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1、西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告目 录1 前言12 总体方案设计22.1 方案比较22.1.1 方案一22.1.2 方案二32.1.3 方案三32.2 方案论证42.3 方案选择43 单元模块设计53.1 各单元模块功能介绍及电路设计53.2 各单元模块53.2.1 电压电流采样模块设计53.2.2 按键和复位模块设计63.2.3 数码显示电路模块设计73.2.4 电源电路设计83.2.5 基准电压电路设计93.3 电路参数的计算及元件选择93.4 特殊器件的介绍103.4.1 TL431芯片简介103.4.2 STC12C52A06S2单片机简介104 软件设计124.1 说明
2、软件设计原理及所用工具124.2 软件设计结构及其功能124.3 软件设计流程框图135 系统调试155.1 调试环境155.2 硬件调试156 系统功能、指标参数166.1 系统能实现的功能166.2 系统指标参数测试166.3 系统功能及指标参数分析167 结论188 总结与体会199 谢辞2010 【参考文献】21附录1 系统的原理电路图22附录2 系统PCB图24附录3 设计实物图25附录4 程序代码26II1.前言当今时代，电子器件广泛应用于各行各业，功率作为表征电信号能量的基本参数，对其的测量非常重要，现在市面上也有很多测量功率的仪器。作为电气专业的我们，更是要掌握功率的测量方法，
3、因此，我们选择了直流功率计的设计。随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制测量系统也应运产生，本课程制作就是利用宏晶公司的STC系列单片机STC12C5A32S2编程控制LED七段数码管完成功率大小的计算和动态显示，设计中我们通过电阻分压采样负载两端电压，通过在被测点串联一个很小的电阻测其两端电压，间接进行电流采样，将所采集的电压经过适当放大后送入单片机，然后由程序控制单片机计算出被测电路的直流输入功率并显示在数码管上，且能用键盘切换显示负载电压和被测点电流。另外在单片机工作过程中，工作电压有变化，所以额外加入一个基准电压，以确保所采样的电压准确。这个功率计能测量被测负载电压不超过2
4、5V，被测电流不超过2A的直流电路的输入功率（精确到小数点后6位），能在两个四位七段LED数码管上直观的动态显示出功率大小，并能通过键盘切换显示被测负载的电压和电流大小。通过此次直流功率计的设计，使我更加熟悉有关单片机开发设计原理及方法，并能使自己加深了对单片机的理解和运用以及掌握了单片机与外围接口的方法和技巧，这些主要体现在以下方面：1. 学会了单片机总线控制方式的运用，懂得了利用单片机内部A/D转化简化外部电路，节约成本，同时在此基础上扩展了一些实用性强的外围电路。2. 可以了解到LED显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例。3. 怎样扩展显示接口、如何驱动外围元件等。4. 了解了
5、通过电压间接测电流和电流电压同步采样的方法。2总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我们主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1方案比较2.1.1方案一本方案的整体思路是：根据功率计算公式，要计算功率我们需要知道负载的电压和电流，因此首先对电路中被测负载进行电压采样和电流采样，将采样的电压送入单片机，由单片机内部集成的A/D转换电路对采样进行模数转换，然后通过编写程序让单片机计算出功率并将功率大小显示在LED数码管上，且能通过按键切换显示负载电压和被测电流，由
6、于在单片机实际工作过程中，电压有可能发生变化，为确保采集的电压的准确性，因此额外提供了一个基准电压。方案一整体结构框图如图2-1-1所示： 被测负载电压采样电流采样 单片机 键盘显示复位晶振基准电压 图2-1-1 方案一系统结构框图2.1.2 方案二方案二总体思路是：在被测电路中进行电压采样和电流采样后，先由外部器件进行A/D转换，再送入单片机计算和显示，这里的单片机只需要一般的不自带A/D转换的单片机就行了。系统框图如图2-1-2所示： 被测负载电压采样电流采样 单 片 机 显示复位晶振A/D转换A/D转换键盘 图2-1-2 方案二系统结构框图2.1.3 方案三方案三的总体思路就是用一个功率
7、传感器，直接采集被测电路的功率送入单片机，由单片机控制LED数码管显示出功率大小。系统框图如图2-1-3所示：数码管显示被测电路功率传感器51单片机 图2-1-3 方案三框图2.2方案论证方案一电压和电流采样后采用单片机自带的A/D转换器进行A/D转换，节约了成本，简化了外围电路，而且方案一外加了基准电压，使电路进行A/D转换时有基准，克服了单片机实际工作时电压不稳定的情况，使测量结果更加准确，方案二采用外接A/D转换器进行数模转换，提高了成本，也使外围电路复杂化了，方案三虽然简单，但是传感器价格昂贵，而且方案三没有起到通过这次课程设计让我们对所学知识进行实际应用的能力。2.3方案选择本设计是
8、利用单片机测量被测负载的直流输入功率，并要求显示，通过以上对三个方案的论证，方案一既能相对准确的测量功率，还能将我们所学知识进行实际运用，是我们对所学知识进一步掌握，而且成本低，电路简洁明了，符合设计要求；方案二相对方案一成本较高，电路叫复杂；方案三成本高。综合考虑我们选择了方案一。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为电压采样，电流采样，按键复位及档位选择，数码显示，电源电路的设计等模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.2 各单元模块3.2.1 电压电流采样模块设计电压和电流需要同步采样，采样的方式有很多，本次设计中我们采用电阻分压采样电压，对于电流采样，
9、我们通过电压进行间接采样，具体方式是在电路中串联一个很小的电阻，通过测这个很小的电阻两端的电压，根据得到电路电流，这个小电阻我们利用3个和一个的电阻并联得到，采样所得的电压可能很小要经过适当放大再送入单片机。电路中运放OP07采用外接双电源供电。电压电流采样电路如图3-2-1所示。电压电流采样电路如图3-2-1所示图3-2-1 电压电流采样电路3.2.2 按键和复位模块设计单片机采用总线控制方式，由单片机P2.7、P2.6和P2.5作片选控制信号，通过74HC138译码器来选通。74HC138是一个3-8译码器。74HC138的A、B、C与单片机的P2.5、P2.6和P2.7相连通，我们可以通
10、过程序控制P2.5、P2.6、P2.7的输出进而控制3-8译码器的输出，从而达到选位的目的。其选通情况如表3-2-2，位选电路如图3-2-2(a)。表3-2-2P2.7 P2.6 P2.5C B A选位情况0 0 10 0 1Y1输出低电平即第1位被选中0 1 10 1 1Y3输出低电平即第3位被选中1 0 01 0 0Y4输出低电平即第4位被选中图3-2-2(a) 位选电路 当和CS3任一位为低电平时输入缓冲器74HC541工作，此时按键有效，键盘分为8个独立按键，一端与74HC541的D1-D8引脚及10K上拉电阻相连，另一端接地，当任一按键按下时，D1-D8低电平有效对应的Q1-Q8输出
11、就可以对单片机P0口输入信号进行相应控制，比如KEY4可以切换数码管显示功率、电压和电流。模拟量输入就是把采样的电压输入单片机A/D转换引脚。电路图如图3-2-2(b)所示：图3-2-2(b) 按键和复位电路3.2.3数码显示电路模块设计本设计制作中选用两个四位共阳极数码管作为显示模块，由和共同控制74HC573作为段锁存器，当他们低电平时，74HC573工作，由和共同控制75HC573作为的位锁存器，位锁存器连接驱动芯片ULN2803，驱动数码管工作。显示的连接电路图如图3-2-3所示： 图3-2-3 数码管显示电路3.2.4电源电路设计在电路中由于我们所用OP07运算放大器需要9V双电源供
12、电，由于我们测量需要稳定的供电而USB供电不稳定，所以我们自制+5V电源供电，电源电路图如图3-2-4：图3-2-4 电源电路3.2.5基准电压电路设计我们用单片机自带的AD进行A/D转换，而单片机实际工作时电压会发生变化，所以在单片机AD检测时外加TL431作为基准源，当输出电压变化时，P1.7口电压保持恒定。电路图如图3-2-5：图3-2-5 基准电压3.3电路参数的计算及元件选择因为我们要测量的范围是，负载电压不超过25V，电流不超过2A，而单片机能够接受的电压小于5V，所以我们电压采样时，用和电阻分压的方式，这样就算电压得到25V时，我们所采的电压也只有3.261V，单片机也能正常工作
13、，电压采样后经过一个电压跟随器，降低输出阻抗，电流采样时，通过电压间接采样，因为我们所串联的电阻很小，由3个和一个的电阻并联，所采得的电压也很小，经过放大单片机识别更准确，所以放大26倍后再送入单片机。3.4 特殊器件的介绍3.4.1 TL431芯片简介TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。TL431特点： 可编程输出电压为36V 电压参考误差：0.4 ，典型值25（TL431B） 低动态输出阻抗，典型0.22 负载电流能力1.0mA to 100mA 等效全范围温度系数50 ppm/典
14、型 温度补偿操作全额定工作温度范围 低输出噪声电压TL431引脚图:图3-4-1 TO92 封装引脚3.4.2 STC12C52A06S2单片机简介STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度要快812倍，内部集成8路高速10位A/D转换（250K/S）。STC12C5A60S2单片机管脚图如图3-4-2。图3-4-2 STC12C5A60S2单片机引脚图4 软件设计4.1 说明软件设计原理及所用工具本系统的程序设计使用Keil uVision3软件进行编写，编译，链接，软件调试等。目标单片机型号为STC12C5A32S2，该单片机具有完全兼容51单片机，功耗小，内部资源丰富，价格便宜等优点；本设
