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智能交流电压表设计智能交流电压表的设计摘要: 电工参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机作为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。智能化仪表不仅具有传统仪表的显示功能，还应具有通信功能。把测量到的数据信息发送给上位计算机或远程计算机，接收并执行计算机或其他控制单元发出的指令.智能仪表将作为工厂底层网络的主体，在工业生产的自动化、总线化、网络化方面发挥主导作用。关键词: 单片机；智能仪表；数据处理；通信 DESIGN OF INTELLIGENT AC VOLTAGE METERABSTRACT： Electrical parameter includes voltage,current,power，frequency，power factor,and so on .The adjustment system of electrical network needs many panel instruments that can show the electrical parameter,such as voltage,current,power,cycledetc.Usually these instrument is not accurate,wastes manpower resource,and the management of the data is inconvenient and easy to mistake.Recently the development of micro-electronics technology and the advent of SLSI,especially the advent of singlechip,lead to a new revolution in the field of instrument.In this paper，on the basis of studying the up to date fruit of instrument ,a new intellective instrument which adopts singlechip as control core and which can communicate with the PC is designed. This appliance which bases on the singlechip compounds the technology of computer and measure. It is improved very much on processing result and the diversification of function.Intelligent instrumentation is not only traditional instrument display, but also with the communication function. Put measurement information to the data sent to the host computer or remote computers, receive and the implementation of a computer or other control unit issued directives. Intelligent instrumentation as a factory-floor main network, in industrial production automation, bus, Internet-based play a leading role.Keywords: singlechip;intellective instrument;data process;communication.47第1章 绪 论电工参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化设备中，需要配置多只测量、显示上述电工参数的镶嵌式面板表。如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量、控制仪表领域新的技术革命。本着改造传统面板式仪表的目的，我采用单片机作为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。1.1 课题概述智能化微机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用已经渗透到国民经济的各个部门。不但国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业，就连在日常生活中也得到广泛的应用。我要设计的是可通信型智能交流电压表，并进行智能仪器/仪表的相关研究。1.2 智能仪器/仪表国内外发展概况智能仪器/仪表是计算机技术向测量仪器移植的产物。是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。这一观点已逐渐被国内外学术界所接受。自从1971年世界上出现了第一种微处理器(美国Intel公司4004型4位微处理器芯片)以来，微计算机技术得到了迅猛的发展。测量仪器在它的影响下有了新的活力，取得了新的进步。电子计算机从过去的庞然大物己经可以在某种特定条件下缩小到可以置于测量仪器之中，作为仪器的控制器、存储器及运算器，并使其具有智能的作用。概括起来说，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用(多功能化)等方面己经取得巨大进步。到80年代，可以说，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。总的来说，可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现，两个方面来归纳智能仪器发展概况。传统的手持式万用表，在采用了单片微机控制之后，功能更加多样，使用更加方便、可靠，而且准确度大为提高。有的万用表还可在数字显示器下面外加光条显示器，以提高对被测信号波动变化倾向的判断能力。到80年代初期，高性能的数字万用表，读数已达7.5位8.5位，其分辨率直流电压可达0.01V，交流电压可达0.1V。其24小时准确度，直流电压可达12PPM(PPM为百万分之一)，交流电压可达土0.01%，真有效值响应、频率覆盖可从音频(20kHz)到低频(1Hz)，波形因数(峰值/有效值)可达5:1。其数据处理功能一般包括:百分误差、绝对误差、最大值及最小值、峰峰值、平均值、有效值、方差及标准差等。有的仪器可以在数日内进行采样时间间隔可调的自动跟踪测量及自动储存数据等。在内藏微计算机的作用下，高性能的数字万用表还采用了不开盖式的自动校准技术(Closed-Case Autocal)，使仪器的准确度及稳定度进一步提高。与之相适应，80年代初期出现了商品型可携带式精密数字万用表可程控校准仪。他允许在一般的实验室环境下实现对6.5位到8.5位数字多用表进行不开盖的可控制自动化数字校准。这种校准仪不仅工作简便、速度快、而且可以在较宽温度范围内(如1333) 工作。这就缓解了高准确度数字多用表需定期频繁送检的矛盾，提高了仪器的使用率及可靠性。这些把计量学准确度带入普通实验室的仪器，可以说是在80年代做出一个了不起的成绩。智能仪器除了在传统仪器的改进方面取得了巨大成就而外，还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型的仪器。80年代以来，机械制造业(汽车制造、VLSI(超大规模集成电路)制造、各种电子设备，如电子计算机、电视机等制造)的高速发展，使CAM (Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)达到了很高水平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM的工作质量进行及时监控，切实使成品或半成品的质显得到保证，要求对实现整个加工工艺过程中各重要环节或工位在线检测。因此在生产线上或检验室内大量涌现应用各种CAT (Computer Aided Test计算机辅助测试)技术的仪器。例如，在电子类产品生产中使用大量各种规格的印刷电路板(PCB, Printed Circuit Board),因而出现了各种PCBCAT设备(PCBT)。没有高速、高效能的PCBT实现对空PCB或已装元件的PCB进行逐项检验及质量监督，或要想实现电子设备生产上的高速及高质量的CAM是不可能的。智能仪器以及计算机系统本身的发展使得其硬件结构及软件内涵越来越复杂，随之而来的是对其工作状态的检验及故障诊断就显得非常重要，而且十分困难。如果都依靠专业人员去解决这些问题，不仅浪费时间、不经济，而且对大批量、多品种、更新很快的产品，这样做也是不大可能的。为了解决此类问题，出现了一种新型仪器故障诊断仪(Troubleshooter)。面向计算机为主体的数字系统(或智能仪器)的故障诊断仪本身就是一台微计算机。它一般是通过特定的适配器与被检验系统相联，在专用软件包的支持下进行故障诊断。它不仅可发现故障的性能及范围，有时还可以精确的定位到故障元件。由于微计算机的内存容量不断增加，工作速度的不断提高，因而使其数据处理的能力极大的改善，这样就可以把动态信号分析技术引入智能仪器之中。这些信号分析往往以数字滤波或FFT(快速傅立叶变换)为土体，配之以各种不同的分析软件，如智能化的医学诊断仪及机器故障诊断仪等。这类仪器的进一步发展就是专家系统，其社会效益及经济效益将是十分巨大的。近20年来，智能仪器与微计算机取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，硬件的不断发展及创新不能不说是一个非常重要的因素。就仪器仪表的发展看，对以下几类硬件的发展应特别加以关注。 P/C(微处理器/微计算机)芯片P/C为智能仪器的核心。它的选择将决定仪器的总体结构。目前我国智能仪器大多采用8位C芯片8048/8051系列，并取得了很好的效益。8位C属于微型控制器(Microcontroller)，有很强的控制功能及中断响应能力，但对16位的数据处理能力就稍微差于Z80等P芯片。因此，从在智能仪器中需要进行大量的运算角度看，Z80等仍有相当强的生命力。而且它也有了自己的换代产品(Zilog的Z180/Z28。及日立的64180/647180等)，它们无论在时钟频率、物理地址、中断响应能力、运算能力、通讯能力等方面都有了很大的提高，其应用日益广泛。16位P/C(如8086/88, 8086等)由于其性能的优势，将有更泛的应用前景。 IC (集成电路)的CMOS化CMOS技术早在70年代就已提出，CMOS具有功耗更低、工作温度范围宽和抗干扰能力强等优点，但也有运行速度较慢、易受静电损伤等缺点，因此CMOS在应用中曾受到过很大的限制。进入80年代后采用了“硅”门新技术取代了原来的“金属门”，使CMOS的速度与NMOS及PMOS基本相同。同时，采用输入保护电路有效地克服了受静电损坏等缺点，达到了使用化的阶段。如今LSI及VLSI的IC产品大多都有了与之相对应的CMOS产品，如80C85, 80C51, 80C86等等。一个全CMOS系统功耗只是LSTTL系统功耗的1/8到1/10。因此在CMOS化后仪器可以改用干电池供电，其优点为:小型化，便携式，适于野外使用，抗干扰能力强，可以从根本上杜绝50Hz市电通过电源变压器引入的串模干扰。可采取密封结构以增强仪器的稳定性及可靠性。采用CMOS化器件使 NVRAM(非易失性RAM)的能力有了极大地提高。采用锂电池或锡镍电池为后备，可以支援一个64k8位的存储器使其数据至少保持240天，典型为976天(如7709型组件板)，可以形成所谓的虚拟盘。这就可使智能仪器的掉电保护能力得到空前地加强。 DSP (Digital Signal Processor，数字信号处理)芯片智能仪器在进行信号处理中常要进行数字过滤、FFT、相关、卷积等复杂的运算，其共同特点是他们都是有迭代式的乘加运算所组成。如果用微机的软件来完成，则运算时间较长，使仪器工作效率降低。如今VLSI己可制成DSP芯片专门从事这些运算。在我国已广泛采用美国TI (Texas Instrument)仪器公司生产的TMS320系列DSP (NMOS或CMOS器件)。它由1616乘法器、32位累加器及32位算术逻辑单元等组成，钟频5MHz，作一次16位乘法仅需200ns。我国已用他成功开发出IBM-PC/XT微机上的插件模板，用它对1024点FAT复数运算时间为45ms。美国Advanced Micro Devices (AMD)公司的AMD 29500 16位双极型DSP同样完成上述运算仅需2ms AISC (Appliccation Specific IC，专用集成芯片)芯片长期以来IC芯片都是通用型的，如P/C各种存储器、各种逻辑元件、各种ADC及DAC等。用户只能根据手头拥有的芯片的功能去设计自己的产品。这是由生产水平所决定的，因为只有大量生产的芯片，其成本才可以降低，才会有好的经济效益。而由用户定制的ASIC.则由于成本太高而很难得到推广。近年来，由于LSI生产工艺的成熟，CAD技术的进步，加之许多业己成熟的IC芯片如P/C,存储器，ADC等都可能用来充当ASIC。预计90年代将是ASIC的公司。这种局面一旦形成，将使电子产品(包括智能仪器)的结构更加紧凑，性能更加良好，保密性更强。一个内藏微计算机的智能仪器意味着计算机技术向仪器的移植，它所具有的软件功能使仪器呈现出某种智能的(延伸、强化等)作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这己为70年代以来智能仪器发展的历史所证实。概括起来，智能仪器具有以下特点:测量过程的软件控制对测量数据进行存储及运算的数据处理功能是智能仪器最突出的特点智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能使一机多用或仪器的多功能化易于实现，成为这类仪器的又一特点。以软件为主体的智能仪器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性综上所述，十几年来智能仪器虽然有了很大的发展，但总的看来，人们还是较习惯于从硬件的角度做工作，这是由于设计者的(硬件)技术背景，LSI器件不断迅速更新的冲击以及在现阶段仪器硬件更新的裕量还很大等因素所造成的。这种趋势虽然仍会继续下去，但从智能仪器的内涵，从软件的角度上看，软件的作用还远未发挥出来，这里有许多的领域等待着去开发。智能仪器最终必然会与人工智能联系起来创造出全新的仪器。从这个观点看， 目前的智能仪器尚处于“幼年时期”。1.3 课题研究内容及特点在研究开发智能电压表的过程中，着重进行了以下几个方面的研究工作:在智能电压表的设计中主要包括硬件、软件、及仪表工艺三方面的问题。硬件方面采用了V/F(电压频率转换)器件LM331与单片机配合完成A/D转换的工作，低温漂放大器OP-07完成电压信号的采集和放大。选用PIC16C63芯片进行数据处理。四块八段LED进行显示。MAX202作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。在软件设计方面，通过固定周期内对脉冲信号计数计算电压值，采用了平均值数字滤波等软件抗干扰措施。采用Visual Basic 6.0编写了上位机电压监控程序。完成单片机与PC机的通信。为测量仪表的智能化、网络化提供了可能。第2章 系统总体方案设计在智能电压表的设计中主要包括硬件、软件、及仪表工艺三方面的问题。硬件方面采用了V/F(电压频率转换)器件LM331与单片机配合完成A/D转换的工作，低温漂放大器OP-07完成电压信号的采集和放大。选用PIC16C63芯片进行数据处理。四块八段LED进行显示。MAX202作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。在软件设计方面，通过固定周期内对脉冲信号计数计算电压值，采用了平均值数字滤波等软件抗干扰措施。采用Visual Basic 6.0编写了上位机电压监控程序。完成单片机与PC机的通信。为测量仪表的智能化、网络化提供了可能。软件主要包括上位PC机的电压监控程序、下位单片机的电压数据采集程序以及单片机和PC机进行通信的程序。PC机的电压监控程序利用 Visua1 Basic 6.0编写监控界面，可获取系统最近24小时的电压值，并形成柱状图型，对系统测量电压值予以直观显示。采用 Visual Basic 6 .0 编写了上位机监控成序。使系统中原本孤立的显示仪表，变成了控制计算机的“眼睛”，使操作人员通过上位计算机就可了解系统的电压情况。成为名副其实的“智能”电压表. 智能电压表原理图（见附录A）在研究开发智能电压表的过程中，着重进行了以下几个方面的研究工作具体的研究步骤大体分为硬件总体设计，软件总体设计和抗干扰设计三大部分，其中硬件设计又分为信号采样，A/D转换电路，时钟芯片，通信接口四个单元；软件设计分为：下位机程序设计，通信程序设计，上位机软件设计三部分；抗干扰设计分为系统硬件抗干扰和系统软件抗干扰两部分。第3章 系统的硬件设计3.1 硬件电路总体设计智能交流电压表采用PIC16C63作为主处理器，系统主要由信号采集放大模块、A/D转换模块、时钟计时模块、显示模块、与上位机(PC机)通信模块等几个功能模块组成。其总体结构框图如图3.1所示。图 3.1硬件总体结构框图3.2 硬件电路工作原理被测交流电压由精密电阻分压得到与输入被测电压成比例的交流电压值;由运算放大器OP07放大;经整流滤波得到与输入电压成比例的直流电压值。由压频转换芯片LM331转换成相应的脉冲信号。由单片机在固定时间(200ms)内对脉冲信号进行计量，从而完成A/D转换的功能。再由单片机对A/D转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值(BCD码)，通过单片机驱动四个LED数码管显示结果。智能电压表有简单的监控功能，每一小时由时钟芯片通过中断方式要求单片机记录当时电压数值，并记录最近24小时的电压值。由上位PC机对所记录电压值进行显示、保存，并形成相应图形予以直观显示，表明当前电压情况。通过智能交流电压表，达到了监控交流电压有效值变化的目的。 数值显示采用八段数码管，由单片机以动态扫描方式驱动，在此方式下能保证足够的亮度和较长的使用寿命。使用RTC8025作为实时时钟芯片，每小时产生一次中断，避免了利用定时器编写长时间定时程序的烦琐。PIC16C63单片机有TMRO (8位)、TMRI( 16位)、TMR2 (8位)三个定时器。其中TMRI用计量电压转换成的脉冲信号。TMR2多用于捕捉1比较l脉宽调制功能。若单纯采用TMRO编写长时间定时程序，则会因其多次中断对脉冲计量的准确度造成影响。并为以后实时或定时监控电压数值，及其他功能的扩充提供了硬件保证。采用了MAX202 RS-232收发器完成单片机TTL(5V)电平和 PC机RS-232的电平(士15V负逻辑)转换。而没有采用MC1488和MC 1489，省去了士12V电源，只用四个0.1电容和单五伏电源就满足了RS-232总线的电气特性。简化了硬件电路，为实现单片机与PC机的通讯提供了硬件保证。电压表的基本功能是电压的测量和显示。假设被测量的为工频OV750V交流电压，设其峰值上限为800V，根据LM331的电压频率转换公式: f0= ( V1Rs )( 2.09RLRCt) （2-1）带入电路原理图中相应的电路参数，可得输出频率达到40kHz，在定时200ms内 2= ( 20010-3) （140KHz） （2-2）得到 X13。即可达13位的A/D转换精度。作为智能交流电电压表设计的核心部分，经实践检验，采用LM331通过电压/频率转换的方法实现A/D转换，满足精度要求，取得了满意的效果。3.3 电压信号采样放大电路设计智能电压表的硬件电路设计采用简单的直流采样的方法，交流50Hz电压经电阻分压，幅值降1000倍，再由运算放大器OP07进行放大和线性整流，整流后的脉动直流电压经滤波后输出到LM331，转换为与交流电压成正比的脉冲序列，由单片机PIC16C63 在规定的时间内(200ms)，利用TMRI对脉冲信号进行计数，可间接求得输入电压的有效值。用这种方法可以保证A/D转换的精度(可达十三位精度)，提高了性能价格比。检测信号的放大采用集成运算放大器。运算放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据负反馈电路的接法，可以实现反相运算、同相运算和差动运算等。由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微弱的微伏级信号，而一般的通用放大器都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。因此在设计中要采用高精度运算放大器或测量放大器。在设计中，我采用了ADOP07高精度运算放大器。八管脚DIP (双列直插)封装。它有A、D、C、E各档，具有极低的失调电压(10V)和偏置电流(0.7nA)，他的温漂系数为0.2v/，长期稳定性能指标为0.2V/每月。ADOP07具有较高的共模输入范围(士14V)，共模抑制比CMRR=126dB以及极宽的供电电源范围(从士3V士18V)。在如上图(图3.1)的连接方式下，该电路在几十毫伏的输入信号时不必进行失调调节，在输入lmv以下的信号时，需要进行调节。AD0P07 特性表如表3.1所示:表3.1 OP一07 特性表符号参数OP07EHCHDHAH单位说明开环增益AVO4.51064.51064.51064.5106倍数RL2K输出电阻R060606060频带上升率70.60.17KHZV/S放大倍数=1RL=10K输入失调电压内部失调温漂300.3600.5600.7100.2VV长期稳定性0.2V/月输入电阻差动输入共模输入50160231203112080200MM偏置电流0.7nA输入噪音峰峰电压值0.350.380.380.35A输入电压范围共模输入电压共模抑制比14123141201411014126VdB工作温度范围0+700+700+7055125信号采样放大电路硬件原理图如图3.2所示.图3.2 信号采样放大电路硬件原理图3.4 A/D 转换电路设计3.4.1 V/F式A/D转换器工作原理V/F式A/D转换器的核心部件是电压-频率变换器(V/F)。它是把待转换的模拟电压VA;先变换成脉冲信号，该脉冲信号的重复频率与信号幅值成正比，然后在一段标准时间内。用计数器累积所产生的脉冲数，从而实现A/D转换。这就是电压-频率-数字变换原理。V/F转换器的典型电路由图3.3所示。该电路由积分器、比较器、恒流源、单脉冲发生器和模拟开关组成。如图 3.3 所示 V/F 转换器原理图： 图 3.3 V/F 转换器原理图转换开始时，开关K断开，VA单独作用于积分器。输出负斜波电压V0。当V0I1而I1=VA/R，且两者极性相反，所以V。波形开始回扫，经过T2时间，单脉冲发生器恢复原态，K又断开，积分器又在I1作用下输出负斜波。上述过程周而复始进行，在比较器的的输出端得到一系列的负脉冲。设I1在时间T1内注入积分器的电荷Q1；I1和I0共同作用的时间为T2，他们注入相加点A的电荷为Q2，则可列出如下方程: （3-3）- （3-4）因为，所以： （3-5） （3-6）当Va、 I。和C、R均为恒定值时，则有： （3-7） （3-8） 令 （3-9）则有 KVA （3-10）上式是根据电荷平衡原理得到的脉冲频率f。和输入信号VA之间的线性关系。 图 3.4 V/F 式 ADC 原理框图V/F 转换器只是整个V/F式ADC的核心部分，为了实现A/D转换，还需要增加时基电路，以便把脉冲串变化为二进制或BCD码的数字量。V/F式ADC的原理框图如图3.4所示。3.4.2 LM331芯片介绍LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0 V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达l00dB;线性度好，最大非线性失真小于0。01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高.数字分辨率可达12位:外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331为定时器型压控振荡器，图3.6(虚线内)是LM331的电路结构化框图。电路由两部分组成，一部分是用触发器、电压比较器(C1 、C2)和放电管T3构成的定时电路，另一部分是用基准电压源、电压跟随器A和镜像电流源构成的电流源及开关控制电路。如果按照图3.5接上外围的电阻、电容元件，就可以构成精度相当高的压控振荡器。下面具体分析一下它的工作过程。LM331电路结构框图如图3.5所示。 图3.5 LM331电路结构框图刚接通电源时CL、CY 丁两个电容上没有电压，若输入控制电压V1为大于零的某个数值，则比较器CL的输出为1而比较器C2的输出为0，触发器被置成Q=1状态。Q端的高电平使T,导通，V0=O。同时镜像电流源输出端开关S接到引脚1一边，电流I0向CL开始充电。而Q的低电平使T3截止，所以CT也同时开始充电。当C1上的电压上升到2/3Vcc时，则触发器被置成Q=0,T2截止，V0=1。同时开关S转接到地，CL开始向R1放电。而Q变为高电平后使T3导通，CT通过T3迅速放电至VCT0，并使比较器C2的输出为0.当C1,放电到VCTV1时，比较器C1输出为1，重新将触发器置成Q=1，于是V0又跳变成低电平，CL和CT开始充电，重复上面的过程。如此反复，便在V0端得到矩形输出脉冲。在电路处于振荡状态下，当CL、RL的数值足够大时，VCL必然在V1值附近作微小的波动，可以认为VCLV1。而且在每个振荡周期中CL的充电电荷与放电电荷必须相等(假定在此期间V1数值未变)。据此就可以计算振荡频率了。首先计算CL的充电时间T1。它等于Q=1的持续时间，也就是电容CT上的电压从0充电到2/3Vcc的时间，故得 （3-11） （3-12）CL在充电期间获得的电荷为 （3-13） （3-14）式中的为流过电阻RL上的电流。若振荡周期为T1放电时间为T2，则。又知CL的放电电流为，因而放电时间CL释放的电荷为 （3-15）根据Q1与Q2相等，即得到 （3-16） （3-17）电路的振荡周期为 （3-18） 将 、 代入上式而且知道，故得到 （3-19）可见 ，f与v1成正比关系。我们把它们之间的比例系数称为电压/频率变换系数(或V/F变换系数)Kv,即 （3-20）LM331在输入电压的正常变化范围内输出信号频率个输入电压之间保持良好的线性关系，非线性误差可减小到0.01%.输出信号频率的变化范围约为0100kHz.因此，又把LM331这类器件叫做精密V/F变换电路。3.4.3 A/D 转换电路设计LM331与单片机接口电路如图3.6所示。 图3.6 LM331与单片机接口电路图由LM331的电压频率转换公式: （3-21）其中 , , ,带入计算可得: （3-22）当输入交流电压为0-800V，经放大、整流、滤波后得到0-6V的直流电压，输出频率仍然可达40KHZ,在定时200ms的情况下，可达到13位的A/D转换精度，达到了设计要求。3.5 时钟计时电路设计3.5.1 时钟芯片简介在系统设计中，经常需要有时钟，好比单片机内带了一块钟表一样例如电子考勤机不仅要记录员工的身份号码，同时需要记录出入门禁的时间。又比如复费率电表，把一天24小时划分为若干个时段，每一个时段有不同的费率，有了时钟就可以根据不同时段来计费。单片机内有定时器/计数器，可以用软件来定时，但这要占用片内资源(占用一路定时器/计数器)，而且编程十分复杂，在本智能电压表的设计中，如采用定时器通过软件定时，可能出现定时器中断影响单片机计量脉冲的准确度，甚至发生计数错误。反复的定时器中断在单片机以查询的方式通讯时，可能造成通信错误或通信失败。因此，在这些情况下，多采用实时时钟芯片。时钟芯片的种类很多。有并口方式的器件，如MC146818,MSM6242等，有串口I2C方式的DS1302, PCF8563, PCF8583，以及串口SPI方式的DS12887, RTC4553等等。在设计中我试用了DS1302、PCF8563、RTC4553等时钟芯片。最后我采用了RTC8025这一款时钟芯片，它所独有的固定周期中断功能，恰好满足了我的设计要求，简化了硬件电路，编程也变的简单。 RTCSO25采用I2C总线形式，与单片机连接只需要两条线，节省了单片机的I/0口线，同时简化了日历/时钟读写的程序。本模块是内置高精度调整的32.768kHz 水晶振子。除了具有6种发生中断功能、2个系统的闹钟功能，对内部数据进行有效无效判定的振动停止检测功能，电源电压监视功能等外，还配有时钟精度调整功能，可以对时钟进行任意精度调整。内部振荡回路是以1司定电压驱动，因而可获得受电压变动影响小且稳定的32.768kHz时钟输出。本产品功能多样，采用表贴封装形式，最适用于各种手机携带终端及其他小型电子机器等。RTC8025的特性如下内置高精度频率调整的32.768kHz 水晶振子(Ta=+25 时510-6)时计(时、分、秒)日历(年、月、日、星期)的计数功能(BCD代码)可选择12/24时间制自动判别至2099年的润年内置高精度时计精度调整电路对CPU的发生中断功能(周期1个月0.5秒、具有中断请求、中断停止功能)2个系统的闹钟功能(AlarmW: 星期、时、分:AlarmD:时、分) 32.768kHz时钟输出(带控制引脚的CMOS输出)对内部数据进行有效无效判定的振动停止检测功能电源电压监视功能(可选择检测标准电压)1.15V5.SV 的宽幅计时(保持)电压范围1.7v5.SV的宽幅接口电压范围低消耗电流0.48A/3.OV (Typ).RTC8025芯片有两个型号，如图 3.7 管角定义如下:1.NC2.SQL3.FOUT4.NC5.TEST6.Voo7.foe14.NC13.SQA12./INTB11.QND10/INTA9.NC8.NCSOP.UpinRX.8025 SA1.FOE2.Yoo3.NC4.TEST5.FOUT6.SQL7.SQA8./INTB9.GND10./INTA11.NVSON.22pinRX.8025 NB22.NC21.NC20.NC19.NC18.NC17.NC16.NC15.NC14.NC(13).(12).图 3.7 RTC8025芯片管脚图表 3.2 RTC8025管脚定义信号名I/O功 能SCL输入I2C通信用的串行时钟输入。与这时钟信号同步，SDA引脚进行数据的输出。本输入与电源电压无关，输入电压最高可达到5.5V。SDA双向与I2C通信用的串行时钟同步，进行地址、数据、应答bit等的输入输出，这一引脚在输出时N-ch开路漏极。请根据信号线的容量连接适当的下位电阻。FOUT输出由FOE控制的32.768KHz时钟输出。FOE=High时输出32.768KHz。FOE=Low或OPEN时记时器输出停止，这时输出固定值为“L”。FOE输入控制FOUT输出状态的输入引脚，内置下拉电阻。本脚进High时，从FOUT引脚输出32.768KHz。本脚进Low或OPEN时，FOUT引脚不输出。本输入与电源电压无关，输入电压最高可达5.5伏。/INTA输出中断输出A，N-ch开路漏极输出。输出闹钟中断及固定周期中断。/INTB输出中断输出B，N-ch开路漏极输出。输出闹钟中断.TEST测试用引脚。请务必连接到VDD.VDD连接到+电源。GND接地连接。N.C.没有与内部IC连接。此端子可“open”，或与GUD或VDD进行连接。注:请务必在VDD 一VSS间连接0.1F 以上的旁路电容RTC8025除了具备实时时钟记录时间的基本功能外还有6种发生中断功能、2个系统的闹钟功能，对内部数据进行有效无效判定的振动停止检测功能，电源电压监视功能等外还配有时钟精度调整功能可以对时钟进行任意精度调整等功能。是一种功能较为强大的新型时钟芯片。在智能电压表中我土要应用了其计时功能，和固定周期中断(每次/小时)两种功能，下面对这两种功能做一个简要的介绍。RTC8025时间设定RTC8025有16个寄存器，地址为0-F，其中与时间的设定与读取有关的为0-6一共七个时间/日历寄存器分别为秒、分钟、小时、星期、日、月、年，和控制寄存器1 (CONTROLI)其12/24位用于设定时钟工作于12小时/24小时工作模式。时钟/日历的设定、读取均采用I2C总线的数据传输模式。I2C BUS 的概要I2CBUS 指由SDA(数据线)和SCL(时钟线)构成的2线式双向通信.通过组合这2个信号进行通信的开始/停止/，数据传送/应答等发送接收信号。非通信时SCL SDA 都保持 High状态。通信的开始和结束通过SCL处于High状态，且上升或下降SDA来进行控制。数据的传送及发送信号时的SDA线上的数据变更在SCL线LOW的区间进行，接收信号侧SCL线在HIGH的区间读取数据。任何情况都在SCL线的每一计时器脉冲以1 bit逐步进行。I2C-BUS器件没有通常逻辑器件所具有的芯片选择引脚。代之以对器件分配从地址。当接收器件地址与选择的从地址一致时开始通信。系统构成如图 3.8 所示 I2C 系统构成图 图 3.8 I2C 系统构成图控制数据的发送、接收信号的器件定义为主器件:由主器件控制的器件定义为从器件。发送数据的器件为传送器，接收数据的器件为接收器。使用时钟芯片时，CPU等控制器为主器件，时钟芯片为从器件。他们之间可进行数据的发送/接收，因而可根据具体情况在传送器或接收器之间进行转换。RT8025的固定周期中断功能可从/INTA引脚得到固定周期的中断输出。其频率可从2Hz(0.5秒/次)、1Hz每秒)、1/60Hz(每分)、1/3600Hz (每时)、每月(各月的1日)共5种频率显示方式作出选择。固定周期中断功能，由控制寄存器I( CONTROLI)的CTO,CTI,CT2三位的组合选择中断周期，由控制寄存器2 (CONTROL2)的CTFG位控制固定周期中断输出引脚的状态。表 3.3 固定周期中断选择CT2CT1CT0/INTA引脚的输出设定内容波形模式 周期/下降时间选择000/INTA=Hi.z(OFF)001/INTA=“L”固定010脉冲模式1）2Hz (Duty50)011脉冲模式1）1Hz (Duty50)100电平模式2）1秒1次 （与秒递增计数同时）101电平模式2）1秒1次 （每分00秒）110电平模式2）1小时1次 （每时00分00秒）111电平模式2）1月1次 （每月1日上午00时00分00秒）3.5.2 时钟芯片与单片机的连接 如图 3.9 所示时钟芯片与单片机的连接图图 3.9 时钟芯片与单片机的连接图3.6 通信模块硬件电路在工业自动控制、智能仪器仪表中，单片机的应用越来越广泛，随着应用范围的扩大以及根据解决问题的需要，对某些数据要做较复杂的处理，或是需要对前沿单片机、现场电器进行远程控制，单片机与上位机之间实现通信就显得尤为重要。3.6.1 数据通信基础数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。并行数据通信是指数据的各位同时进行发送或接收传送的通信方式，其优点是传递速度快:缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。串行数据通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位一位一位顺序传送，它的突出优点是只需一对传送线进行传送信息，其成本低，适用于远距离通信。串行通信方式和通信制式的不同，其通信的硬件设计也存在较大的区别，下面我们着重介绍一下串行通信的分类和通信制式。 串行通信的分类按照串行数据的同步方式，串行通信可以分为同步通信和异步通行两类。 异步通信异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。在异步通信中，数据通常是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧的发送，通过传输线为接收设备一帧一帧地接收。发送端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。同步通信同光通信是一种连续串行传输教据的通信方式，一次通信只能传送一帧信息，并按照软件设别同步字符来实现数据的发送和接收。在同步通信中，同步字符可以采用统一标准格式，也可由用户约定。数据的传输速率较高，但同步通信要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，在硬件的实现上比较复杂，系统成本高。因此，在本设计中选择串行异步通信方式。 串行通信的制式在串行通信中，数据是在两个站之间发送的。按照数据传送方向，串行通信可分为半双工和全双工两种制式。半双工(Half Duplex)在半双工方式下，A站和B站之间只有一个通信回路，故数据要么由A站发送而为B站接收，要么由B站发送为A站接收。因此，A, B两站之间只要一条信号线和一条接地线，如图所示。 全双工(Full Duplex)在全双工方式下，A站和B站之间有两个独立的通信回路，两站都可以同时发送和接收数据。因此，在全双工方式下的A, B两站之间至少需要三条传输线，分别用于