基于LabVIEW和单片机的电压监测设计(毕设)

基于LabVIEW与单片机的电压监测系统设计

专业班级： 11电子（1）班学生姓名：任辉

指导老师：朱慧博职称：副教授

摘要在电子产业日益发达的当今社会，及时准确的监测出当前的电压值并且予以反馈在确保人身安全与系统正常运行反面显得尤为重要。在这种背景下，基于LabVIEW和单片机的电压监测的设计受到了极大关注。在此次设计的系统中，主要分为两个部分即上位机与下位机。上位机主要是通过前面板来显示测量结果，LabVIEW作为开发平台，利用VISA 调用串口程序读取数据，对采集到的电压数据进行实时处理、显示、存储与报警。当采集电压超过设定值时，前面板会出现蜂鸣器警戒响声，反之则会正常显示。当然这一切的实现都是建立在后面板设计和下位机硬件设计的基础上完成的。下位机部分主要是相关元器件的连接，选用STC89C51作为核心器件，同时利用ADC0809来完成对电压的采集工作，将采集到的结果送至单片机，然后通过串口通信送至计算机的LabVIEW系统中进行显示。为了增加传输距离和实现电路复位功能，在硬件电路设计部分增加了MAX232。由于虚拟仪器的使用，使得设计成本大大降低，再加之虚拟仪器与单片机所具有的诸多优点，相信在不久的将来，电压监测与虚拟仪器这两个方面必将得到更多的应用与更好的完善。

关键词LabVIEW 单片机电压监测串口通信

Based on the LabVIEW and Voltage Monitoring System Design of Single Chip

Microcomputer

Abstract In the electronics industry is increasingly developed in today's society, timely and accurate monitoring of the current voltage value and give feedback to ensure personal safety and normal operation of the reverse side is particularly important. In this context, based on the LabVIEW and MCU voltage monitoring design received a lot of attention. In the design of the system, the main is divided into two parts the upper machine and lower machine. Upper machine mainly through the front panel to display the measurement results, the LabVIEW as the development platform, USES VISA call a serial port to read data, real-time voltage of collected data processing, display, storage, and report to the police. When collecting voltage more than the set value, the front panel will appear the buzzer alarm sound, the opposite will display properly. , of course, the implementation of all this is built in the panel on the basis of the design and the hardware design of singlechip processor system. Under a machine part was mainly related to components of the connection, STC89C51 chosen as the core device, at the same time using ADC0809 to complete the acquisition work of voltage, the collected results sent to the single-chip microcomputer, and then sent to the computer through a serial port communication of the LabVIEW for display in the system. In order to increase the transmission distance and reset function, implement circuit in the hardware circuit design part increased MAX232. Due to the use of virtual instrument, greatly reduce the design cost, coupled with virtual instrument with single chip microcomputer has many advantages, believe in the near future, the voltage monitoring and virtual instrument is the application of these two aspects will get more and better.

Key words LabVIEW SCM Voltage Monitoring Serial Communication

目录

第一章引言 (1)

1.1课题研究的背景 (1)

1.2国内外电压监测系统的研究状况 (1)

1.2.1国内电压监测系统的研究状况 (1)

1.2.2国外电压监测系统的研究状况 (2)

1.3 LabVIEW的应用现状 (2)

1.4课题研究的意义 (2)

第二章虚拟仪器概述 (3)

2.1虚拟仪器简介 (3)

2.1.1虚拟仪器的概念 (3)

2.1.2虚拟仪器的结构 (4)

2.1.3虚拟仪器的特点 (4)

2.1.4虚拟仪器的优势 (4)

2.1.5前面板设计 (5)

2.2构建程序框图 (6)

2.2.1程序框图中的对象 (6)

2.2.2基本数据类型 (6)

2.2.3程序的层次结构 (6)

2.3程序框图设计原则 (6)

第三章单片机简介 (8)

3.1单片机的基本概念 (8)

3.2单片机的发展历史 (8)

3.3单片机的主要特点 (9)

3.4单片机的应用 (9)

3.5单片机的发展趋势 (10)

3.6常用单片机芯片 (11)

第四章系统的下位机设计 (12)

4.1单片机控件电路的设计 (12)

4.1.1单片机控件功能简介 (12)

4.1.2单片机最小系统 (12)

4.2 ADC0809电压采集 (13)

4.3单片机电压采集 (14)

4.4数据的转换方式 (15)

4.5串口通信转换 (15)

4.6蜂鸣器报警设计 (16)

4.7 LED灯显示设计 (17)

4.8 LCD显示设计 (17)

4.9硬件总设计 (18)

第五章系统的上位机设计 (20)

5.1 LabVIEW的软件开发环境 (20)

5.2 LabVIEW上位机后面板设计 (20)

5.2.1串口程序编译 (20)

5.2.2 VISA的读取 (21)

5.2.3 VISA的写入 (21)

5.2.4 VISA的关闭函数 (22)

5.3主程序设计 (22)

5.3.1上限值的设定设计 (22)

5.3.2电压采集部分设计 (23)

5.3.3数据采集部分设计 (23)

5.3.4 数据采集后面板设计 (24)

5.4主程序后面板部分 (25)

5.5 LabVIEW前面板显示 (26)

第六章下位机仿真与调试 (28)

6.1 仿真任务要求 (28)

6.2 仿真设计思想 (28)

6.3 硬件调试 (28)

6.4 软件调试 (29)

6.5 运行结果 (30)

6.6 误差分析 (32)

第七章结论 (33)

致谢 (34)

参考文献： (35)

第一章引言

1.1课题研究的背景

在工业化日益发达的今天，电力电子产业产品逐渐占据着整个人类市场，而为了确保用户的安全和产品的质量，及时准确的监测出当前电压这一重要物理量便显得尤为重要。而LabVIEW代表的虚拟仪器技术由于自身具有的很多优势，外加常常以计算机为载体，成本低，结构简单，操作性强，使得该项技术得到了广泛的重视。单片机以51单片机为主导，广泛应用于控制领域，所以目前基于LabVIEW和单片机的电压监测设计受到了广泛的重视与研究。

1.2国内外电压监测系统的研究状况

1.2.1国内电压监测系统的研究状况

就目前来讲，国内在电压监测这方面的研究水平还是挺高的，最起码较一些中等发达的国家还是有优势可言。这首先要归功于我国是传统的工业大国，发展历史悠久，再加之国内人士的聪明智慧使得电压监测系统变得更加完善。

国内的电压监测系统正朝着采用新技术、新工艺的方向发展，主要用到的核心技术是将集成电路模块代替传统的复杂电路元器件，目前国内的电压监测系统的发展方向主要有四个方向：

1）大量结合新技术，不断研发新产品

2）向模块化发展

体积小、质量轻、功能强大是判断电压监测仪器的重要技术指标，所以说目前的新产品都致力于模块化的发展方向。在未来的很长一段时间内，电压监测仪将会由具有更多功能的集成模块组成，届时将会给电路设计的布局，元器件的调试与维修节省很多时间。

3）多重显示仪表

传统电压数字仪器由于存在的诸多缺陷使之在观察连续变化的目标时会出现许多的问题，目前国际上比较推崇认可的是多重显示的仪表，例如“数字/模拟条图”仪表就是新生代的产品。它具有检测精确度高，切换到模拟状态时可以很方便的观察被测量变化的两大优点，得到业界认识和使用者的一致好评。

4）操作简单化

1.2.2国外电压监测系统的研究状况

国外的电压监测水平还是挺高的，较国内来讲的话还是有一定的优势。国外的相关企业规模更大，所以他们在电压监测的完善方面投入的科研资金也就相对较多。

目前国外的电压监测主要是操作智能化，即尽可能的使用户可以很方便的进行控制，甚至有些国家像美国、德国、英国等一些科学技术相当发达的欧美国家已经将这方面做到远程遥感，这是更高层次的控制，而且电压监测仪的安全报警模块也增加了许多功能，例如信号绑定等等，总之，国外的水平还是挺前沿的。

1.3 LabVIEW的应用现状

虚拟仪器是现在国内外在技术领域热衷研发拓展的领域，作为新兴仪器的代表，页面灵活多样，结构简单轻巧，可控性强，大大缩短了新型仪器的开发周期。当前国内外的许多高校和研究所都在加紧步伐研究与开发自己的虚拟仪器系统，像重庆大学的虚拟实时噪声倍频分析仪，国家第五研究所研发出基于LabVIEW的频率特性测试仪，清华大学利用这项技术观察机动车辆在引擎发动的前段时间的运转情况，并且取得了令人满意的成效。当然其中，美国NI公司的LabVIEW软件功能最为完善，像美国等一些欧美强国由于在这方面的研究时间比较长，技术比较领先，甚至将其应用于军事、航天等高端领域。虚拟仪器以计算机作为应用载体，本身具有的诸多功能模块使之成为集成化的优先选择，有理由相信一场关于仪器改良的狂潮将会到来，它的研制与开发具有深远的意义。

1.4课题研究的意义

基于LabVIEW和单片机的电压监测的设计将很大意义上促进我国电工业的相关发展，由于LabVIEW虚拟仪器可以尽可能的采用通用的硬件，在这种背景下计算机的诸多特有功能将会被运用到虚拟监测中。除此之外，LabVIEW本身就可以为用户提供类似计算机方面的功能，甚至像硬件系统的滤波，信号处理方面的放大等等都可以通过对LabVIEW的文件结构设计显示在前面板中，有很大的可塑性。虚拟技术的加入与使用定会为以单片机为核心的硬件设计提供更多的改良空间，为新仪器的创新提供帮助，为人类科学技术的发展增添动力。

第二章虚拟仪器概述

2.1虚拟仪器简介

2.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器以计算机作为应用载体，其监测的目标主要是一些物理量像电压温度等，亦或是一些物理变化过程，通过LabVIEW的前面板设计可以清晰的捕捉到某一物理量的动态变化过程[5]。一般的虚拟仪器包括以下几个部分，如图2-1所示

图2-1 典型虚拟仪器结构

在虚拟仪器的一般配置中，通常会利用敏感器件对目标量（以物理量居多）进行采集，采集过后变成电信号，由于在采集过程中难免会受到外界的干扰，或者混入噪音。为此要进行必要的预处理，对混杂信号滤波，对小信号放大等等。紧接着数模转换器将模拟量转换为PC机的数字信号。功能软件会对最终的信号进行读取操作。

我们不难看出虚拟仪器虽然被认为是一种软件，但是同时又拥有硬件的功能，这就是虚拟系统的奇妙可贵之处。像对微弱信号的放大，对在采集过程中受到各种干扰信号的滤波，对模拟量与数字量的相互转换等。有人甚至这样评价道“软件就是仪器”，这或许就是对虚拟仪器最简单，也是最本质的描述了。

虚拟仪器可以在很多环境下进行开发应用，目前最完善且功能最强大的是美国国家仪器（National Instruments,NI）公司的LabVIEW。LabVIEW代表的就是实验室虚拟仪器工程平台。LabVIEW环境中开发的每个程序成为一个Virtual Instrument(VI)，这也是虚拟仪器的核心。

使用者在编写LabVIEW开发程序时不会有太大的问题，因为可以像简单的画图一样将图标用线连接起来，工具库几乎备有所有可能用到的图标。修改时只要简单的操作就会消除，替换其他图标。重要的是易与网络及周边设备互连，在人机交换方面可以无限的显示选项、界面友好。据了解，目前的程序开发员普遍采用LabVIEW专有的G语言，因为其开发速度较C语言等效率提高很多倍；同时利用LabVIEW处理信号时的效果要比组态

监控系统软件好上很多。

2.1.2虚拟仪器的结构

图2-1只是虚拟仪器结构的一种，实际上还有很多在不同环境下发挥特定作用的结构方式，其类型和结构特点具体可参见表2-1所示。

表2-1 虚拟仪器系统结构类型

2.1.3虚拟仪器的特点

1）大量使用硬件，因为一个仪器到底能实现什么功能很大程度上是由硬件决定的；

2）计算机的专有功能将会在虚拟仪器的结合中发挥得淋漓尽致，在处理大量数据方面的优越性能有助于更强功能的监测仪器；

3）用户的创意与想法可以不被限制的植入到应用与开发当中去。

虚拟仪器说到底主要是数据的采集需要，然后对数据结构分析得出相关结论。虚拟仪器的驱动软件、模块软件与计算机一起组建了一套虚拟仪器系统。在过去的20年里，计算机和集成电路技术有了显著的发展与提高，但是对于创建虚拟系统来讲，软件才是关键，它可以使虚拟仪器提供多能的技术指标与进行新仪器的创新[8]。

2.1.4虚拟仪器的优势

LabVIEW的图形模块就是用户编写程序的编程语言，虚拟仪器的开发源于计算机的技术基础，随着计算机科学技术与互联网的日益发达完善将会使虚拟技术的优势展现的更多；用户可以调用工具与函数来缩短测试时间，提高测量精确度；虚拟仪器在与多个测量设备连接测试时会为所有的输入输出口设备提供最标准的接口，很轻松的帮助用户将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的繁琐程度；同时虚拟技术随着计算机、半导体和软件功能的不断增强，被运用到工业输入输出口和设计产品当中，这都是因为虚拟仪器

可以和许多测量设备实现无缝集成。就连许多高端前沿的领域也能找到虚拟技术的影子，近几年就有报道称美国研发出虚拟追踪装置，该装置的设计理念就是将红外遥控技术与虚拟技术的完美结合，这一切都得益于虚拟技术的优势明显[18]。所以这也就不难理解为什么会在国内外掀起“G语言热”了。

虚拟仪器与传统仪器的性能比较为了直观的看出，可以参看表格2-2所示。

表2-2 虚拟仪器与传统仪器的性能比较

2.1.5前面板设计

前面板是用户直接获取重要信息的窗口，设计者可以依据兴趣爱好，自由的设计与制作，甚至是一种美学的享受。前面板主要由控件构成。

（1）控件的类型

前面板控件有两种：输入与输出控件，前者将待录入处理的数据通过串口送至程序软件系统中，后者则是从串口进行相反的操作。

在选择输入控件与输出控件的显示方式时，我们可以浏览LabVIEW程序库，查找“生成与显示”的选项，利用布线将图标连起来。但是，所有用户都会惊奇的发现在转换完成的一瞬间，图标间的连线会自动断开[6]。这表明在LabVIEW环境下，功能软件只能执行特定的功能，即只能执行一个功能。

（2）控件选板

通常控件选板中会根据不同的类型将选板划分出各种各样的子选板，在每一个选板的最上方有文本选项，点击“新式”，图标就会出现，再点击条目左侧的黑三角按键就会将所有的控件展开来。

2.2构建程序框图

2.2.1程序框图中的对象

1) LabVIEW的程序框图中一般包括以下几类节点：函数、子VI、Express VI和结构。LabVIEW不同程序功能的实现依据的是不同的函数编译，其发挥的作用与编程语句和符号在文本环境下的作用异曲同工，只不过虽然这些小的函数可以省去开发者的许多麻烦，但是它们实现的功能其实很简单[11]。

2) LabVIEW的接线端主要包括控件接线端、节点接线端两种接线类型，LabVIEW的连线并不复杂，用户只要把握住数据传输的路径，就可以很轻松的把线连好。

3）连线是编写LabVIEW程序的一项主要工作，用户可以根据自己需要选择合适的线型，连接时可以选择手工连线，也可以选择自动连线。

2.2.2基本数据类型

不同的数据类型将会占用不同大小的存储空间，因此我们在设计程序框图时要注意数据类型的选择，尤其是在连线端口处。数据类型主要的是数值型，该型数据随着精度和取值范围的不断扩大，占用的内存也不断增大[10]。

在其他类型中，用的最多的是布尔量，因为它常常被用作结果真假的显示图标，并伴有颜色的变化，本次设计中就大量用到了该类型变量。

2.2.3程序的层次结构

在层次结构窗口中我们会在该窗口找到相关工具，其中包括全局变量和VI库。

如果原先被编写的LabVIEW程序被开发者命名为一个图标的形式，那么，当在其他时刻需要用到该程序功能时就可以直接被调用出来[9]。

2.3程序框图设计原则

为了提高程序设计效率，保证程序设计质量，便于程序的维护，在设计程序框图时应遵循一些一般性的原则。

1)虽然决定程序执行顺序的是连线与结构，而不是对象在程序框图中的位置，但是为了程序结构清晰，便于理解，应该使用从左到右、从上到下的顺序排列的节点。

2）尽量避免程序框图扩展到屏幕显示范围以外。太大或太复杂的程序框图会带来程序调试的困难。

3）如果程序中某些部分能在其他程序中重用，或某些部分能划分为一个逻辑上的单元，就创建一个子VI。

4）整齐、清晰地排列连线，以免造成读程序的困难。避免在节点图标底下连线，以免线段被图标隐藏，或被认为是函数的连线。

5）按住控制键用选择工具在程序框图中画一块面积，可以解决部分程序框图过于拥挤的问题。

6）为了节省程序框图空间，不必为函数和子VI显示标签，因为在即时帮助窗口中可以看到它们的名称。但是常数有必要显示标签。

7)为了增加用户对设计框图文件的理解，可以选择有用的相关标签或标语。例如添加模块的名称，测量的目标，实现的功能等等；若是仪器图标比较才的话，可以通过连线与名称相连的形式来添加注解。

第三章单片机简介

3.1单片机的基本概念

单片机是将中央处理器、存储器、I/O接口电路、定时器/计数器等部件集成在一块半导体硅片上，而构成的一个完整的功能操作系统[1]

单片机之所以会在工业和生活的各个领域被广泛应用就是因为其可以实现对事物的控制，像数据传输的停与始，报警蜂鸣器的响与关等等，都是单片机在发挥着作用。所以说到底单片机起到的是控制作用，常被称为微控制器。

单片机芯片的体积小，耗电少、价格低，可以广泛应用到工业控制领域、智能仪器仪表、家用电器、机器人、分布式系统的前端模块、汽车检测系统、个人与信息终端的产品通信[7]。

3.2单片机的发展历史

单片机的发展经历了4位、8位、16位和32位这几个阶段，其发展历史大致可以分为三个不同发展阶段。

第一阶段（1974-1976）：4位单片机。1975年，美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000，之后各国相继推出4位单片机，此阶段为单片机的初级阶段，功能比较简单，主要用于控制家用电器和玩具。

第二阶段（1976-1983）：8位单片机。一开始时是因特尔公司生产的48系列单片机，紧接着各大计算机公司也推出了自己的产品，至此进入8位单片机时代，但是尽管如此，此时的单片机功能还是比较低端。

第三阶段（1983-）：16位单片机和32位单片机。此阶段是单片机制造业大发展的时期，这个时期多数公司积极研发性能多样的单片机，并且单片机的应用也开始广泛开来。一些新产品层出不穷，如因特尔公司的96系列，美国国家半导体公司推出的HPC16040系列，NEC公司推出的783xx系列等。但是无论怎么改进，仪器的可用空间范围是有限的，人类不可能无限的将软件加入其中。所以以模块化与集成化为代表的新单片机应运而生，至此单片机种类开始多样起来。

到现在为止，世界各大半导体公司推出的单片机已有几十个系列几百个品种。其中因特尔公司推出的51系列单片机，由于被广泛应用，因此成为公认的单片机的标准系列和主导产品[12]。51系列为内核的单片机生产量大、品种多；特别是近年来，与51系列兼容，

低功耗、高性能并且带快闪可编程存储器的AT89S51等新型单片机的加盟，更加强了51单片机的主导地位。

3.3单片机的主要特点

单片机的基本组成与工作原理与一般的微型计算机的相同，但在具体结构和处理过程上又有自己的优点。

（1）单片机在结构上的优点

存储器采用哈佛结构，只读存储器和随机存取存储器严格分开，前者用来存放程序，后者用来存放数据；内部资源中，有较多的寄存器；位寻址功能强大，设置了独立的位处理器；但是总体来讲单片机还是主要应用在控制方面[17]。

（2）通俗易懂、实用性强

单片机的基础知识很容易被掌握，这是因为无论怎样更改，器件的引脚功能和连接原理不会有大的改变，如果再辅以一些实践将会很快掌握这门技术的知识点。

（3）功能齐全、应用广泛

单片机芯片的体积小、耗电少、成本低、功能齐全、嵌入容易、可靠性高，可广泛应用到工业控制领域、智能仪器仪表、家用电器、机器人、分布式系统的前端模块、电子汽车系统、玩具等等各类通信产品中。

（4）发展迅猛、可塑性高

在单片机发展的三十多年里，单片机就由最初的4位机变为目前的64位单片机可谓发生了翻天覆地的变化，不管是在外形和功能上都有了很大的改善。当然，单片机的应用也由一开始的小部件使用到如今的工业领域的大量植入，单片机在人类科学技术的发展中发挥着越来越重要的角色。现如今的单片机的抗干扰能力更强，还提供在线编程能力，加速了产品的问世，为企业带来了巨额利润。

3.4单片机的应用

(1)工业自动化控制

单片机在工业领域的应用比较广泛。单片机在工业领域的主要应用有工业传输自动化控制、仪器远程操控控制、设备安全检测控制、数据发送与中断控制等。在现代工业工艺的自动化方面，单片机可以实现电动机转速控制、温度控制、自动生产线等[14]。

（2）智能化仪器仪表

目前，对仪器仪表的要求是自动化和主机化。将单片机嵌入到仪器仪表中，单片机用

于对于信息的检测处理，可提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积并易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。

（3）家用电器

可以毫不夸张的讲家庭中的几乎每个电器产品都用到了单片机。小到一个电饭煲，大到一个洗衣机，都是单片机在其中发挥着重要的作用。现如今的家用电器普遍采用单片机智能化控制代替原先的电子线路控制。使得家用电器的功能更加完善和优化。

（4）机电一体化产品

单片机在机器人、数控机床和汽车电子设备中的应用非常广泛。

（5）其他领域

1）武器产品

在军事竞赛日益激烈的今天，单片机也被运用到远程控制当中，如飞机的智能化启动系统，导弹的精确制导系统，汽车的引擎控制系统等等，都有单片机在其中发挥着作用。

2) 各种外围设备

与计算机相连接的许多外围设备像复印机等也都或多或少的利用到了单片机。

3）通信领域

互联网和各种通信设备在运用单片机后，其抗干扰能力将会进一步增强，一些高性能的手机像苹果，在其内部的单片机甚至达到了64位，而且还不止一个植入到其处理系统内。

3.5单片机的发展趋势

（1)CPU的改进

1）CPU由8位单片机向16位单片机和32位单片机发展，其数据处理能力更强。

2)运用双中央处理器结构，加快处理速度，提高效率。

（2）存储器的改良

闪速存储器被大量运用到片内程序结构中。闪速存储器具有只读和随机存取的共同有点，有静态随机读取存储器再读或写方面的便捷，同时又有在供电设备断电后，不会将原有的东西删除[4]。

（3）片内输入输出口的发展

为了增强对大电流或者高电压的直接驱动，采用双端口设置，这样的话数码显示灯和运行装置就可以在同一时间被驱动。还有些单片机会根据需要增加某些特定端口，为构成新型系统提供基础。

（4）能量消耗低

电功率的大小是评价电子产品的重要标准。目前业内人士普遍认可的就是CMOS芯片，由于它的嵌入可以使电器产品拥有等待、睡眠、关闭等多种工作方式。在这种环境下工作的单片机其功率消耗仅仅为几毫瓦甚至更小。所以被普遍运用在低消耗电子类产品中。

（5）程序编译趋于简单化

眼下的大部分单片机都可以以网络在线的形式对程序进行改写与编译，用户只要将一根互联网服务提供商的下在线与主机相连，就可以编译成功的程序复制到单片机的闪存储器内，这样一来就不再需要传统的编程装置[3]。

3.6常用单片机芯片

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅猛，出现了许多种单片机产品，其中因特尔公司推出的MCS-51系列单片机是一种设计成功、功能较强并在世界范围内广泛使用的机型。

MCS-51系列单片机采用HMOS和CHMOS工艺。这两种单片机完全兼容。后者工艺先进，它综合了HMOS工艺的高速度和CHMOS工艺的低功耗的特点。

MCS-51系列单片机主要包括基本型产品，如8031、8051、8751和增强型产品，如8032、8052、8752等。

第四章系统的下位机设计

4.1单片机控件电路的设计

4.1.1单片机控件功能简介

系统的下位机硬件电路以AT89C51为核心构建，该单片机是Atmel公司的AT89C51系列的一种，其与MCS-51系列基本兼容，片内有4KB的只读存储系统，并且还有128B 的随机存储系统，同时携带有2个16位定时器，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，使得51单片机具有很多功能[2]。一般情况下，单片机的外围端口会和数据采集电路、时钟复位电路、显示电路连接在一块。本实验正是在基于以上基础上才实现了对电压的监测，具体如图4-1所示。

图4-1 硬件系统结构框图

4.1.2单片机最小系统

图4-2是本次设计系统的最小系统图，其中时钟部分主要用于计时，是由两个并联的电容组成，大小可由单片机的时钟周期决定。单片机的时钟电路对于以单片机为核心的电路至关重要，它是单片机各个模块正常运行的保障，图中的时钟模块由两个22PF的电容与X1组成，与单片机连接成一个回路。但单片机的时钟电路并不是工作在任意频率的，它有一定工作范围，设计时要注意设定它的工作范围。

复位，意味着MCU一切重新开始。若复位标志位显示为低电平，那么复位引脚将会

被触发，继而释放出低电平脉冲信号。正常工作时复位输入引脚可以通过上拉电阻连接到电源正极，所以应为高电平[13]。若按下复位按钮，则复位引脚应该接地，为低电平，芯片复位。需要注意的是，如果复位引脚一直被拉低，MCU将不能正常工作。

图4-2 最小系统电路图

4.2 ADC0809电压采集

本次设计系统在电压采集模块是ADC0809，该模数转换器是大家比较熟知的，也是比较实用化的一种可以将像电压、温度等模拟量转化为数字量。该转换器是8位转换器，也就是具有8位分辨率的效果，可以将数据精确度达到1/256，同时转换时间非常短暂，正常工作时的功率也就十几毫瓦。所以，大家对这个转换器件的认可度还是很高的。由于ADC0809的标准输入电压为直流0~5V，而现如今大多数的仪器工作时的电压都是220V，并且多是交流电。所以要想达到实现采集，必须在采集之前进行必要的转换处理。

在现实生活中，我们所接触到的都是些数值比较大的交流电压，一般都是在220V左右，而为了对它们进行监测，在采集之前必须进行必要的预处理。本设计系统采用变压器降压原理将高电压转换为低电压，然后再经过电桥电路的整流作用后将交流电转换为直流电，最后进行电压的滤波，就会得到比较单一的直流电压。

本系统的电压监测范围为直流0~40V，而ADC0809转换器的标准工作电压为0~5V，所以在采集前会有一个串联电阻分压处理，本系统是按照1 ：7的分压比，即进入转换器

的电压数值占真实值的1/8，这样的话就刚好与转换器的标准电压要求相吻合。同时为了优化电路会有一个电压跟随器，起到优化电路的作用。具体电路连接如图4-3所示。

图4-3 电压采集预处理电路图

4.3单片机电压采集

本系统选用的单片机为STC89C51，其内部结构主要包括8路模拟开关、地址锁存器与译码器、比较起、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等。而ADC0809就是一种8位逐次逼近式A/D转换芯片，可以和单片机直接接口。

ADC0809转换器通过IN0口采集到数据，然后通过OUT1~OUT8共8个端口以高低电平的形式进行输出，将其传送给单片机的P1口，至此完成了数据传输的工作，具体电路连接见图4-4所示。

图4-4 ADC0809与单片机的电路连接图

4.4数据的转换方式

为了确保系统运行的高效，及时能够确认转换数据的完成起到至关重要的作用，因为只有在确认数据传输确认完成的前提下，才能将其传送给单片机进行数据处理。具体包括三种方式：定时传送方式、查询方式、中断方式。

对于定时传送方式，其传送周期和时间都是不可更改的，本系统设计的数模转换器的转换时间为128微秒，也就是64个51单片机的转换时间总和。这就意味着ADC0809数据采集器与单片机的转换接收时间有冲突[16]，所以可在两者间加入时间延迟程序，只有当两者时间刚好吻合时结束延时设置，这样就能达到同步效果，最终完成数据的传输。

对于查询方式，观察EOC端口状态的可以判断出数据传送是否完成。

对于中断方式，中断信号一旦发现数据转换完成就会以自己的方式将数据发送出去。

不管选用上述的哪种方式，只要数据转换完成，通过指令发送就可以将数据发送。不过此时单片机还不会通过总线去接收数据，因为现在还不能判断OE信号是否为发送信号标志位。

4.5串口通信转换

串口按位和字节进行发送和接收，但是每当发送方发送一个字节时，接收方会在同一

时刻进行接收，所以对于容量不是很大的情况下串口通讯还是有很多优点的。而且它的传输线少，电路连接简单，长距离传输时成本很低，还可以利用电话网络设备进行传输。

在单片机完成数据的接收与处理后就会向计算机传送数据，但是两者之间并不能直接进行数据的传送，因为单片机特有的TTL电平是不会被计算机所读取的，只有经过MAX232电路的转换，才能将其转换为计算机所能读取的232电平。具体电路连接如图所示[15]。

图4-5串口通信电路连接图

4.6蜂鸣器报警设计

当采集到的电压大小在合理的范围内是，蜂鸣器不会报警，此时在LabVIEW前面板的现实中，蜂鸣器按钮为绿色状态；

当采集到的电压不在规定范围内时，蜂鸣器会发出响声，与此同时伴有红色按钮的警戒提示。蜂鸣器报警模块电路连接图如4-6所示。