基于单片机的电网数据采集系统的设计 I摘 要家庭和实验室中各种对电压要求比较高的电器和设备，在电压产生过高或者过低的波动时会产生误差或者损坏，此时必须对电压进行实时的在线监测。本系统采用凌阳 SPCE061A 单片机作为核心控制器件来控制的电压采集系统。利用霍尔电压传感器来对 220 伏，50 赫兹的电压信号进行数据采集。经电压调理电路的调理和滤波器的滤波得到适合单片机的直流电压信号，进行采样信号的分析和处理，并与设定的基准值相比较，对其结果用 LED 实时输出。本设计涉及语言学、计算机科学、信号处理、模/数电转换等诸多领域，在煤矿、生产制造都可广泛运用，该技术有非常广阔的应用前景。关键词：关键词：单片机，波动，监测，数据采集，滤波基于单片机的电网数据采集系统的设计 IIAbstractThis design is based on acquisition system with microprocessor controlled voltage. Home and laboratory on the voltage requirements of various electrical appliances and equipment relatively high, too high or too low in voltage fluctuations generated when errors or damaged, it is essential for real-time monitoring of voltage. The system uses Sunplus SPCE061A MCU as the core control device, using Hall voltage sensor on 220 volts, 50 Hz voltage signal data acquisition. The conditioning circuit filter conditioning and filtering by taking into account wave devices for single chip DC voltage signal, sampled signal analysis and processing, and with the reference value set by comparing its results with real-time LED output. The design involves linguistics, computer science, signal processing, analog / digital power conversion and many other fields, in coal mines, production can be widely used, the technology has very broad application prospects.Key word: SCM , volatility , monitoring , data collection , filtering 基于单片机的电网数据采集系统的设计 III目录目录1 绪论 .11.1 电压数据采集的现状 .1 1.2 电压数据采集的基本原理 .1 1.3 本系统设计的目的 .2 1.4 本系统完成的功能 .3 2 模块特性介绍 .52.1 SPCE061A 模块的介绍 .6 2.2 SPCE061A 单片机的介绍 .8 3 系统的硬件设计 .153.1 电压传感器的选择和设计.15 3.2 调理电路的设计 .17 3.3 二阶滤波器的原理及设计 .19 3.4 采样的方式和原理 .21 3.5 整个电路的绘制 .22 4 系统软件的设计 .254.1 编程语言的选择 .25 4.2 编程环境的介绍 .26 4.3 系统的程序 .28 5 采集系统调试与运行结果分析 .325.1 数据采集系统硬件的调试 .32 5.2 系统测试时出现的问题及解决方法 .33 5.3 小结 .33 参考文献 .34致 谢 .35基于单片机的电网数据采集系统的设计 11 绪论绪论随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实时性要求也愈来愈迫切。显然，不论在哪个应用领域中，数据处理越及时则经济效益就越大。例如在实时监控系统中，必然要求对测量数据实时处理。又如在新型飞机试飞中如能实现对某些关键数据的实时处理和监测，就能在这些数据发生异常变化时及时发现并采取措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。可见，实时处理数据意义是很大的。由于电子计算机技术和大规模集成电路技术的蓬勃发展，为提高数据处理的实时性提供了广阔的前景1。1.1 电压数据采集的现状 随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中己成为必不可少的部分。数据采集经过几十年的发展，已经成为一门很成熟的技术。但国内对电压在线监测装置的研究和开发起步较晚，大约 20 世纪 90 年代才逐渐开始，但其发展速度很快。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需的数据。同时，还可以用计算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被采集量，其中电压量的采集最为经常。电压的采集方法可以将一些处理模拟量的问题转化为处理数字量的问题。现代数字逻辑电路集成度越来越高，不仅有利于电网电压采集的小型化，更可贵的是能够提高可靠性。电网数据的采集从最早的指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表等，这些仪器仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性，但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而目前还在被广泛使用。随着单片机的出现和广泛应用，国外生产和制造仪器的各大公司纷纷把它用于测量仪器中，产生了仪器发展中的一次革命，研制出了各种智能仪器，由模拟电子线路实现仪器的信号测量，并由微处理器来增加仪器的功能，简化仪器结构。这类仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用2。1.2 电压数据采集的基本原理 数据采集一般主要完成两部分的工作:一是信号的采样，主要由采样/保持电路完成；二是采样值的量化，主要由 A/D 变换器完成。现在 A/D 的集成化很高，很多都内置了基于单片机的电网数据采集系统的设计 2采样/保持放大器和电压参考源等单元电路，为应用的简化提供了方便。模拟信号经过前置放大器放大后进入采集系统，先经过信号调理电路进行信号的放大、滤波、使信号的带宽限制在需要的范围内，并使信号的幅度与 A/D 的量程相匹配。经过以上处理后，信号被送入采样保持器进行采样，然后被模数转换器进行量化，量化后的数据被送入存储器进行存储或者以供处理。由电压传感器输出的信号是一个连续的模拟信号，要通过数据采集系统变换为单片机能够处理的信号。数据采集部分是整个测量部分的核心。它的整体设计和实现都要紧紧围绕着被测信号来考虑。根据采样定理，如果采样频率不够高，输入信号将会产生混叠现象，采样得到的数据将不能完全恢复出原始信号。为了能够恢复出原始信号，采样频率必须大于信号频率的至少两倍，一般工程上要求采样频率要比信号频率高 45 倍。也就是说，在被测信号经过前向通道降低为合适的电平被数据采集装置采集之后，转化的结果能否最大限度的逼近真实信号，取决于数据采集装置的采样速度。采集速度主要由数据采集装置的单片机的 A/D 转化系统决定。电压模拟信号进入数据采集部分后，先通过采样/保持器，再进行 A/D 转换。A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望 A/D 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度，采样/保持器的引入，大大