1、基于单片的模拟电网数据采集系的方案设计书基于单片机的模拟电网数据采集系统的设计【摘要】MCS-51是八位单片机的一个系列，其灵活性和可靠性受到了广大使用者的青睐。本设计就是利用MCS-51系列单片机来模拟一个电网数据采集和当地显示的小系统，涵盖了MCS-51中断系统、内部定时器、键盘扫描和LED显示、并行I/O口、/D变换等知识。其主要四大硬件电路包括单片机对开关量的输入与显示，对A/D转换器的接线，对键盘和LED的接线，对继电器的超限控制；整个硬件电路连线简单，可靠性高。【关键词】：MCS-51系列单片机,四大硬件电路ABSTRACTMCS - 51 SCM is one of the ei
2、ght series, in the series contain dozens of specific models of these types of single-chip microcontroller, very much the same, and internal structure has the same command system and working principle, flexibility and reliability by both the users favor. This design is to use the MCS - 51 series micr
3、ocontroller to simulate A grid data acquisition and local show small system, covers MCS - 51 interrupt systems, internal timer, keyboard scan and LED display, parallel I/O mouth, A/D transformation such knowledge. Its main four hardware circuit including the monolithic integrated circuit to switch q
4、uantity input and display of A/D converter of wiring, the keyboard and LED the wiring of the off-gauge control, of relays, The whole hardware circuit attachment is simple, high reliability. This paper mainly introduces the design of hardware and software of the design.【KEY WORD】:MCS- 51 series micro
5、controller, four hardware circuit三、硬件设计23. MCS-51的最小系统44.MCS-51的复位状态5（二）输入与显示电路61.电路的原理图62.工作原理与实现功能6（三）继电器的超限控制电路71.电路的原理图72.工作原理与实现功能7（四）A/D转换电路71.电路的原理图72.工作原理与实现功能7（五）键盘输入与LED显示电路81.电路的原理图82.工作原理与实现功能8四、软件设计9（一）RAM单元的地址分配9（二）总体程序流程框图10（三）系统总程序11总结20附录一：Protel图21附录二：PCB图22参考文献23致谢24一、引言（一）课题研究的背景
6、、意义随着社会生产力的发展，加快了信息社会的建设，电网数据的采集显得尤为重要。可以用于满足电网安全监测的需要，分析电能在实际应用中的质量，用于一些数据的统计等。模拟电网数据采集系统的设计涵盖了单片机、电路基础、数电、模电等学科，同时还得利用Protel软件制作印制电路板等。其中单片机最重要，涵盖了MCS-51中断系统、内部定时器、键盘扫描和LED显示、并行I/O口、A/D变换、串行发送和接收等知识。所以本课的题设计具有一定的参考价值，充分利用电能，服务于社会。（二）国内外研究动态 2008年3月，美国科罗拉多州一座小城波尔得建成了美国第一座智能电网城市。目前美国多个州都对此项技术表示出浓厚的兴
7、趣，并开始设计智能电网系统，通用电气、IBM、西门子、谷歌、英特尔等信息产业龙头也瞄上了此间的商机，都已投入智能电网业务。（三）课题主要研究内容本课题是一个电网数据的模拟采集和当地显示的小系统，是MCS-51通过内部定时器、中断系统功能、键盘扫描和LED显示、并行I/O口、A/D转换器进行接口的综合性课题。二、总体设计（一）总体设计思想 以MCS-51系列单片机为核心，通过四大硬件电路输入与显示电路、继电器超限控制电路、键盘输入与LED显示电路、A/D转换电路来达到控制的目的。是MCS-51通过内部定时器、中断系统功能、键盘扫描和LED显示、并行 I/O口、A/D转换器进行接口的综合性课题。通
8、过连接各个部分，从而达到对电网数据的采集。（二）总体框图（如图2-1所示）图 2-1 系统总框图三、硬件设计（一）MCS-51系列单片机1.MCS-51的硬件结构(1)CPU结构模块该单片机中有一个高性能CMOS8位微控制器，包括运算器和控制器两部分。(2)存储器结构模块 RAM：片内为128B，片外最多可外扩至128B，共256B，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。ROM：片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。(3)定时器/计数器片内有3个16位的定时器/计数器
9、，具有四种工作方式。(4)中断系统5个中断优先级2层中断嵌套中断。(5)串行口2个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。(6)P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。2.MCS-51的引脚功能MCS-51系列单片机都采用40个引脚的双列直插封装方式，引脚如图3-1所示，包括2个电源引脚、2个时钟引脚、4个控制引脚、32个I/O口。 图 3-1 MCS-51单片机引脚图 (1)电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源正端。 Vss（20脚）：接地端。(2)时钟引脚XTAL1（19脚）
10、：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOS型而言，此引脚应该接外部时钟的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对HMOS型的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型而言，此引脚悬空。(3)控制引脚EA非/Vpp(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端 。当EA非接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动去执行片外ROM指令；当接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。该引脚的第二功能Vpp是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压
11、的输入端。ALE/PROG非（30脚）：地址锁存有效信号输入端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。PSEN非（29脚）：片外程序存储器读选信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN非信号将不出现。RST/Vpd：RST即为RESET，Vpd为备用电源。该引脚为单片机的
12、上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作使单片机回到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上的高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当Vcc发生故障时，降低到低电平规定时或掉电时，该引脚可接上备用电源Vpd（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。(4)I/O引脚P0口（ P0.0P0.7）（3932脚）：P0口的8位双向I/O口线，P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口使用。当CPU片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。
13、P1口（P1.0P1.7）（18脚）：P1口的8位准双向I/O口线，P1口作为通用的I/O口使用。P2口（P2.0P2.7）（2128脚）：P2口8位准双向I/O口线，P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。P3口（P3.0P3.7）（1017脚）：P3口的8位准双向I/O口线。P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。3.MCS-51的最小系统（如图3-2所示）MCS-51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用MCS-51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接
14、上时钟电路和复位电路即可，如图3-2 MCS-51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量I/O口线；内部存储器容量有限；应用系统开发具有特殊性。图 3-2 MCS-51最小系统图（1）时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内部各种操作的时间基准。单片机内部有一个高增益的反相放大器，其输入端XTAL1和XTAL2用于外接晶体和电容，以构成自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路，外接电路如图 3-3（a）所示。内部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内，如图 3-3（b）所示。图3-3（a）内部方式时钟电路图3-3
15、（b）外部方式时钟电路本设计所采用外部方式时钟电路,当外加信号时，时钟电路会产生相应的基准信号，再按下EXEC键后进入“待命状态”，此时系统成为一个电脑时钟，LED显示相应的时间，外加信号正是通过外部方式时钟电路到达系统的。（2）复位电路MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声，输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。本设计采用按键手动复位电路，电路见图3-4。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。图3-4 MCS-51的按键手动复位电路4.MCS-51的复位状态如表3-1所示：表 3-1各
16、特殊功能寄存器复位后的初始状态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HIPXXX0 0000BTH100HIE0XX0 00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCON00HSBUFXXXX XXXXBP0P311111 111BPCON0XXX XXXXB（二）输入与显示电路该部分以单片机8255为核心，主要用8031和8255来连接开关组和发光二极管，8255各端口地址的分配也在其中指明，如图 3-5 所示。8255端口的地址分配：A口 FF28HB口 FF29HC口 FF2AHD口 FF
17、2BH1.电路的原理图图3-5 8255和开关组及二极管的连接2.工作原理与实现功能8255单片机利用MOS工艺，高速、高密度，当PB7-PC0分别与L8和L1相连以及PB7-PC0与K8-K1相连后，开启电源，在系统机上输入所编写的实验程序，机器汇编后装入DVCC-52S用户仿真区RAM，按下EXEC键执行程序，拨动K1-K8，观察L1-L8是否跟随点亮。当闭上开关，信号进入单片机8255内部由相应的程序来控制,使之到达相应的二极管。信号的复位由单片机8031来控制，电路图中二极管共阳极，高电平有效。本系统共有三种工方式：方式0、方式1、方式2，而本电路就是提供这三种工作方式，系统采集开关量
18、（由K1K8设定）并点亮相应的氖灯L1L8，使系统工作在对应的状态下。具体工作在何种状态下，由“键盘输入与LED显示电路”来进行选择与说明。氖灯L1L8就是分配给这三种工作方式的，可以从键盘来选择任意一种工作状态。（三）继电器的超限控制电路1.电路的原理图利用8031与继电器M1来实现，对被采集的模拟电压进行超限控制，当超出范围时，继电器就会自动合上。如图 3-6 所示：图3-6 8031对继电器的超限控制2.工作原理与实现功能把模拟电压的范围设定在1V-4V，本电路就是当超出设定的范围时，图中开关S1就会自动吸合，当信号达到单片机8031时，内部程序会根据相应的要求来控制电压的大小。此时继电
19、器就会自动合上，来达到控制的目的。8031单片机利用MOS工艺，高速、高密度且低耗能，把P1.0与JIN相连，把继电器的常开触点与L2相连，当P1.0为高电平时，继电器就会闭合，即达到控制的目的。（四）A/D转换电路1.电路的原理图 利用ADC0809与8031来实现，图中的译码器74LS138的连接在PCB中体现，电路连接如图3-7所示。图3-7 A/D转换电路2.工作原理与实现功能ADC0809是一种易于维护且操作简单的单片机，把W1与ADC0809的IN0相连，把译码器的输出端FE00与CS4相连，当输入程序后，调整变阻器W1观察LED2LED0上是否会在0.005.00V之间变化,当超
20、过0.005.00V，可以采用设置断点法来调试程序,即通过改变程序的初始值来达到满意的状态。当继电器对电压进行限控时，由于产生的是模拟电压，不能达到控制的目的，此电路就是把对应的模拟量转换成相应的数字量。进行转换的原式为： 5/255 = X/数字量，X = 数字量*5/255 = 数字量/33H 因为 0.00 X 5.00V 所以 100 数字量*100/33H对100X进行BCD转换，显示时通过加小数点将其缩小100倍，对100X进行BCD转换的方法为：先对50X进行BCD转换，然后把得到的BCD码再扩大一倍。（五）键盘输入与LED显示电路 1.电路的原理图采用8155与8031来控制，
21、本设计LED采用共阳字形码，电路如图3-8所示。2.工作原理与实现功能 本电路就是对来自转换电路的数字量进行显示，以及提供输入与显示电路选择按键，如：三个方式、待命状态等。用于显示电脑时钟来进行时间的控制。 当有信号来的时候，从CE非进来以后，8155进行控制，再把对应的程序输入系统，然后手动按下每个键，观察LED低2位所显示的值。令LED右边两位显示FF（8155的初始化）当按键扫描完子程序时，把A中的低四位送给79H，把A中的高四位送给7AH，再返回原有的程序中。图3-8 键盘输入与LED显示电路四、软件设计（一）RAM单元的地址分配系统的时、分、秒和1/20秒存放单元、显示缓冲区单元、开
22、关量存放单元、位控制用字节单元以及地址存放单元和被发送/接收的存放单元等规定如图4-1所示。图 4-1 RAM单元的地址分配（二）总体程序流程框图，如图 4-2 所示：总体程序流程框图是本设计的主线，它对于程序的来源非常重要。首先初始化，把2FH单元清零，询问2FH位是否为零，为零时送拆字程序，否则送暗码程序。拆字程序方面：当送往拆字程序后，通过功能选择键来哪一路电路即：方式0、方式1、方式2，每一种方式电路都对应不同的显示。在此过程中如果有电压超限，则继电器动作，之后在返回显示程序。暗码程序方面：不清零则通过开关作用使它清零，然后在通过A/D 转换程序把相应的模拟量转化为对应的数字量，在把送
23、到对应的显示程序。F键为方式选择键，按下此键后系统进入方式选择状态。图 4-2 总体程序流程框图（三）系统总程序 ORG 000BH LJMP TINTSN ORG 0030HTINTSN: PUSH ACC ；保护现场 PUSH PSW MOVTH0,#9EH ；重送T0初值 MOV TL0,#63H INC 23H ；1/20秒单元加“1” MOV A,23H CJNE A,#14H,RETN ；若1s未到，则转RETN MOV 23H,#00H ；否则，1/20秒单元清零 MOV A,22H ；秒单元加“1” ADD A,#01H DA A MOV 22H,A INC 24H ；1秒切换
24、单元加“1” CJNE A,#60H,RETN ；若1min未到，则转RETN MOV 22H,#00H ；否则，秒单元清零 MOV A,21H ；分单元加“1” ADD A,#01H DA A MOV 21H,A CJNE A,#60H,RETN ；若60min未到，则转RETN MOV 21H,#00H ；否则，分单元清零 MOV A,20H ；时单元加“1” ADD A,#01H DA A MOV 20H,A CJNE A,#24H,RETN ；若24h未到，则转RETN MOV 20H,#00H ；否则，时单元清零 RETN: POP PSW ；恢复现场 POP ACC RETI OR
25、G 0100HSTART: MOV 2FH,#00H ；清零标志 MOV SP,#50H ；令栈底地址为50H MOV A,#03H ；令8155的A、B口为输出，C口为输入 MOV DPTR ,#0FF20H MOVX DPTR,A MOV A,#89H ；令8255的C口为输入，B口为输出MOV DPTR,#0FF2BH MOVX DPTR,A MOV TMOD,#01H ；令T0定时50ms MOV TH0,#9EH MOV TL0,#58H SETB EA ；开T0中断 SETB ET0 SETB TR0 ；启动T0工作MAIN: JB 7FH,SBCODE ；若（7FH）位=1，则S
26、BC0DENEXT： ACALL BCDEX ；转拆字程序NEXT1： ACALL DISPLAY ；转显示程序 MOV DPTR,#0FF21H MOV A,#00H MOVX DPTR,A ；令键盘所列为低电平 MOV DPTR，#0FF23H MOVX A,DPTR ；读键盘行值 ANL A,#0FH ；屏蔽高四位 CJNE A,#0FH,NEXT2 ；若有键按下，则转NEXT2 SJMP MAIN ；若无键按下，则转MAINNEXT2：ACALL KEYSCAN ；转键扫描子程序 CJNE A,#0FFH,NEXT3 ；若有键按下，则转NEXT3 SJMP MAIN ；若无键按下，则转
27、MAINNEXT3: CJNE A,#0AH,NEXT4 ；被按键是功能键吗？NEXT4： JNC FUNC ；若被按键是功能键，则转FUNC ANL A,#03H ；否则，屏蔽高六位 JNZ DIGIT ；若非数字键0，则转DIGIT SETB 78H ；若非数字键0，则（78H）位=1 CLR 79H ；（79H）位=0 CLR 7AH ；（7AH）位=0 SJMP MAINDIGIT： JB ACC.0,DIGIT1 ；若为数字键1，则转DIGIT SETB 7AH ；若为数字键2，则转（7AH）位=1 CLR 78H ；（78H）位=0 CLR 79H ；(79H) 位=0 SJMP
28、MAIN DIGIT1： SETB 79H CLR 78H ；（78H）位=0 CLR 7AH ；(7AH) 位=0 SJMP MAINFUNC: CJNE A,#0FH,NOTF ；若非F键，则转NOTF MOV 2FH,#00H ；若是F键，则（2FH）=00H SETB 7FH SJMP MAIN NOTF： MOV 2FH,#00H SJMP MAINSBCODE： MOV R0,#79H ；给79H7EH送暗码10H MOV R2,#06H MOV A,#10HLOOPPDS: MOV R0,A INC R0 DJNE R2,LOOPPDS JB 78H,MODE0 ；若为数字键0，
29、则转MODE0 JB 79H,MODE1 ；若为数字键1，则转MODE1 JB 7AH,MODE2 ；若为数字键2，则转MODE2 MOV 79H,#0FH ；若为F键，则0FH=79H SJMP NEXT1MODE2: MOV A,24H ANL A,#03H CJNE A,#02H,MNEXT1 ；若2S未到，则转嘛呢系统 CPL 7EH ；若2S以到，则7EH=7EH非 MOV 24H,#00H ；清2秒钟单元MNEXT1： JNB 7EH,MODE0 SJMP MODE1MODE0： MOV A,#00H ；显示缓冲区高位显示“0” MOV 7EH，A SJMP MODEMODE1:
30、MOV A,#01H ；显示缓冲区高位显示“1” MOV 7EH,AMODE: ACALL READAD ACALL READP1 MOV A,2EH CJNE A,#33H,CX1CX1： JNC CX CJNE A,#33H,CX2CX2： JC CX SETB P1.0 SJMP SBCRETCX： CLR P1.0 ；继电器吸合 SBCRET：AJMP NEXT1BCDEX： MOV R3,#03H ；对时分秒单元内容拆字，并送显存 MOV R0,#79H MOV R1,#22HLOOP： MOV A,R1 ANL A,#0FH MOV R0,A INC R0 MOV A,R1 SWAP A ANL A,#0FH MOV R0,A INC R0 DEC R1 DJNZ R3,LOOP RETDISPLAY: MOV R3,#00H ；显示子程序 MOV R0,#7EH MOV B,#20H MOV DPTR,#0FF22H MOV A,#0FFH MOVX DPTTR,ADISPLAY0:MOV A,B MOV DPTR,#0FF21H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#TAB1 MOV A,R0 MOVC A,A+DP
