基于单片机的电网基本参数测量

1、 存档日期：存档编号：本科生毕业设计（论文）论 文 题 目：基于单片机的电网基本参量测量系统设计姓系专名：别：业：年 级、学 号：指 导 教 师： 摘 要近些年来，随着科学技术的发展和社会生活的进步与需要，电力系统中电能质量在工业生产中日益重要。所以，对电网参数进行及时有效的分析和检测是十分必要的。建立监测和分析电能质量各项指标的系统，可以提高电能的质量，并且可以及时地检测、更新电网中的各项指标。目前市场上有两类电能质量测试装置，一种是功能简单价格低廉，但是不能高效地检测电能质量参数。另一种测试装置功能齐全但是价格偏高，故市场上并不普及。因此，本次毕业设计就是想要克服上述两种装置的弊端，所设计

2、的电能参数测量系统既性能优良、又满足市场需求。本次设计基于电能质量的概念，从硬件、软件这两方面来设计，以 51单片机为核心对电网参数进行测量、以及设计报警电路、保护电路。主要包括的内容：结合 51 单片机的特点进行信号采集、模数转换、数据处理和显示等模块的软硬件功能设计与实现。利用传感器模块对电网的参数进行测量，在显示电路给出电压、电流的测量原理。对电参数的测量采纳数字信号处理技术，在系统性、及时性、精确性方面有着巨大的优势。关键词：电网参数 单片机 电能质量 数据显示I AbstractFollow the fast evolution of national economy and hig

3、h standard ofliving on power system higher and higher requirement for quality ofpower energy and industrial production. So, in real-time detection andanalysis of power parameter has important significance. In ordercomplete the power quality, the first to establish the indicators of thepower quality

4、monitoring and analysis system, real time update of dataacquisition and measurement of various index in power system.On the market use of energy quality teaching Installation is dividedinto two categories, general users is good to find it difficult to as accept.Another is that cheap but simple funct

5、ion, could not fully rash the variouskilometers of quality of electric energy. So, this design is to design afull-featured, suitable for the market demand of power parametermeasurement system.In this paper, on the basis of discussing the concept of quality ofelectric energy, introduced the research

6、of power parameter system with51 microcontroller as the core of the hardware design, software design.They are mainly as follows: The software and hardware design with thecharacteristics of the 51 single chip microcomputer for power distribution,digital coversion, data module. The parameters were mea

7、sured usinginstrument transformer chip module on the grid, the principle ofmesurement of voltage, current, frequency circuit is given a value isII displayed. Measurement of parameters using signal processingtechnology, in order to improve the accuracy, real-time and system levelhas unique advantage.

8、Key words：grid parameters single chip microcomputer powerquality data showIII 目 录摘 要.IAbstract .IV1 绪论.11.1 研究背景.11.1.1 课题研究背景及意义.11.1.2 电能质量的定义.11.1.3 电网质量问题的研究现状.11.1.4 现阶段电网质量测量装置的调查.31.2 研究目的和意义 .31.3 研究方法和构想 .41.3.1总体设计思路理论综述：.41.3.2总体设计思路原理框图：.42 电网参量测量系统硬件电路设计.62.1 互感器（变压器）模块 .62.1.1 互感器介绍.62

9、.1.2 电压互感器.62.1.3 电流互感器.82.1.4 电压、电流测量回路.102.1.5 互感器模块采集电网参数电路图.122.1.6 监测与保护电路设计.122.1.7 频率的测量.122.2 模数转换（A/D）模块.142.2.1 ADC的定义.142.2.2 A/D转换芯片的选择.142.2.3 A/D模块和单片机模块硬件连接.172.3 控制器模块.182.3.1单片机最小系统.182.3.2 MCS51单片机.192.4 显示模块.212.4.1 LCD12864液晶显示模块简介.212.4.2 模块主要硬件构成说明.222.4.3 模块接口说明 .222.4.4 LCD12

10、864显示电路硬件电路图.242.5 电网参量测量系统总原理图.25IV 2.6 元器件清单.263 电网参量测量系统软件程序设计.273.1 A/D数模转换程序.273.2 LCD液晶显示程序.284 总结与展望.32致 谢.33参考文献 .34V 1 绪论1.1 研究背景1.1.1 电网的定义在电力系统中，电网属于运送和分派电能的中间环节, 被称作发电和用电的关联设施。变配电所、配电线路和输送电线路构成输电网。一般把由输电、配电、用电设备组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网，简称电网。电压等级可以分成超高压的有 330kV到 750kV；特高压：直流 800kV、交流 1000kV，这

11、两种基本上就是大负荷电网了。然后高压 110、220kV；中压 6、10、20、66kV。一般情况而言，传输的距离越远，电压的等级越高。10kV 属于小区域供电，大概是涉及范围在 6-10 公里。66kV 为较大地区供电，它的供电范围大约在 80 公里；而平常我们说的 380/220V是供居民用的电压。1.1.2 电能质量的定义随着电力事业的迅速发展，电网负荷不断加剧，冲击性和非线性负荷也在增长，供能系统电能质量因此受到了污染。供电质量对用户使用设备时也作为了一种高档的要求去使用，现代电力系统的新特征是电能质量新的定义和意义。严格的讲，频率、电压是衡量电压质量的主要标准。普通的说法则是指高质量

12、的电能，包括供电、用电、电压、电流的质量3。通常是说导致用电设备不能正常使用的电压、电流或频率的偏差是电能质量问题。1.1.3 电网质量问题的研究现状1、1980年前，电力专家认为，能保证供电电压处在合适的范围之内以及电网频率的正常，也就能确保供电电网的质量；同时，电力企业也认为提高功率因数是极其重要的举措。2、随着生活条件的改善，工业负荷量急剧增加，电网快速的发展，电能是种需要多种物理参数才能全面地描述其性能的复杂商品。这些参数一般有谐波、电压偏差、负序、电压波动等。这方面是当前热门的电能质量研究方向。3、最近几年，电能质量对于人们已不再陌生，人们普遍说电力系统电能的输送是能量的传递，但也是

13、一种输送信息。其主要内容有频率、电压、电流，但1 这些东西中又却依附了许多“坏”信息，包括谐波电压、电压波动、谐波电流等等，同时还有一些所谓的暂态电能质量依附在其中。可以预言，暂态电能质量问题将是我们研究的重要课题。4、随着大量高新企业进入中国市场，在这个瞬息万变的时代里，电网电能质量能否与经济技术发展同步将会成为我们所关注的问题，所以对电能质量的研究显得尤为重要。同时降低网损、减少电力生产事故可提高电能质量，直接带来经济效益。随着电力系统进入市场，区域间电网竞争悄然来临，谁控制好电网电能质量，谁就将成为最终的赢家。所以对电能质量分析和运用将成为现代电力生产发展的紧迫要求10。5、目前的研究主

14、要基于以下几个方面：（1）建立电能质量体系主要研究电能质量的定义、在电子消费市场，智能仪器中的应用及各路综合的评价体系。（2）对电能质量暂态信号分类主要讨论暂态的各种电能质量突变现象，比如说电压暂降、电压闪变等产生原因、信号辨别及控制等。市场上采用的分析方法数不胜数，比如粗糙集、小波变换、S变换等等。（3）谐波分析电能质量测量装置中谐波分析的开发正处在欣欣向荣的阶段，各种装置源源不断出现。硬件方面有基于双CPU系统、基于DSP芯片、基于单片机等，软件方面，充分利用了CAN总线、Web技术等，实现了实时在线监控。（4）算法的开发电能质量检测中算法是重要内容，目前国内外算法相关研究主要使用电压偏差

15、分析、电压波动和闪边处理、高次谐波研究、三相不对称的情况处理、频率偏离其标称值等方面的处理等等，这方面的参考文献很多。2 1.1.4 现阶段电网质量测量装置的调查1、电能质量测量分析与评估主要内容作为大型电能质量测试分析与评估，主要包括以下四个方面：（1）公共电网电能质量监测；（2）电网设备兼容性的检验；（3）负荷的干扰测试与电能的质量评估纠纷测试。2、测量方法测试时间长度：干扰负荷的运行全概况。测试间隔：当干扰负荷运行时，一般用到5s至5min。测试参量：三相电压及电流大小。3、电能质量产品化测试装置现状0第一，通常的电能质量监测方法在对电能质量的实时监测方面有不足。除非电能质量波动较大，便

16、不能全面接收到电能质量。一般情况下只有在必要时才对电能质量进行校验。第二，传统的电能质量监测已经满足不了国际规定的五项电能质量监测的要求了。传统的方法测量不能及时地监测其中的几项指标，原因很多，比如说实现方法的困难大及国家单位的重视程度。第三，传统的电能质量监测装置只涉及稳态电能质量的监测，质并不能全面监测动态电能质量，是因为重视程度不够以及实现的困难及监测系统只能监视其中的一项。第四，传统的电能质量监测装置精度往往达不到要求，由于多采用模拟元器件，受器件性能和信号处理方法有局限性。1.2 研究目的和意义1、大型工业生产对电力系统的电能质量要求越来越高，是因为科学技术进步了和经济的迅速发展,故

17、实时测量与分析电网的参数具有重要意义。建立电能质量各项指标的分析和监测系统，是解决电能质量的第一任务，即对电网中的各种参数进行实时同步，即有测量和数据采集两大步。在测量过程中，更为重要的是监控环节，例如，当电路中出现短路电路怎么实施保护，当电路中出现过负荷怎么实施保护，这些都是测量电网参数的意义的所在。3 2、在电气电网系统中，测量电压和电流是最为首要的。而且是要快速并且准确地采集。依据不同的采集信号要求和实现方法的准确度，一般可分为交流采样、直流采样两种方法，直流采样的一般过程是交流电压、电流信号经过变送器转化为 0-5V的直流电压由仪表采集，此方法设计简单很容易得到被测量的数值，可是采集的

18、不是实时的信号；另外测量精度和稳定性无法保证，满足不了电力系统实时性和可靠性的要求。然而交流采样法是通过二次测得的一次侧的电压、电流，它们经过 TV、TA 转换为 A/D 芯片可处理的交流小信号，然后再将输出的数字量送入计算机进行处理，故这种方法比直流采样更精确，更可靠。因为 51 单片机运行速度快再加上内部程序并行运行、处理复杂功能的特点，故采用 51 单片机和交流采样相结合，可以满足我的设计系统的一般要求4。1.3 研究方法和构想1.3.1 总体设计思路理论综述：在我不断学习和探索了多种测量方法之后，于是我决定采用 51单片机为核心控制 A/D 转换器，将电网变换后的小幅交流模拟量转换为数

19、字量，再送入单片机进行处理数据、实现电网参数的准确测量。即在模数转换模块采用高速转换芯片 ADC0809，在控制部分则利用 51单片机直接控制 ADC0809对模拟信号的交流采样。然后迅速将转换好的 8位二进制数存到 51单片机内部的存储器中去通过显示电路显示电压电流的实时值。同时更为重要的是，在一次高压电路中我选用了熔断器和负荷开关来设计保护电路，即在一次电路正常工作时和短路故障条件下，高压一次设备工作安全可靠，运行维护方便。1.3.2 总体设计思路原理框图：测量系统的组成电路主要包括供配电模块、互感器模块、A/D转换电路、51单片机模块、LCD12864液晶显示模块。测量系统框图如图1.3

20、.2所示4 图1.3.2 系统硬件系统图6-10kv高压电网经过电压互感器、电流互感器、变压器后的输出电压为-5v-+5v，该信号符合电压芯片ADC0809输入端的范围要求，通过ADC0809将输入的小幅模拟量信号转换成对应的数字量信号传送到51单片机中，通过液晶显示电路分别显示电压和电流的大小。5 2 电网参量测量系统硬件电路设计2.1 互感器（变压器）模块2.1.1 互感器介绍1、互感器的工作原理、构造各方面与变压器差不了多少，因此也是一种变压器，它可以将高电压、大电流变成低电压、小电流。由此得到电流互感器（TA）和电压互感器(TV)两种测量仪器，另一方面它也可用来隔离高压，保障安全4。2

21、、互感器的功能：（1）隔离高压电路。互感器的两边不可能有电的联系，只会有磁的关联，这样它就能使测量仪表、保护设施与高压电路隔离开，保证了设备和人员的安全；（2）二次设备的使用范围可以扩大。例如一只 5A量程的电流表，通过 TA就可测量很大的电流；同样，一只 100V的电压表，经过 TV就能测出很高的电压；（3）为了有利于更好地生产，降低成本，可以尽量使测量设备和继电器小型化，标准化的。2.1.2 电压互感器1、工作原理：TV是由铁心、一次绕组、二次绕组构成的。TV的一次绕组匝数多，二次匝数少，其工作原理和降压变压器相似，如图2.1.1 所示。工作时，高压电网回路上有一次绕组并接着，二次绕组和电

22、压线圈并接用于测量， TV 工作时二次绕组常常是空载状态因为电压线圈的阻抗大。TV的额定变比为：图2.1.1 电压互感器原理图6 K=U1N/U2N=N1/N2（2.1）式(2.1)中：K-电压互感器的变比；U1N-一次线圈的额定电压；U2N-二次线圈的额定电压，一般规定为100V；N1-一次线圈的匝数；N2-二次线圈的匝数。2、TV的分类及型号（1）双绕组和三绕组的；（2）单相、三相和五芯柱的；（3）户外和户内的；（4）干式和油浸式的等等。3、电压互感器的选择和校验电压互感器应按以下条件选择18：（1）其额定电压绝不能小于供电电网的额定电压。（2）其类型匹配应和实际安装地点的工作条件及环境条

23、件（单相、三相；户内，户外）相似。（3）TV应满足准确度等级的要求。（4）TV准确度等级要求我们选择器件时，必须保证二次侧所接负荷容量大小应小于或等于额定二次容量。因为 TV 的一、二次侧均有熔断器（FU）作为保护用，故不需要校验动、热稳定度了。4、电压互感器使用注意事项（1）鉴于电压互感器一二次侧是并联运行的，一旦发生短路时，将会产生很大的短路电流，很可能烧毁互感器，严重地将影响一次电路的安全工作。所以电压互感器使用中二次侧不允许短路，应使电压互感器的一、二次侧都必须安装熔断器通过切除内部故障实现短路保护的功能，一般熔断器的额定电流为 0.5A。（2）在使用电压互感器时应校验电压互感器的极性

24、，否则其二次侧所接仪表或者继电器中的电压大小就不是理想的电压值，一来造成误测量，二来引起保护装置的误动作。7 5、本设计采用的电压互感器接线方式两个单相电压互感器接成 V/V形，如下图 2.1.2所示，广泛应用于工厂变配电所的 6-10kV高压配电输电网中，测量、监控线电压值的任务由各仪表和继电器来测量。图2.1.2 电压互感器接线图2.1.3 电流互感器1、工作原理：电流互感器结构和电压互感器类似，如下图 2.1.3所示。其中二次绕组和仪表、继电器的以及电流线圈串接组成这里的闭合回路。因为仪表、继电器的电流线圈阻抗很小，故 TA工作时二次回路接近于短路的状态。TA的额定变比为K=I1N/I2

25、N=N2/N1（2.1.3）图2.1.3 电流互感器原理图式中（2.1.3）： K-电流互感器的变比；I1N-一次线圈的额定电流；I2N-二次线圈的额定电流，一般规定为5A；N1-一次线圈的匝数；N2-二次线圈的匝数。8 2、分类及型号按接线方式可以分为单相、三相星形；按原理分，有电磁式、电子式的；按用途分，有测量用的和保护用的；按用途分，有保护用和测量用两种。3、电流互感器的选择和校验电流互感器应按以下条件选择：（1）其额定电压应不小于供电电网的额定电压。（2）所接线路的额定电流大于或者等于其额定电流应。（3）其类型应和具体安装位置的工作条件及环境条件相适应。4、电流互感器使用注意事项（1）

26、电流互感器二次侧不能开路。（2）电流互感器连线时，一定要注意其端子的极性，要不然其二次侧所接继电器或者仪器中经过的电流就不是理想的电流，这样一来导致误测量，二来引起不必要的事故。5、本设计采用的电流互感器接线方式TA通常连在 A、C相上，这样的接法也叫做两相不完全星形接线，中性点不接地的三相三线制电路中（如 6-10kV高压电网电路中）普遍使用这种接法的。两相 V形（两相两式）连线如图 2.1.4所示。图2.1.4 电流互感器两相V形接法9 2.1.4 电压、电流测量回路1、降压变压器（降压站）（1）变电站的一次回路我们需要多大的电网容量，相应的发电站就会生产相应等级的更大的电网值，那部分的电

27、路就是通常人们所说的电网回路 。7（2）变电站的二次回路变电站的二次回路是包含：测量回路、保护回路、控制回路及调节保护回路等部分。其中测量回路包括：计量测量和保护测量，负责指示和记录一次设备的运行参数。控制回路则是通过控制开关设备的合与跳实现电气设备的投入和退出。2、测量回路这里我主要阐述测量回路和保护电路，测量回路分为电压回路与电流回路8。设计的要求是测量电网的电压、电流值。（1）电压测量回路一方面本设计是以中压10kV 电网为测量对象，线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的，需要通过电力变压器来转换，这里我们选用降压站。一般所谓的10kV线路是指线电压而言，即A-B、B-C、C-A

28、相之间的电压为10kV，所以仅接入一台电压互感器即可同时检测到2相线路。3kV以上高压电网首先通过电压互感器(TV)将各类高电压变为可测量的统一的100V 电压。电压表并接在100V电压母线上。在互感器模块中，我采用了GB1207-2006标准中JDJ-10型的电压互感器（单相，额定频率50Hz,其中一次绕组A和B相之间的电压为10kV,二次侧绕组的额定电压为100V,0.5级的精度标准）。本设计采用的电压互感器测量范围为10kV 左右的高压交流电，我同时考虑电压波动的影响以及ADC0809芯片的电压范围为-5V- +5V，在TV二次回路后加一个电压分组电路即可把 100V 直流电压信号变成+

29、5V 的信号。测量电路如图2.1.5所示。10 图2.1.5 电压转换电路（2）电流测量回路在发电、变电、输电、配电及用电的电路路中电流大小不一，小的几安，大的到几万安都有，为便于测量需要转换为统一的数值来才好 。在这里电流互感9器就起到电流变换为主要作用。电流二次回路的流过的电流值就是电流互感器（TA）的二次侧的固定的一个值为5A。由于电流互感器输出的是电流信号，需经过电流/电压转换电路变成电压信号，以满足A/D对采样信号的要求。这里我采用运放知识，充分利用运放的“虚短”和“虚断”的概念，将 5A 左右的电流信号转换为电压信号，如下图 2.1.6电路：图2.1.6电流转化为电压电路图11 2

30、.1.5 互感器模块采集电网参数电路图图2.1.7 电网数据采集接线图2.1.6 监测与保护电路设计1、熔断器保护熔断器的基本工作原理就是当主电路出现短路故障或是过电流时，它的熔体被熔断，使接在高压引出线或串接在被保护的电气设备免受过电流的损害。本设计中就需要考虑到三相电相与相之间或是一相与地之间可能发生短路，产生很大的电流，用断路器就可起到保护电路；另一方面，由显示电路显示的电网参数及和被测电网相比较，当出现测得电流过大时，产生过负荷，这时熔断器也可实现过负荷保护21。2、开关保护在此次设计中，我在一次高压电路中采样了高压负荷开关，它的功能就是通过自身简单的灭弧装置，来通断一定的负荷电流；本

31、身带脱口器的负荷开关在负荷过大的情况下可自动跳闸。故具有隔离高压电源、保障电路安全的优势。2.1.7 频率的测量1、测量频率的意义频率直接反映了电能质量，生活中如电机旋转，电网测试都需要频率这一指标的。2、测量频率的方法三种常用的测量方法：（1）比较法。即通过与标准频率相比较，求出被测频率值，是一种准确度比较高的测量方法。12 （2）无源测量法。即任何一种无源网络，如果其频率特性存在极值，这种网络都可以用来测量频率。（3）计数法。即利用标准频率与被测频率进行比较来测频，是一种比较广泛的使用的方法。3 、用谐振法测量频率这里我采用无源测量法中的谐振法来测量频率。（1）谐振法测量频率的原理11：L

32、C 谐振电路在频率等谐振频率时，频率特性有一个峰值；被测频率通过互感线圈与一个谐振回路耦合，调节回路的可变电容 C，如图 1所示，则回路中的电路 i和电容器端电压UC 就会发生变化，当回路谐振时，即f=f0=1/2* LC的二次方根电流i和电压UC达到最大值，根据谐振时的L、C值求得被测频率f。（2）谐振测量法实质：事先用标准频率对可变电容进行刻度，然后反过来用C的调节柄位置确定被测频率值，整个过程就是一个比较的过程。（3）本方法类似频率计的原理如图2.1.8。（4）谐振法测量频率的电路图2.1.9。图 2.1.8 频率计原理图13 图2.1.9 谐振法测量频率的电路图2.2 模数转换（A/D

33、）模块2.2.1 ADC的定义A/D转换，顾名思义就是模拟信号转换成数字信号的过程，很好理解，也可认为是一个整流的过程。而ADC是一种通过某种电路将模拟量转换为与之成比例的数字量的器件，大规模集成电路技术的发展给了设计者们设计芯片的空间。基于输入到A/D转换器的输入信号必须是电压信号，故本设计要测量的电流信号就需要通过功放电路转换为电压信号12。另一方面ADC的输出的数字信号有8位、10位、12位的。再者整个转换的过程是模拟信号先经过采样将时间离散化，再通过保持过程，再经过量化过程即对幅值离散化，最后通过编码过程输出输出信号。2.2.2 A/D转换芯片的选择1、根据A/D转换器性能指标选型（1

34、）分辨率转换器所能分辨的模拟量的最小信号的能力，用二进制表示。（2）转换时间和转换速率（3）量程它指的是A/D所能转换的电压范围，比如0-5V。（4）线性度14 线性度是指实际输出值和理论值之间的最大差值，不包括满刻度误差、量化误差及偏移误差。（5）量化误差由A/D转换器的有限分辨率而引起的误差，通常即指1个或半个最小数字量的模拟变化量。在此设计中，上一模块互感器模块最终输出电压为-5v-+5v，作为此模块的模拟输入电压，这里我选用ADC0809芯片。2、ADC0809的选用在初步了解了ADC芯片的性能指标之后，我开始考虑选用怎样一种类型的芯片才好。回想到大四学过的一门单片机课里有这个芯片介绍

35、，所以赶紧找到了此书。我采用了里面写到了ADC芯片与单片机的典型应用的例题，故就选择了课本上的ADC0809芯片。另外，ADC0809是逐次逼近式的，相对其他类型A/D转换器速度较快且精度较高13。它的分辨率为8位，采样正+5V电源供电，里面带有一个8路通道的转换开关，是对8路中的任意一路模拟信号进行转换的。它的芯片管脚图如图2.2.1所示，采用DIP28封装。管脚功能介绍如下：（1）IN7IN0:八路模拟量输入通道。（2）ALE:锁存地址输入端 。（3）START:转换启动。（4）C、B、A:地址线、通道端口选择线。选通IN7IN0中的一路模拟量，其中C为高位。（5）CLK:时钟输入信号引脚

36、。ADC0809外接时要求钟频率为10kHz-1280kHz，一般都送入640kHz。（6）EOC:转换结束脚，高电平有效。（7）D7D0:8位数据输出线。（8）OE:输出允许管脚,当高电平时有效，允许转换结果从A/D转换器的三态输出锁存器输出数据。（9）VCC:+5V电源。（10）VREF:参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。它的典型值为+5V(VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V),一般与VCC相连。15 12345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STEOCD3OEC

37、LKVCCVREF+GNDD1IN2IN1IN0ABCALED7D6D5D4D0VREF-D2图2.2.1 ADC0809管脚图3、8051单片机与ADC0809连接会遇到两个问题。我的第一个问题是模拟信号通道的选择，第二个问题是A/D怎么传送转换好的数据的选通的通道间的关系如下表1所示：表1 通道选择表14。C、B、A地址与C00001111B00110011A被选择的通道0IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7101010116 2.2.3 A/D模块和单片机模块硬件连接图2.2.3A/D模块与单片机模块连接图两个过程：51单片机的P2.7口起到了控制作用。1、两路模拟通道的选择

38、当P2.7口写入（WR有效）时，脉冲的上升沿使ADC的ALE端有效，即地址开始锁存（这确保 ADC0809 能将数字量送入该单片机中的）：将模拟通道的选择信号A、B、C低3位地址分别接A2、A1、A0端，也即51的P0.0、P0.1、P0.2口，并由此选择IN0-IN7中的一路进行转换。同时，因为STARET管脚和ALE管脚连接在一起，故脉冲的下降沿来到时，将清除逐次逼近寄存器，就会开始启动A/D转换2、转换数据的传送15。当P2.7口读入（WR有效）时，此时低3位地址已无意义，ADC的OE端有效，保存A/D转换器转换结果的自带输出三态锁存器打开，把数据送上给单片机的数据总线。最后我们通过查询

39、方式来确认A/D转换是否完成，即通过测试ADC0809的EOC端，若此信号有效（EOC=1，注意到P2.7口才有效），转换已结束，并接着进行数据传送了。17 2.3 控制器模块2.3.1 单片机最小系统1、最小单片机系统单片机最小应用系统，指的是能让自己工作起来的所必须的最基本的条件的部件组成，本设计使用的系统包括：单片机、晶振电路以及复位电路就够了。2、晶振电路晶振可以说是单片机的大心脏，没有它就无法实现工作，有外部晶振和内部晶振之分。典型的晶振值取 11.0592MHz 或者 12MHz，电路组成如图 2.3.1 所示。图2.3.1 晶振电路3、复位电路单片机在开机时都需复位，同时重新启动

40、时也需要它。外部电路在其 RET脚产生 24 个时钟周期以上的高电平时，单片机内部初始复位16。为了使单片机能够正常复位，必需使复位脉冲宽度保持2s 以上。手动复位电路如图 2.3.2所示。图2.3.2 复位电路系统的复位电路由+5V电源供电，在电阻上获得正脉冲，维持脉冲的宽度为18 10us,便可使单片机复位。手动复位是通按下键SW，电源开始对电容C充电，这时 RST 端迅速达到高电平；而松开 SW，电容向外放电，即恢复为低电平，此时单片机得到可靠复位。2.3.2 MCS51单片机（1）MCS51单片机简介MCS51单片机我所学单片机知识8051最为常见，所以我选择51单片机来完成此次设计。

41、由中央处理器、只读存储器、随机存储器、并行口、串行口和中断系统等组成，这种系列单片机采程序存储器和数据存储器是分开的。（2）单片机各部分组成及主要特性如下：1.中央处理器，由控制器和运算器组成。然后它的特性主要有：它是8位的；具有位寻址的功能，即布尔代数处理器；内部是单字节指令；+5V电源供电，40引脚DIP封装。2.存储器，显而易见就是存储东西的，它有片内和片外之分，又有程序和数据存储器两大类，然后它的特性就是片内的集成在芯片内部，片外的通过电路板的三总线与51相连接17。3.I/O接口，也叫输入/输出端口，它们是51和外界联系进行信息交换、控制的必经途径，分为串口和并口之分，串口是一位一位

42、地传的，而并口是将数据同时传送。4.定时器/计数器，它们均由两个8位的寄存器组成，通过指令可以对它们存取数据。5.中断系统，当发生计算机的中断时，CPU暂时停止原来程序的执行，立刻为外围设备服务，即执行中断服务程序，在执行完这一过程后又回到原来的程序继续下去。（3）MCS51单片机的工作方式1.复位方式：51单片机在我使用它工作时都需要通过这种方式进行。2.程序执行方式：分为连续与单步执行。简单地说单步执行就是在执行一条程序时，就可以逐步检查程序，立刻发现问题并解决问题；而连续就是51按程序事先排好的任务，自动连续地执行下去。3.节电方式：节电就是降低功耗 ，让单片机低功耗工作。19 4.编程

43、和校验方式：一般我们从P0口写入编程信息，再由片内EPROM内容来校验内容的准确程度。（4）MCS51引脚图见图2.3.3图2.3.3 MCS-51系列单片机逻辑管脚图具体引脚的功能说明如下：（1）电源线：1.VCC（40引脚）：接正电源，+5V为正常工作电压；2.GND（20引脚）：接地；（2）端口线：1.P0口（P0.0P0.7，3239引脚）：51单片机的P0口可作为通用I/O接口使用来驱动8个TTL输入；也可作为数据/地址总线口使用。2.P1口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口每一位均可作为输入线或者输出线使用的，如果作为输入，锁存器必须变成1。它的每个引脚只能驱动4个TTL负载。

44、3.P2口（P2.0P2.7，2128引脚）：它一般作为外部存储器的高8位地址，如果P2口不用作地址接口时，也可作为通用I/O接口使用，故它是一个准双向I/O接口。4.P3口（P3.0P3.7，1017引脚）我们一般用作I/O接口功能用，它的功能和P1口功能基本相同。(3)控制线：1.RST（9引脚）：复位信号引脚。+5V电源给51芯片供电时，时钟电路开始工作，此时在此引脚上会出现24个时钟周期以上的高电平，即系统开始复位。2.ALE(30引脚)：地址锁存允许信号。3.PSEN（29引脚）：片内ROM选通线。20 4.EA/VPP:它们分别代表允许访问外部程序存储器/编程电源线。51内部程序存

45、储器内存超过4KB地址时，就会读取外部程序存储器指令 。这里的复用引脚功18能体现在：在Flash编程期间,EA也接收12V的编程电压。2.3.3 蜂鸣器报警电路蜂鸣器的报警电路的设计由一个三极管和一个蜂鸣器组成。当电流和电压超过正常范围，单片机将给予一个高电平，蜂鸣器报警，并在液晶屏上及时做出提示。当电流和电压正常范围内时，单片机输出信号为低电平，蜂鸣器不工作。与单片机的连接如图2.3.4所示。图2.3.4 报警电路2.4 显示模块2.4.1 LCD12864液晶显示模块简介1、定义：我使用的这种分辨率是很高的液晶显示模块，再次想实现全中文人机交互图形界面，只要利用自身灵活的接口方式和简单方

46、便的操作指令即可实现，拿该液晶显示原理与其他液晶显示原理相比较，一方面价格是低于其它液晶模块的，更重要的一方面是硬件电路结构和显示程序要简单点2、基本特性：12。（1）低电源电压供电：+3.0V- +5.5V；（2）显示分辨率：128×64 点；（3）2MHz的时钟频率；（4）视角方向：6 点；（5）背光方式：功耗为普通LED 的1/5甚至只有1/10，侧部白色LED；21 （6）无需片选信号，简化软件设计；（7）内置DC-DC 转换电路故无需外加负压；（8）通讯方式：串行、并口均可使用。2.4.2 模块主要硬件构成说明控制器接口信号说明：1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种

47、模式；2、E信号如下表2：表2 E信号功能表E状态高>低高执行动作I/O缓冲送给DRDR送给I/O缓冲无动作结果配合W写数据或者指令配合R读数据或者指令无动作低/低 >高2.4.3 模块接口说明表3 模块接口说明表管脚号管脚名称 电 平管 脚 功 能 描 述电源地123VSS0VVCC 3.0- +5V电源正V0-对比度（亮度）调整RS=H,DB7至DB0数据的显示RS=L,DB7至DB0指令数据的显示R/W=H,E=H,数据被读到DB7至DB0R/W=L,E=HL, DB7至DB0数据被写入IR或者DR使能信号4RS(CS） H/L5 R/W(SID) H/L6 E(SCLK) H/L78DB0DB1DB2DB3DB4H/LH/LH/LH/LH/L三态数据线三态数据线9三态数据线1011三态数据线三态数据线22 1213141617181920DB5DB6DB7NCH/LH/LH/L-三态数据线三态数据线三态数据线空脚RESET H/L复位端，低电平有效LCD驱动电压输出端背光源正端（+5V）背光源负端VOUT-AKVDDVSS注：字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表4所示。表4 液晶屏显示地址对应的数据及文字80H电 压