单片机在工频检测上的应用

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2013-4-5 第三章 系统硬件设计

(一) 系统的结构

(1) 本设计采用INTEL公司的8051单片机作为处理器，系统主要由信号采集、采样及A/D转换、显示等几个功能模块组成。整个系统的框图3.1所示。 U(t) 电压互感器 信号调理 I(t) 电流互感器 信号调理 标准电压 通道采样保持A / D转换 8 0 5 1 单片机 显示电路 图3.1 系统的结构图

系统主要由信号输入电路、采样及A/D574转换电路、单片机8051、显示电路等几部分组成。信号输入电路即电压、电流信号输入处理电路，主要由电压互感器、电流互感器等组成，实现了外部信号与本系统的电气隔离，减小了外部电磁干扰，提高了电气安全性能和可靠性，并对输入信号进行线性变换。采样及A/D转换电路组成，有二路模拟输入通道。此部分电路将信号输入电路传来的信号进行A/D变换，将模拟输入量变成数字量，送给单片机进行处理。单片机电路是本系统的核心，将A/D变换器送来的数字量进行运算，得出被测信号的电流、电压、频率、相位、功率因数等的值进行实时显示。它的工作过程是把电力网上的被测交流电压、电流信号经过电压、电流互感器变换成交流小电流信号，信号调理模块采用A/D574转换电路把它变换成4-5V的交流电压信号。采样模块按事先确定的采样间隔对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换后存入数据存储器，等采样完预先确定的采样点数后采样过程结束，单片机对采样值进行数据处理。根据第二章中的算法，计算出电流、电压有效值，相位角、功率因数等参数，处理结果可以在数码管上显示，也可以通过液晶显示器显示。 (二) 系统硬件简介

(1).80C51单片机

Mcs—51系列单片机研制于1980年，由INTEL公司所开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，其ROM、RAM郁可扩充为64KB，也增加了如乘(MUL)、除(DIV)、减(SUBB)、比较(CINE)、栈入(PUSH)、栈出(POP)、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。Mcs—51系列单片机特点如r： ● 专为控制应用所设计的八位CPU

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2013-4-5 ● 32条双向且可被独立寻址的I/O门

● 芯片内有128字节可供储存数据的RAM

● 内部有两组16位定时器

● 5个中断源，且具有两级(高/低)优先权顺序的中断结构

● 芯片内有4KB(8KB／8052)的程序存储器(ROM) ● 芯片内有时钟(cLocK)振荡器电路

图3-3 8051管脚图

1.8051各引脚说明

I/O端门：P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7。

8051共有4个I/O端口，为P0、P1、P2、P3，4个I/O口都是双向的，且每个口都具有锁存器。每个口有8条线。共计32条I/O线。各端口的功能叙述如下：

P0 有三个功能：

? 外部扩充存储器时，当作数据总线（D0-D07）。 ? 外部扩充存储器时，当作地址总线（A0-A7）。

? 小扩充时，可做一般I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时

应在外部接上拉电阻。

P1 只做I/O使用，且内部有上拉电阻。 P2 有两个功能：

? 扩充外部存储器时，当作地址总线（A8-A15）使用。 ? 做一般I/O使用，其内部有上拉电阻。 P3有两种功能：

除了作为I/O使用外，还有第二功能。

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2013-4-5 VDD：电源 +5V。 VSS：GND接地。

RESET 此脚为高电平时，可将CPU复位。

ALE/PROG 〔ADDRESS LATCH ENABLE〕地址锁存使能信号端， 有二种功能； ? 8051外接RAM/ROM：ALE接地址8282(8212)的SIB脚，74373的EN脚，CPU

对外部储器进行存取时，用以锁存地址的低位地址。

? 8051外接RAM/ROM：在系统中未使用外部存储器时，ALE脚也会有1/16

石英晶体的振荡频率，可作为外部时钟。

2.MCS-51单片机的定时器/计数器的定时和计数功能:

MCS-51单片机共有两个可编程的定时器/计数器,分别称定时器/计数器0和定时器/计数器1.它们都是16位加法计数结构,分别由TH0(地址8CH)和TL0(地址8AH)及TH1(地址8DH)和TL1(地址8BH)两个8位计数器组成。这四个计数器均属专用寄存器之列。

? 计数功能 所谓计数是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以输入脉冲表示,因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。MCS-51芯片有T0和T1两个信号引脚,分别是这两个计数器的计数输入端。计数方式下,单片机在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。如果前一个机器周期采样为高电平,后一个机器周期采样为低电平,即为一个有效的计数脉冲。在下一个机器周期的S3P1进行计数。可见采样计数脉冲是2个机器周期进行的。鉴于此,计数脉冲的频率不高于振荡脉冲频率的1/24。

? 定时功能

定时功能也是通过计数器的计数来实现的,不过此时的计数脉冲来自单片机的内部,即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期,因此技术频率为振荡频率的1/12。如果单片机采用12MHZ的晶体,则计数频率为1MHZ。即每微秒计数器加1。这样不但可以根据计数器值计算出定时时间,也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的值。

在实际使用中,因为P0口线即作为地址线使用又作为数据线使用,具有双重功能,因此需采用复用技术,对地址和数据进行分离,为此在构造地址总线是要增加一个8位锁存器。首先由锁存器暂存并为系统提供8位地址,其后P0口线就作为数据线使用。

根据指令时序, P0口输出有效的低8位地址时,ALE信号正好处于正脉冲顶部到下降沿时刻。为此应选择高电平或下降沿选通的锁存器作为地址锁存器。故选用74LS373。

3. 80C51的结构组成

? 中央处理器

80C51单片机的中央处理器由运算器与控制器组成。同时还包括中断系统与

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2013-4-5 部分特殊功能寄存器。

? 存贮器

包括4K字节的程序存贮器和128字节内部数据存贮器。还可寻址外部程序存贮器和数据存贮器，各64K字节。

? I/0口

80C51单片机有32条I/0口线。四个并行工/0口(P0, P1, P2,P3)配置了全双工串行口UART, 2个16位的定时/计数器。 (2) A/D574转换器

AD574为12位高速A/D转换芯片,转换速度为25μS。转换精度为0.05％，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与COMS和TTL兼容。它采用逐次逼近式原理，内部逻辑由两部分组成：模拟部分包括12位DAC和0V参考电源;数字部分包括比较器、逐次逼近存储器、时钟、输出三态缓冲器及逻辑电路等。

图3-4 A/D574管脚图

主要特征:

1.片内电压基准和片内时钟。

2.转换时间25μS。

3.片内具有输出三态缓冲器,可以通用8位或16位微处理器直接接口。 4.输入模拟信号。单极性时为0— +10V或0-- +20V。 5.即可作为12位转换,亦可用做8位快速转换。 6.功耗390mW。 7.电源+5V。 /CS：片选信号。 CE：片启动信号。

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