华北科技学院毕业设计（论文）
目录
设计总说明 .................................................................. III General Design Description .................................................... V 一 .绪论 ...................................................................... 8
1.1课题的研究背景 ......................................................... 8 1.2测量仪表的简介 ......................................................... 8 1.3 51单片机简介 .......................................................... 9 二.电参数测量的理论依据 ...................................................... 11
2.1交流电流、电压有效值的测量 ............................................ 11 2.2两相间相位差的测量 .................................................... 12 2.3 单相有功功率、无功功率、视在功率的测量 ................................ 13 2.4 三相有功功率的测量 .................................................... 14 2.5功率因数的测量 ........................................................ 14 三.方案设计 .................................................................. 15
3.1 使用功能要求 .......................................................... 16 3.2 仪器设计的总体框架和各模块的划分 ...................................... 16 四． 硬件电路设计 ............................................................ 18
4.1信号采集电路 .......................................................... 18
4.1.1 电压信号采集电路 ................................................ 18 4.1.2 电流信号采集电路 ................................................ 20 4.2整形电路设计 .......................................................... 20 4.3 A/D转换电路 .......................................................... 21 4.4 74ls138译码器 ....................................................... 31 4.5 A/D转换电路 .......................................................... 33 4.6显示电路设计 .......................................................... 34
4.6.1数码管的介绍 ..................................................... 34 4.6.2数码管结构 ....................................................... 36 4.6.3驱动方式 ......................................................... 36 4.6.4适用范围 ......................................................... 38
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基于单片机原理的多功能测量仪的设计
4.7 CD4511 ................................................................ 39
4.7.1引脚功能 ......................................................... 39 4.7.2工作范围 ......................................................... 40 4.7.3真值表 ........................................................... 40 4.7.4使用方法 ......................................................... 40 4.7.5锁存功能 ......................................................... 41 4.8 通信接口电路 .......................................................... 43
4.8.1 Rs485特点 ....................................................... 43 4.8.2接口 ............................................................. 43 4.8.3 rs485功能 ....................................................... 44 4.8.4 RS-485通信电路 .................................................. 45
五．系统软件设计 ............................................................. 46
5.1 程序模块的划分 ........................................................ 46 5.2 结构化程序的设计方法 .................................................. 46 5.3 软件模块 .............................................................. 47
5.3.1 主程序流程图 .................................................... 47 5.3.2数据采集子程序 ................................................... 49 5.3.3数据处理程序 ..................................................... 49 5.3.4 A/D转换程序 ..................................................... 51 5.3.5数码管显示 ....................................................... 52 5.3.6 RS485 ........................................................... 52
六．总结与展望 ............................................................... 54 附录A: 总电路图 .............................................................. 57 附录B: 总的系统框图 .......................................................... 58 附录C: 程序 .................................................................. 59 致 谢 ........................................................................ 64
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华北科技学院毕业设计（论文）
基于单片机原理的多功能测量仪的设计
设计总说明
随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压、电流、功率、功率因数等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。
利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。
本设计中所用的89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。这款单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉价。在本设计中，由于计算较为简单，电路灵活，这款单片机完全符合设计的要求，同时也使得设计更加的简单方便。
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题的方案。
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485
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基于单片机原理的多功能测量仪的设计
标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
将模拟信号转换为数字信号的电路称作模／数转换电路(或A／D转换电路)，模拟信号转换成数字信号要经历采样、保持、量化、编码4个过程。现在已存在单片集成电路能够完成模／数转换的功能，这种模／数转换的集成电路通常被称作模／数转换器。根据模，数转换器的转换原理不同，模／数转换器可分为逐次比较型模／数转换器、双积分型模／数转换器等几种。
双积分型A/D转换器的最大优点是工作稳定，抗干扰能力强。双积分型A/D转换器的数字输出与积分电阻R、积分电容C、时钟频率fcp无关，最大缺点是速度较慢，所以主要用于数字电压表等低速测试系统中。双积分型A/D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响。
电能测量仪将多个电能参数形成一体化仪表后，只携带一个仪表就能完成电压、电流、相位、功率、功率因数等多种功能真正做到全面准确地反映用电系统的电能质量。该仪器可以广泛适用于电力系统及相关行业继电保护和计量专业、工矿企业、石油化工、冶金企业的二次回路检查。它的出现简化了操作员的工作，同时也带来相当的经济和社会效益。 基于此，本文主要设计一个基于MSC-51单片机控制的交流电参数测量仪，此仪器可以测量交流电参数的电压，功率。
关键词：数字信号处理器；数据采集；RS485；A/D转换
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Based on the principle of multi-chip design measuring instrument
General Design Description
With the rapid development of the power system, power grid capacity is increasing, the structure more complex, real-time power system monitoring, scheduling automation is particularly important, and electrical parameters of the automated data acquisition is an important part of how to quickly and accurately capture system electrical parameters of each component (voltage, current, power, power factor, etc.) is to achieve power system automation is an important factor.
Using microcontroller programming method used to generate a low frequency signal whose frequency is the bottom line low. Has a relatively simple circuit, compact, inexpensive, high frequency stability, anti-interference ability, versatility, etc., and can fine-tune the waveform, improved waveform to meet the system requirements. As long as the circuit slightly modified to adjust the program to complete the feature upgrades.
Used in this design is an 89C51 microcontroller with 4K bytes of flash erasable programmable read-only memory, low voltage, high performance CMOS8 bit microprocessor. This single-chip EEPROM erasure can be repeated 100 times, using ATMEL high density non-volatile memory fabrication techniques, and industry-standard MCS-51 instruction set and output pins are compatible. Since the multi-8 CPU and flash memory combined in a single chip, ATMEL's 89C51 is an efficient microcontroller. 89C MCU as many embedded control system provides a high flexibility and low-cost price. In this design, the calculation is simple, flexible circuit, this single-chip fully meet the design requirements, but also makes the design more simple and convenient.
Smart meters in the early 1980s, with the chip technology matures and developed world is now being smart meter market is basically dominated by the instrument. The reason is the business information needs of enterprises in the instrument selection which is a necessary condition is to have the network communication interface. Originally a simple analog signal output process data amount, then the instrument interface is a RS232 interface, this interface can achieve point to point communication, but this approach can not be achieved networking. RS485 then appears to solve this problem.
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