基于单片机的电力监控系统设计【字数：10223】
摘 要 本文设计了一款智能电力监控系统，采用了自上而下的设计方法，将整个智能电力监控系统软硬件电路划分为交流电压电流采集电路、频率测量电路、功率因数测量电路、无功功率测量电路液晶屏显示电路、模数转换电路、报警电路等，在主控核心方案的选择方面则使用了STC89C51单片机作为控制器，使用了C语言编写了用于控制STC89C51单片机的程序代码，经过KEIL软件编译生成HEX目标文件后烧录到主控芯片中。通过单片机的控制作用，实现对当前电网中的交流电压电流的实时快速测量，能够将电网中交流电压的实时频率值计算并显示出来，与此同时还能够将功率因数以及无功功率等一些参数进行快速测量计算，通过高清晰度的液晶屏将这些参数显示给用户。经过仿真验证，本系统表现出稳定的工作状态。
目 录
第1章 引言 1
1.1 智能电力监控系统的发展背景 1
1.2 智能电力监控系统的国内外发展现状 2
1.3 本文主要研究内容 2
第2章 方案设计及元器件选择 4
2.1 智能电力监控系统的方案设计 4
2.2 STC89C51单片机简介 5
2.3 LCD1602显示器简介 5
2.4 ADC0808转换器简介 6
2.5 继电器简介 7
第3章 系统硬件设计 9
3.1 最小系统电路设计 9
3.1.1 复位电路设计 9
3.1.2 晶振电路设计 9
3.2 参数显示电路设计 10
3.3 交流/直流电压转换电路设计 11
3.4 电流/电压转换电路设计 11
3.5 模数转换电路设计 12
3.6 功率因数测量电路设计 13
第4章 系统软件设计 15
4.1 智能电力监控系统的主程序流程设计 15
4.2 参数显示子程序流程设计 16
4.3 模拟电压采集子程序流程设计 16
第5章 系统仿真 18
5.1 系统仿真原理 18
5.2 系统仿真结果 18
结束语 23
致 谢 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
参考文献 25
附录一 原理图 27
附录二 程序 28
引言
智能电力监控系统的发展背景
当前科学技术的发展方向正在朝着高智能化方向发展，尤其是微处理器芯片研发以及应用表现的最为突出，这种微型芯片的外形体积不断缩小，但是内部所集成的基本元器件以及半导体器件密度越来越高，电路形式越来越复杂，这样就使得微处理器芯片能够实现更高的性能，与此同时自动控制技术的发展就得到了硬件基础[1]。
科学技术以及电子技术的发展往往能够对社会的进步具有极大的促进意义，本文将要研究的这款智能电力监控系统也是电子技术发展进步过程中的一个具有里程碑式的产物，它的出现以及性能不断强大都是得益于电子技术的发展，在这个不断发展的过程中，电子技术、微处理器芯片生产技术、集成电路技术等一系列技术都对智能电力监控系统的性能日益完善起到了巨大促进作用[2]。
在智能电力监控系统的发展过程中，这种较为常见的控制系统从最简单的内部电路到如今的全数字化控制，这个过程度过了一段较长的时间。经过了几十年的发展历程，主控微处理器已经能够实现32位数据处理能力[3]，目前市面上广为流通的STM32、ARM7或者ARM9等微处理器芯片都是采用的CORTEX架构，能够以单周期实现对指令的执行，并且芯片的主频速度也得到了极大的提升，能够保证对智能电力监控系统采集进来的信号进行快速的识别和处理，为用户输出理想的处理结果[4]。相关资料显示智能电力监控系统的发展脚步在最近二十年间得到了飞速的提升，数字化智能电力监控系统的出现要追溯到上世纪九十年代初期左右，此时正值8位单片机芯片快速发展的时期，初期的智能电力监控系统在这段时间已经被推向了市面，相关企业和个人已经开始了对这种单片机控制系统的广泛研究，虽然此时的单片机控制器的性能还处于较低水平，但是通过C语言程序代码的构建，采用由简单到复杂的不同难度的程序指令语句的控制，仍旧是能实现一些较为简单的控制功能，虽然较为简单，但依然是比之前的传统式智能电力监控系统要好用很多，并且由于已经实现了一定的数字式，所以系统工作的稳定度也得到了巨大的提升[6]。所以在这段时期这种新型的智能电力监控系统被推向市场上后，逐渐的淘汰掉了大量的传统式智能电力监控产品，由于能够很方便的实现量产，硬件电路大部分是由数字集成芯片构建，所以受到温度等因素的影响较小，批量化生产成本非常低[7]。早期的智能电力监控系统内部主控芯片采用的是4位或者8位的低端主控芯片，这种主控芯片在单位时间内只能够处理非常少量的数据，并且这些芯片大多数采用的是多时钟周期指令，也就是说执行一条指令所用的时间非常多，这就使得对于数据的运算处理能力非常慢，最终导致智能电力监控系统无法实现对外部输入信号较快的响应，所以此时的智能电力监控系统整体性能表现较差，然而这也反映了此时电子技术的发展现状[8]。在课题设计过程中，对图书馆和互联网上广泛的资料进行查阅后可以发现，智能电力监控系统在主控处理器的选择方面，出现了单片机等微处理器芯片以及PLC可编程控制器两种类型的主控器件，这两种不同类型的主控器件如今在生产生活领域都已经得到了广泛的应用[9]。其中以单片机等微处理器芯片作为主控核心的智能电力监控系统主要应用场景是一些民用场合或者个人用户，这些用户所处的环境条件较好，没有那么多的环境因素干扰，所以智能电力监控系统对于主控芯片的防干扰性能没有那么高的要求。以PLC可编程控制器作为主控核心的智能电力监控系统主要应用场合是工业环境，由于工业环境噪声干扰、辐射或者高温高湿等较为突出，所以单片机等未加防护的微处理器芯片无法正常工作，只有依靠防干扰性能更为强大的PLC控制器来进行控制[10]。
智能电力监控系统的国内外发展现状
国内外在对智能电力监控系统的研究方面都呈现出了一种较为热情的局面，由于目前对于研发智能电力监控系统所需要的核心元器件的生产研发技术都掌握在了欧美国家的一些企业中，而国内还无法真正掌握这些元器件的核心研发技术，而市面上这些高端性能的智能电力监控系统产品的硬件框架都是由这些基本元器件作为铺垫的，所以缺少了核心技术的支撑，最终研发出来的产品无论是在性能方面还是在成本方面都需要比较大比例的依靠进口，然而在市场上的竞争力也就会稍逊于国外产品，这是目前国内对于智能电力监控系统的研究所面临的现状。智能电力监控系统目前在国内外的发展现状可以通过与这类系统有关的产品来进行反映，目前市面上的智能电力监控系统相关产品大致可以分为高中档和低档等层次，这种分类方法主要是通过这些产品所能够表现出来的最大性能来进行划分的，由于具备高端性能的智能电力监控系统产品的内部往往采用了高性能的微处理器和精密芯片来实现，这些芯片目前还只能依靠进口来获得。
目 录
第1章 引言 1
1.1 智能电力监控系统的发展背景 1
1.2 智能电力监控系统的国内外发展现状 2
1.3 本文主要研究内容 2
第2章 方案设计及元器件选择 4
2.1 智能电力监控系统的方案设计 4
2.2 STC89C51单片机简介 5
2.3 LCD1602显示器简介 5
2.4 ADC0808转换器简介 6
2.5 继电器简介 7
第3章 系统硬件设计 9
3.1 最小系统电路设计 9
3.1.1 复位电路设计 9
3.1.2 晶振电路设计 9
3.2 参数显示电路设计 10
3.3 交流/直流电压转换电路设计 11
3.4 电流/电压转换电路设计 11
3.5 模数转换电路设计 12
3.6 功率因数测量电路设计 13
第4章 系统软件设计 15
4.1 智能电力监控系统的主程序流程设计 15
4.2 参数显示子程序流程设计 16
4.3 模拟电压采集子程序流程设计 16
第5章 系统仿真 18
5.1 系统仿真原理 18
5.2 系统仿真结果 18
结束语 23
致 谢 24
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参考文献 25
附录一 原理图 27
附录二 程序 28
引言
智能电力监控系统的发展背景
当前科学技术的发展方向正在朝着高智能化方向发展，尤其是微处理器芯片研发以及应用表现的最为突出，这种微型芯片的外形体积不断缩小，但是内部所集成的基本元器件以及半导体器件密度越来越高，电路形式越来越复杂，这样就使得微处理器芯片能够实现更高的性能，与此同时自动控制技术的发展就得到了硬件基础[1]。
科学技术以及电子技术的发展往往能够对社会的进步具有极大的促进意义，本文将要研究的这款智能电力监控系统也是电子技术发展进步过程中的一个具有里程碑式的产物，它的出现以及性能不断强大都是得益于电子技术的发展，在这个不断发展的过程中，电子技术、微处理器芯片生产技术、集成电路技术等一系列技术都对智能电力监控系统的性能日益完善起到了巨大促进作用[2]。
在智能电力监控系统的发展过程中，这种较为常见的控制系统从最简单的内部电路到如今的全数字化控制，这个过程度过了一段较长的时间。经过了几十年的发展历程，主控微处理器已经能够实现32位数据处理能力[3]，目前市面上广为流通的STM32、ARM7或者ARM9等微处理器芯片都是采用的CORTEX架构，能够以单周期实现对指令的执行，并且芯片的主频速度也得到了极大的提升，能够保证对智能电力监控系统采集进来的信号进行快速的识别和处理，为用户输出理想的处理结果[4]。相关资料显示智能电力监控系统的发展脚步在最近二十年间得到了飞速的提升，数字化智能电力监控系统的出现要追溯到上世纪九十年代初期左右，此时正值8位单片机芯片快速发展的时期，初期的智能电力监控系统在这段时间已经被推向了市面，相关企业和个人已经开始了对这种单片机控制系统的广泛研究，虽然此时的单片机控制器的性能还处于较低水平，但是通过C语言程序代码的构建，采用由简单到复杂的不同难度的程序指令语句的控制，仍旧是能实现一些较为简单的控制功能，虽然较为简单，但依然是比之前的传统式智能电力监控系统要好用很多，并且由于已经实现了一定的数字式，所以系统工作的稳定度也得到了巨大的提升[6]。所以在这段时期这种新型的智能电力监控系统被推向市场上后，逐渐的淘汰掉了大量的传统式智能电力监控产品，由于能够很方便的实现量产，硬件电路大部分是由数字集成芯片构建，所以受到温度等因素的影响较小，批量化生产成本非常低[7]。早期的智能电力监控系统内部主控芯片采用的是4位或者8位的低端主控芯片，这种主控芯片在单位时间内只能够处理非常少量的数据，并且这些芯片大多数采用的是多时钟周期指令，也就是说执行一条指令所用的时间非常多，这就使得对于数据的运算处理能力非常慢，最终导致智能电力监控系统无法实现对外部输入信号较快的响应，所以此时的智能电力监控系统整体性能表现较差，然而这也反映了此时电子技术的发展现状[8]。在课题设计过程中，对图书馆和互联网上广泛的资料进行查阅后可以发现，智能电力监控系统在主控处理器的选择方面，出现了单片机等微处理器芯片以及PLC可编程控制器两种类型的主控器件，这两种不同类型的主控器件如今在生产生活领域都已经得到了广泛的应用[9]。其中以单片机等微处理器芯片作为主控核心的智能电力监控系统主要应用场景是一些民用场合或者个人用户，这些用户所处的环境条件较好，没有那么多的环境因素干扰，所以智能电力监控系统对于主控芯片的防干扰性能没有那么高的要求。以PLC可编程控制器作为主控核心的智能电力监控系统主要应用场合是工业环境，由于工业环境噪声干扰、辐射或者高温高湿等较为突出，所以单片机等未加防护的微处理器芯片无法正常工作，只有依靠防干扰性能更为强大的PLC控制器来进行控制[10]。
智能电力监控系统的国内外发展现状
国内外在对智能电力监控系统的研究方面都呈现出了一种较为热情的局面，由于目前对于研发智能电力监控系统所需要的核心元器件的生产研发技术都掌握在了欧美国家的一些企业中，而国内还无法真正掌握这些元器件的核心研发技术，而市面上这些高端性能的智能电力监控系统产品的硬件框架都是由这些基本元器件作为铺垫的，所以缺少了核心技术的支撑，最终研发出来的产品无论是在性能方面还是在成本方面都需要比较大比例的依靠进口，然而在市场上的竞争力也就会稍逊于国外产品，这是目前国内对于智能电力监控系统的研究所面临的现状。智能电力监控系统目前在国内外的发展现状可以通过与这类系统有关的产品来进行反映，目前市面上的智能电力监控系统相关产品大致可以分为高中档和低档等层次，这种分类方法主要是通过这些产品所能够表现出来的最大性能来进行划分的，由于具备高端性能的智能电力监控系统产品的内部往往采用了高性能的微处理器和精密芯片来实现，这些芯片目前还只能依靠进口来获得。
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