板机原理与应用.武汉大学出版社 ,19936 何立民.单片机高级教程.北京：北京航空航天大学出版社，2004南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 1 页 共 26 页7 何立民.i2c 总线应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，20048 潘琢金等.c8051f高速 soc 单片机原理及应

3、用.北京:北京航空航天大学出版社，20029 李群芳等.单片微机计算机与接口技术.北京:电子工业出版社，20014课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容12010.12.15布置任务，教师讲解设计方法及要求22010.12.16-2011.12.20学生查找阅读资料，初定方案,小组会议讨论并确定方案32010.12.21-2010.12.27硬件电路设计及程序编写42010.12.28-2010.12.30仿真、实验并写说明书，小组讨论52010.12.31答辩主指导教师肖金凤老师日期： 2010 年 12 月 13 日南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 2 页 共 26

4、 页前前 言言 本次单片机课程设计，我所选的题目是关于民用电压异常报警的。具有一定的实用功能，且生产方便。该报警系统对交流电路进行实时的采样 ,一旦电压高于或低于设定的正常阈值 ,系统就会触发报警动作 ,提醒人们做出相应措施。系统在设计上采用了 at89c51 单片机作为控制器 ,采用了 ti 公司的新产品串行口 a/d 转换芯片 tlc1543 作为接口芯片。使系统具有体积小 ,功能强 ,功耗小 ,设计电路简单易于调试等特点。南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 3 页 共 26 页摘摘 要要: :本文是单片机的一个设计性实验 ,以 at89c51 作为核心控制元件，是一个用于监测民用

5、220v 交流电压的系统,该系统能实时采样并对交流电压正常 ,如果所测量的电压偏高 ,或偏低做出相应的灯光显示和声音报警。关键词关键词: :单片机;交流电压监测;程序;报警abstractthis article is a single chip design experiment, with at89c51 as the core control device, is a for monitoring civil 220v ac voltage of the system, the system can real-time sampling and ac voltage normal, if

6、 the measurement of voltage on the high side, or low make corresponding light display and alarm.keywords: scm, ac voltage monitoring; program; alarm南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 4 页 共 26 页1 1、系统的硬件电路、系统的硬件电路.61.1、电源电路.61.2、模拟量输入电路.61.2.1、上拉电阻.71.4、单片机处理电路.101.4.1、at89c51 简介 .101.4.2、复位电路.121.5、软件环境.131.6、报警电

7、路.152 2、交直流电压对照表、交直流电压对照表.163 3、软件设计、软件设计.163.1、tlc1543 进行采样、a/d 转换的程序.173.2、制报警器的程序.203.4、总的程序.224 4、结束语、结束语.25参考文件：参考文件：.26南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 5 页 共 26 页1、系统的硬件电路系统分为 5 个部分:电源电路(电路略) 、模拟量输入电路、a/d 转换电路、单片机处理电路和报警电路。各电路功能如下:1.11.1、电源电路、电源电路将民用交流电压转换成系统器件正常工作的电压 ,为 tlc1543、at89c51 和报警电路等提供工作电源。该电路采用

8、了变压器、二极管等器件构成稳压电源 ,稳压性能良好 ,约为 +5v。1.21.2、模拟量输入电路、模拟量输入电路因为民用交流电压的范围远远大于 a/d 转换芯片所能接受的范围 ,实验表明 ,该电路的功能主要是把民用交流电压经过降压、整流滤波和调压等步骤得到低值的直流模拟量 ,供给 a/d 转换芯片采样。技术难点就是要能使交流电压与直流电压成线性关系。电路采用 形滤波电路。图 1.1 滤波电路南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 6 页 共 26 页1.2.11.2.1、上拉电阻、上拉电阻1、当 ttl 电路驱动 coms 电路时，如果 ttl 电路输出的高电平低于 coms 电路的最低高电

9、平（一般为 3.5v） ，这时就需要在 ttl 的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。2、oc 门电路必须加上拉电阻，才能使用。3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。4、在 coms 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。5、芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。6、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。上拉电阻阻值的选择原则包括:1、从节约功耗及芯

10、片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑以上三点,通常在 1k 到 10k 之间选取。对下拉电阻也有类似道理在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平，通过 1k 电阻接高电平或接地。1. 电阻作用：接电组就是为了防止输入端悬空减弱外部电流对芯片产生的干扰保护 cmos 内的保护二极管,一般电流不大于 10ma 上拉和下拉、限流改变电平的电位，常用在 ttl-cmos 匹配2. 在引脚悬空时有确定的状态3.增加高电平输出时的驱动能力。4、为 oc 门提供电流i.那要看输出口驱动的是

11、什么器件，如果该器件需要高电压的话，而输出口的输出电压又不够，就需要加上拉电阻。ii.如果有上拉电阻那它的端口在默认值为高电平你要控制它必须用低电平才能控制如三态门电路三极管的集电极，或二极管正极去控制把上拉电阻的电流拉南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 7 页 共 26 页下来成为低电平。反之，iii.尤其用在接口电路中,为了得到确定的电平,一般采用这种方法,以保证正确的电路状态,以免发生意外,比如,在电机控制中,逆变桥上下桥臂不能直通,如果它们都用同一个单片机来驱动,必须设置初始状态.防止直通!2、定义：l 上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平！电阻同时起限流作用！下拉同理

12、！i.上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流ii.弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分iii.对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。1.31.3、a/da/d 转换电路转换电路 对“模拟量输入电路”中提供的直流模拟量进行采用 ,完成从模拟到数字(a/d)的转换功能 ,并把所得的结果提供给 cpu ,为 cpu 作出后续处理提供依据。tlc1543tlc1543 特性简介特性简介 tlc1543 是由 ti 公司开发的开关电容式 ad 转换器，该芯片具有如下的一些特点： 10 位精度、11

13、通道、三种内建的自测模式、提供 eoc（转换完成）信号等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。 图 1 是 tlc1543 的引脚示意图，其中 a0a10 是 11 路输入，vcc 和 gnd 分别是电源引脚，ref+和 ref-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将 ref-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。其余的引脚是 tlc1543 与cpu 的接口，其中 cs 为片选端，如不需选片，可直接接地。i/o clock 是芯片的时钟端，adress 是地址选择端，data out 是数据输出端，这三根引脚分别接南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第

14、 8 页 共 26 页到 cpu 的三个 i/o 端即可。eoc 用于指示一次 ad 转换已完成，cpu 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入 cpu 的中断引脚，一旦数据转换完成，向 cpu 提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的 i/o引脚，cpu 通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在 cpu 向 tlc1543 发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。图 1.2 tlc543 外形图1.41.4、单片机处理电路、单片机处理电路 1.4.11.4.1、at89c51at89c51 简介简介该电路主要功能是根据 tlc1543 提

15、供的 a/d 转换结果 ,判断该结果对应的交流电压正常与否 ,而分别做出不同的报警信号。在程序设计中我们根据实际调试 ,选取了两个边界值 ,代表着正常工作电压范围的两端 ,当 a/d 转换得到的数据送进 at89c51 中 ,cpu 将该结果与边界值比较 ,cpu 将从而作出不同的报警动作 ,它与 a/d 系统构成了工作的核心。at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器

16、制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 ? 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 9 页 共 26 页闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1主要特性： 与 mcs-51 兼容4k 字节可编程闪烁存储器寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 ram32 可编程 i/o 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路

17、 2管脚说明 ： vcc：供电电压。gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部

18、上拉的缘故。在 flash编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 10 页 共 26 页输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内

19、容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断 0）p3.3 /int1（外部中断 1）p3.4 t0（记时器 0 外部输入）p3.5 t1（记时器 1 外部输入

20、）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。

21、此时，南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 11 页 共 26 页 ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。

22、在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 1.4.21.4.2、复位电路、复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器cpu和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。mcs-51单片机有一个复位引脚rst，它是史密特触发输入(对于chmos单片机，rst引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要rst保持高电平，mcs-51保持复位状态。此时ale、psen、p0、

23、p1、p2、p3口都 输出高电平。rst变为低电平后，退出复位，cpu从初始状态开始工作。单片机采用的复位方式是自动复位方式。对于mos(stc89c51)单片机只要接一个电容至vcc即可(见图3.3)。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在rst端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使mcs-51有效的复位。rst端在加电时应保持的高电平时间包括vcc的上升时间和振荡器起振的时间，vss上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。10mhz时约为1ms，1mhz时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，rst在上电应保持20ms以上的高电平。rc时间常数越大，上电rst端保持高

24、电平的时间越长。若复位电路失效，加电后cpu从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 12 页 共 26 页运转。图 1.3 复位电路1.51.5、软件环境、软件环境proteus 软件是英国 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司） 。它不仅具有其它 eda 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus 是世界上

25、著名的 eda 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 pcb 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086 和 msp430 等，2010 年即将增加 cortex 和 dsp 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 iar、keil 和 mplab 等多种编译器。 其功能特点 proteus 软件具有其它 eda 工具软件（例：mu

26、ltisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）pcb 自动或人工布线 （3）spice 电路仿真 南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 13 页 共 26 页革命性的特点 （1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如 ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分 spi 器件，部分 iic 器件。 （2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真 51 系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型 上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus 建立了完备的电子设计开发环境

27、。 xtal218xtal119ale30ea31psen29rst9p0.0/ad039p0.1/ad138p0.2/ad237p0.3/ad336p0.4/ad435p0.5/ad534p0.6/ad633p0.7/ad732p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.2/int012p3.3/int113p3.4/t014p3.7/rd17p3.6/wr16p3.5/t115p2.7/a1528p2.0/a821p2.1/a922p2.2/a1023p2.3/a1124p2.4/a1225p2.5/a132

28、6p2.6/a1427u1at89c51ain12ain23ain34ain45ain56ain67ain78ain89ain911ain1012ref+14ref-13ain01sdo16addr17cs15eoc19clk18u2tlc1543x1crystalc127pc227pr1pullupr2pullupr3pullupr4pullupr5pullupq12n1711q22n1711d110bq015d210bq015d310bq015d410bq015d510bq015d6ledd7ledd8ledls1speakerc327pc427pgndc527prv2res-varc62

29、7prv1res-vartr1tran-2p2s图 1.4 系统的硬件电路1.61.6、报警电路、报警电路本电路采用声音和灯光报警。cpu 根据 a/d 转换结果和选取的边界域值 ,从而判断出此时对应的电压是正常 ,或偏高 ,或偏低。当正常时 ,使绿灯亮;当电压偏高时使红灯亮 ,同时峰鸣器响;当电压偏低时使黄灯亮 ,同时蜂鸣器响。南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 14 页 共 26 页说明:a1 提供报警电路的电源应与其它电路的电源分开 ,以免干扰 。b1 数字信号地和模拟信号地不要串接 ,应分别联接公共地 ,以防瞬间电流产生干扰。c1红灯、绿灯、黄灯(发光二极管)的导通电阻可能是不同

30、的 ,所以发光报警电路上的配阻要根据实际情况选用。图 1.5 报警电路南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 15 页 共 26 页2 2、交直流电压对照表、交直流电压对照表表 2.1 交直流电压对照表交直流电压对照表3 3、软件设计、软件设计 软件 主要完成控制 tlc1543 进行采样、a/d 转换 ,并从中取得结果以及根据结果作出相应的报警动作。根据交直流电压对照 ,我们选取交流 190.3 伏对应的直流 1.705 伏和交流 240.4 伏对应的直流 2.182 伏两组作为正常电压边界域值 ,当参考电压 +5v 时 ,1.705v 和 2.182v 对应的 a/d 结果为 56h 和

31、 6fh,将两值在程序中设定为比较的边界值。tlc1543 是 10 位精度 ,at89c51 是 8 位的处理器 ,本系统采用 8 位工作方式 ,转换通道为 a0 ,数字长度为 8 位 ,msb 前导 ,单极性。报警是采用位操作指令 ,指示灯电路是从各引脚引出 ,低电平时电路导通 ,点亮 led;相反高电平时 ,led 灭;蜂鸣器电路是高电平导通。其程序流程图如图 2。南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 16 页 共 26 页 图 3.1 程序流程图3.13.1、tlc1543tlc1543 进行采样、进行采样、a/da/d 转换的程序转换的程序#include#include#inc

32、lude#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define d_out=p10/输入电压信号#define d_in=p11#define _cs=p12南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 17 页 共 26 页#define clock=p13uint read1543(uchar port) /从 tlc1543 读取采样值,形参 port是采样的通道号uint data ad;uint data i;uchar data al=0,ah=0;clock=0;_cs=0;port=4;for (i=0;i4;i+

33、) /把通道号打入 1543d_in=(bit)(port&0 x80);clock=1;clock=0;port=1;for (i=0;i6;i+) /填充 6 个 clockclock=1;clock=0;_cs=1;_nop_();_nop_();_cs=0; /等待 ad 转换for (i=0;i2;i+) /取 d9,d8d_out=1;南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 18 页 共 26 页clock=1;ah=1;if (d_out) ah|=0 x01;clock=0; for (i=0;i8;i+) /取 d7-d0d_out=1;clock=1;al=1;if (d

34、_out) al|=0 x01;clock=0; _cs=1;ad=(uint)ah;ad=8;ad|=al; /得到 ad 值return (ad);3.23.2、制报警器的程序、制报警器的程序#include#include#include南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 19 页 共 26 页#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define d_out =p10sbit led_1=p14;/数码管 1（红灯）的位选信号sbit led_2=p15;/数码管 2（绿灯）的位选信号sbit led_3=p16

35、;/数码管 3（黄灯）的位选信号sbit buzzer=p17;/定义蜂鸣器的控制引脚void delay(int t) if(p10 x6f)p15=1;elsep16=1;p17=1;3.33.3、蜂鸣器的程序、蜂鸣器的程序#include#include南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 20 页 共 26 页#include#define uint unsigned intsbit buzzer=p17;/定义蜂鸣器的控制引脚void delay(uint v)while(v!=0) v-;main()delay(100);while(1)buzzer=1;/蜂鸣器关闭delay

36、(100);buzzer=0;/蜂鸣器发声delay(100);3.43.4、总的程序、总的程序#include#include南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 21 页 共 26 页#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define d_out=p10/输入电压信号#define d_in=p11#define _cs=p12#define clock=p13/脉冲的位选信号sbit led_1=p14;/数码管 1（红灯）的位选信号sbit led_2=p15;/数码管 2（绿灯）的位选信号sbit led_3=p16;/数码管 3（黄灯）的位选信号sbit buzzer=p17;/定义蜂鸣器的控制引脚uint read1543(uchar port) /从 tlc1543 读取采样值,形参 port是采样的通道号uint data ad;uint data i;uchar data al=0,ah=0;clock=0;_cs=0;port=4;for (i=0;i4;i+) /把通道号打入 1543d_in=(bit)(port&0 x80);clock=1;clock=0;南华大学电气学院课程设计（论文）说明书第 22 页 共 26 页port