基于單片機的功率測量系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文.doc

摘 要近年來隨著計算機在社會各領(lǐng)域的滲透, 單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用。本論文詳細(xì)的闡述了功率測量系統(tǒng)的設(shè)計思路和具體設(shè)計步驟。以單片機為核心，著重的介紹了52單片機在系統(tǒng)中的重要地位，以及其外圍硬件電路的芯片結(jié)構(gòu)特點、功能和管腳知識。集測量、顯示等功能于一體，設(shè)計完整、結(jié)構(gòu)清晰、操作簡單。在本設(shè)計中，是采用對電路中電壓和電流分別進(jìn)行采樣，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197，將模擬量變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字量，用液晶顯示器顯示電壓和功率。本文詳細(xì)論述了硬件電路的組成。利用單片機完成整個測量電路的測試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出。關(guān)鍵詞：單片機， 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ，功率表 ，采樣，LCD液晶顯示器 ABSTRACT Recent years, with the penetration of computers in the social sphere, SCM applications are continually deepening.In real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component.This paper describes in detail the power measurement system design and detailed design steps.The MCU as the core, focusing on the introduction of the 52 SCM in an important position in the system and its peripheral hardware circuit chip structural features, function and pin knowledge.Set of measurement, display and other functions, design integrity, a clear structure, easy operation.In this design, is the use of circuit voltage and current were sampled, and then the MAX197, the analog content into a corresponding number, using 6-one digital display voltage and power.This article discusses in detail the composition of the hardware circuit.MCU to complete the measurement circuit using the test control, data processing and display output.KEY WORDS：A single-chip microcomputer, modulus conversion, power list, sampling, LCD monitor目 錄第1章 緒 論11.1 研究概述11.2 設(shè)計背景11.3 設(shè)計的意義21.4 設(shè)計要求與目的2第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇和論證42.1 基本方案的選擇和論證42.2 總體方案論證82.3 本章小結(jié)9第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計103.1 單片機電路測試系統(tǒng)的分析：103.2 電壓電流的取樣電路143.3 A/D轉(zhuǎn)化模塊163.4 顯示模塊的設(shè)計193.5 MAX232芯片簡介253.6 5v電源的設(shè)計273.7 鍵盤接口的分析273.8 本章小結(jié)28第4章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計294.1 程序設(shè)計294.2 本章小結(jié)42第5章 調(diào)試過程435.1調(diào)試435.2 系統(tǒng)結(jié)果驗證43第六章 總 結(jié)44致 謝45參考文獻(xiàn)46附錄A 匯編源程序47附錄B 系統(tǒng)原理圖51前 言 近年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛度發(fā)展，給電力系統(tǒng)測量也帶來了巨大的革命。提高電能測量技術(shù)-改機械式功率表為智能型數(shù)字功率表已成為時代的要求。電力測量系統(tǒng)的智能型數(shù)字表通常是以單片機為核心，配置一定的外圍電路和軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。在軟件和硬件的設(shè)計中，系統(tǒng)的抗干擾性和系統(tǒng)的實時性與準(zhǔn)確度成了解決數(shù)字表的關(guān)鍵所在。單片機具有成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活的特點。由各具體行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士使用單片機來開發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路。在電工與電子技術(shù)應(yīng)用中,經(jīng)常要測量功率。它是利用通有電流的可動線圈在另一個通電線圈形成的磁場中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩而工作的儀表,其顯著缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過載能力較差，本身消耗功率較大,且易受外磁場的影響，同時這樣的功率表一般都是多量程的，在測量過程中需有電壓表和電流表配合選定電壓和電流量程，在選擇不同的電壓和電流量程時，刻度盤上每一分格代表不同的瓦特數(shù)，讀得格數(shù)需要進(jìn)行換算才能得出所要測量的功率,致使測量很不方便。另外在功率測量中，經(jīng)常遇到被測電路的功率因數(shù)很低的情況,這時必須采用專門的低功率因數(shù)功率表?；诠β时硎请姽x表中最常用的一種儀表，目前常用的是指針式電動系功率表。而為了更為精確的顯示測量結(jié)果，數(shù)字功率表的設(shè)計成為了必然。第1章 緒 論1.1 研究概述在測量、控制儀表中引入微機，不僅能解決傳統(tǒng)儀表不能解決或不易解決的問題，而且能簡化電路、增加功能、提高精度和可靠性、降低售價以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。由于這類儀表已經(jīng)實現(xiàn)人腦的一部分功能，例如四則運算、邏輯判斷、命令識別等，有的還能夠進(jìn)行自教正、自診斷，并具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，因此人們習(xí)慣上稱它們?yōu)橹悄軆x表。數(shù)字功率表也是一種簡單的智能儀表。功率表一直以來都是重要的工業(yè)測量儀表，而數(shù)字功率表在原有的基礎(chǔ)上比以前的更方便。數(shù)字顯示消除了在模擬標(biāo)尺上讀取指針位置時的人為誤差。與傳統(tǒng)的其他儀表相比，數(shù)字功率表的測量準(zhǔn)確度顯著提高。除測量準(zhǔn)確外，因數(shù)字儀表具有自動保護(hù)和自動選擇量程的功能，因此減少了由于過載而損壞儀表的可能性。此外，本次所設(shè)計的數(shù)字功率表還具有自動記錄數(shù)據(jù)和進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的能力，能方便地使用在自動測試系統(tǒng)中3。1.2 設(shè)計背景 近二十多年來,電能的測量和管理發(fā)展很快,逐漸成為一個專門的領(lǐng)域,但是由于電能測量較電壓、電流等的測量復(fù)雜和困難,故測量的準(zhǔn)確度低,通常的測量儀器為210級,015級就已是標(biāo)準(zhǔn)儀器了。實現(xiàn)功率測量必須有一個能將兩輸入電量相乘的電路結(jié)構(gòu),目前數(shù)字功率表大多使用稱為時間分隔乘法器的一種模擬乘法電路來實現(xiàn)相乘。時間分隔乘法器又稱脈沖寬度高度調(diào)制乘法器,它通常具有優(yōu)良的靜態(tài)精度,在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到千分之一,然而,由于這種乘法器輸出濾波器的固有相移,使之受到嚴(yán)重的動態(tài)限制. 即使三角波的頻率達(dá)到兆赫茲范圍,乘法器的帶寬仍然很有限,典型- 3 dB 帶寬可能在1 KHz 以下。 另外,時間分隔乘法器的電路比較復(fù)雜,調(diào)整也較繁瑣,盡管如此,在靜態(tài)精度要求較高的場合,這種方法還是經(jīng)常采用的。隨著微機的普及和發(fā)展,出現(xiàn)了應(yīng)用微處理器進(jìn)行數(shù)字乘法運算的新型功率表采樣功率表。1.3 設(shè)計的意義近年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛度發(fā)展，給電力系統(tǒng)測量也帶來了巨大的革命。提高電能測量技術(shù)-改機械式功率表為智能型數(shù)字功率表已成為時代的要求。電力測量系統(tǒng)的智能型數(shù)字表通常是以單片機為核心，配置一定的外圍電路和軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。在軟件和硬件的設(shè)計中，系統(tǒng)的抗干擾性和系統(tǒng)的實時性與準(zhǔn)確度成了解決數(shù)字表的關(guān)鍵所在。單片機具有成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活的特點。由各具體行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士使用單片機來開發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路。在電工與電子技術(shù)應(yīng)用中,經(jīng)常要測量功率。另外,在功率測量中，經(jīng)常遇到被測電路的功率因數(shù)很低的情況,這時必須采用專門的低功率因數(shù)功率表?；诠β时硎请姽x表中最常用的一種儀表，目前常用的是指針式電動系功率表。而為了更為精確的顯示測量結(jié)果，數(shù)字功率表的設(shè)計成為了必然6。因此，設(shè)計數(shù)字功率表事非常有意義的,也對我們以后的測量帶來很大的幫助。1.4 設(shè)計要求與目的1.4.1設(shè)計要求基本設(shè)計要求： （1）利用單片機控制； （2）能顯示電壓、電流、功率、功率因數(shù)； （3）顯示模塊采用LCD液晶屏顯示； （4）要求能用按鍵切換液晶顯示上的讀數(shù)；1.4.2 設(shè)計目的 （1）數(shù)字功率表是幾個模塊的組合，設(shè)計時要熟悉各個模塊的設(shè)計方案及其的作用； （2）通過本設(shè)計掌握AT89S52單片機的應(yīng)用，并熟練C51編程及在Keil軟件; （3）學(xué)習(xí)并掌握Protel99SE畫圖軟件的使用; （4）設(shè)計出一款實用的數(shù)字功率表；第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇和論證2.1 基本方案的選擇和論證2.1.1 功率表的定義功率的定義是在單位時間內(nèi)所做的功。電學(xué)上的定義為。單位為W，這稱為平均功率或有效功率。角度為I和E之間的相位角，稱為功率因素。在直流電路中，功率的表示式為P=UI；在交流電路中，功率的表示式為。很顯然，要利用一個裝置來測量功率，就須反映電壓和電流的乘積，這無論用電動學(xué)測量機械儀表或數(shù)字測量儀表均可完成。目前使用最多的前者由于其準(zhǔn)確度不高，儀表的讀數(shù)易受外磁場的影響、儀表本身耗功大、過載能力小、表盤刻度不均勻，已不能完全適應(yīng)人們快速有效的工作生活節(jié)奏；隨著科技業(yè)飛速發(fā)展，數(shù)字功率表由于精度高、頻帶寬，不僅可以用于校準(zhǔn)指針式功率表，也適合在現(xiàn)場進(jìn)行功率的快速測量。在今天的數(shù)字時代，其應(yīng)用前景是非常廣闊的。2.1.2 功率測量方案的論證與比較 方案一、測量模擬電壓用伏頻（V/F）轉(zhuǎn)換器，可將相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率，提高測量的精確度，對應(yīng)比例為1mV/Hz。用該方案求功率，也是要分時取電壓電流的模擬量，再轉(zhuǎn)換為頻率，最后用軟件處理，實現(xiàn)功率測量。專用的V/F轉(zhuǎn)換器有AD650、AD654等。方案二、利用采樣電路分別對電壓和電流進(jìn)行采樣，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)乘法電路將兩路電壓相乘，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬量變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字量，若要使測量的精度盡量高，可多次采樣幾組數(shù)據(jù)，然后再在程序中處理，求出平均值。原理框圖如圖2-1所示：圖2-1 原理框圖 方案三、可利用專門的IC來實現(xiàn)，如AD534芯片，該芯片既可采樣電壓，又可采樣電流，并將相應(yīng)的模擬電壓，電流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，再將轉(zhuǎn)換后的電壓，電流相乘，便可得到所求功率。功能描述：輸入電由三個相同的電壓轉(zhuǎn)換電流的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為不同的電流，功能框圖如圖2-2所示，轉(zhuǎn)換功能框圖如圖2-3：圖2-2 功能框圖圖2-3 轉(zhuǎn)換功能框圖方案四、采用鎖相環(huán)技術(shù)測量功率。鎖相就是相位同步的自動控制，完成兩個電信號相位同步自動控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)（簡稱PLL）。因測量功率的兩個參數(shù)電流、電壓的獲取不是同時采樣的，故需要利用鎖相環(huán)技術(shù)測量功率。由下圖可見，鎖相環(huán)由3個基本單元構(gòu)成：相位比較器PC、電壓控制震蕩器VCO、低通濾波器LPF如圖2-4。Us(t)VCOUc(t)U0(t)LPFUd(t)圖2-4 轉(zhuǎn)換框圖 施加于相位比較器有兩個信號：輸入信號，壓控震蕩器輸出信號，相位比較器輸出信號，經(jīng)低通濾波器后得到一個平均電壓，這個電壓控制震蕩器的頻率變化，使輸入與輸出信號的頻率之差減小，直到差值為零，此時即是鎖定。當(dāng)鎖定后，VCO能使其輸出信號的頻率跟隨輸入信號頻率變化。利用鎖相技術(shù)可以實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓及電流波形發(fā)生畸變時進(jìn)行同步跟蹤采樣。每個周波的采樣點數(shù)可根據(jù)需要選擇。 方案5、對電壓和電流進(jìn)行采樣，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)器，模擬量變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字量，將轉(zhuǎn)化成的數(shù)字量再送往單片機中。這僅僅只是電壓和電流的變量的計算（計算是通過軟件的控制），再把電壓和電流的采樣通過過零比較器進(jìn)行轉(zhuǎn)換成方波然后送往單片機的INT0口和INT1口就可以計算出電壓和電流之間的角度從而可以通過軟件的控制就可以算出采樣過來的功率。然后通過液晶顯示器進(jìn)行顯示如圖2-5。本設(shè)計選用方案5。 圖2-5 數(shù)字功率表框圖2.1.3 按鍵模塊的選擇 在對功率、電壓、電流以及功率上限進(jìn)行選擇時系統(tǒng)需要通過進(jìn)行按鍵的選擇就可以看到不同的數(shù)值。 方案一：使用獨立式鍵盤。獨立式鍵盤是指直接使用I/O口構(gòu)成的單個按鍵電路。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。方案二：使用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤是由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。其特點是簡單且不增加成本，但這種鍵盤適合按鍵數(shù)量較多的場合。根據(jù)以上論述，因為本系統(tǒng)需要的按鍵不多，有電壓顯示，電流顯示，功率顯示以及功率因數(shù)顯示，共四個按鍵，要求簡單。所以采用方案一獨立式鍵盤。2.1.4 顯示模塊的選擇方案一：使用傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時稱重輕操作簡單等特點。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易。但是數(shù)碼管顯示數(shù)字不穩(wěn)定，而且不能顯示文字，還需要增加驅(qū)動器。在本設(shè)計中若使用LED數(shù)碼管顯示，則電路原理圖規(guī)模龐大復(fù)雜，效果不是很理想。方案二：使用液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射、平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，而且具有可視面積大，簡化電路，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。選用LCD顯示，可以顯示數(shù)字、文字等字符。程序是模塊化的，清晰易懂，若想實現(xiàn)新增功能，只需添加（或刪除）程序，因此應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)以上論述，采用方案二。在本系統(tǒng)中，24位LM016L液晶顯示器。2.1.5 電路設(shè)計最終方案制定綜上各方案所述，本設(shè)計的方案選定： （1）采用AT89S52作為主控系統(tǒng)； （2）MAX197提供A/D轉(zhuǎn)化； （3）LCD液晶顯示屏作為顯示； （4）獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)。2.2 總體方案論證按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，初步確定系統(tǒng)由主控制模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)化模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。主控芯片選擇AT89S52單片機。數(shù)據(jù)采集選擇電壓互感器和電流互感器，A/D轉(zhuǎn)化模塊澤選擇MAX197的模擬信號輸入電路擁有5MHz的信號帶寬，當(dāng)使用內(nèi)部采集控制模式并使用外接2MHz時鐘時，可達(dá)到100kSa/s的通過速率，顯示模塊則用24位LM016L液晶顯示器如圖2-6。圖2-6 數(shù)字功率表框圖2.3 本章小結(jié)本章主要討論了測試儀的總體實現(xiàn)方案，先提出設(shè)計目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)分析確定實現(xiàn)方案，接著又分析了實現(xiàn)方案中的一些技術(shù)問題，給出了解決的辦法，從而確定出系統(tǒng)的總體方案。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本章主要講的是系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，運用電壓、電流采樣電路，將采樣的電壓和電流送往A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量然后再送往AT89S52通過軟件編程算出電壓和電流的乘積。另外電壓和電流的相位角之差是通過硬件電路實現(xiàn)的，將采樣電壓和采樣電流送往過零比較器中，再把過零比較器的輸出端接往單片機的兩個中斷口，通過方波電路的上升沿之差從而得出相角差。然后再把算出的結(jié)果通過LCD1602液晶顯示器顯示結(jié)果，我們再通過按鍵的切換來顯示電壓、電流、功率和功率因數(shù)。它的整體框架如上一章的2-6圖所示。3.1 單片機電路測試系統(tǒng)的分析 AT89S52為ATMEL 所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flsah存儲器。3.1.1 AT89S52主要功能： （1）擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash； （2）晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）； （3）內(nèi)部程序存儲器（ROM）為 8KB；（4）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 256字節(jié)；（5）32 個可編程I/O 口線；（6）8 個中斷向量源；（7）三個 16 位定時器/計數(shù)器；（8）三級加密程序存儲器；（9）全雙工UART串行通道。3.1.2 AT89S52各引腳功能介紹：AT89S52的引腳圖如圖3-1系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。 RESET：復(fù)位 VCC：AT89S52電源正端輸入，接+5V。 VSS：電源地端。 XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。 XTAL2：AT89S52的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序9。 圖 3-1 AT89S52的引腳 EA/Vpp：EA為英文External Access的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因為AT89S52是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為Program Store Enable的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)做I/O用時可以推動8個LS的TTL負(fù)載。如果當(dāng)EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）及數(shù)據(jù)總線（D0D7）。設(shè)計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當(dāng)做I/O來使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當(dāng)做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位12。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.3 單片機的最小系統(tǒng)原理圖： 它是系統(tǒng)驅(qū)動的前提,是單片機里面的程序可以運行的最小配置，它的接線圖如圖3-2所示。圖3-2單片機最小系統(tǒng)3.2 電壓電流的取樣電路 用單片機組成測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)必須有被測電信號的輸入通道，即前向通道，用來采集必要的輸入信息。而本測試系統(tǒng)的前向通道構(gòu)成及接口如下：3.2.1電壓、電流測試的前置電路 由于本系統(tǒng)測量電壓的有效值范圍是0V到600V，電流有效值的范圍是0A到10A，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣電壓僅僅為0到5V的直流電壓，所以在硬件上需要設(shè)計電壓和電流的前置通道完成強電到弱電的轉(zhuǎn)換。即外部電壓或電流先經(jīng)過互感電路變換、整流電路整流、分壓電路分壓最后才可以被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。具體變換過程如下所述：3.2.2電壓與電流的變換電路 電壓采樣采取用玻膜合金制成的微型典雅型電流互感器（PT），其變化比2A/2mA,在電壓動態(tài)范圍為（50-200）%Un（Un為額定電壓，AC220或AC380）時其比差非線性度為正負(fù)0.1%，角差為正負(fù)5度角，負(fù)載阻抗小于等于300歐姆電壓互感器輸出直接與A/D轉(zhuǎn)化芯片相連如圖3-3所示。圖3-3 電壓變換電路圖 3-4 電流變換電路 電流取樣采用高精度電流微型互感器CT，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示，與A/D轉(zhuǎn)化器相連。CT2為0.2級電力電流互感器，儀表可測最大電流為7000A,CT2為玻膜合金制成的微型電流互感器一般變比取5A/500mA，負(fù)載阻抗R小于等于100歐姆。3.3 A/D轉(zhuǎn)化模塊 MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片。芯片采用單一電源5V供電，單次轉(zhuǎn)換時間僅為6s，采樣速率可達(dá)100kSa/s。引腳圖如圖3-5所示。圖3-5 MAX197引腳圖 3.3.1 MAX197芯片的特點： （1）單5v工作電源; （2）可軟件選擇模擬量輸入范圍：10v,5v,0v10v,0v5v; （3）8個模擬輸入通道;（4) 6s轉(zhuǎn)換時間,100ksps采樣速率; (5) 可采用內(nèi)部或外部采集控制模式; (6）兩種電源關(guān)斷模式;(7) 內(nèi)部或外部時鐘; (8) 內(nèi)部4096v參考電源或外界參考電源。3.3.2 引腳說明; 引腳功能如表3-1所示。表3-1 MAX197引腳功能引腳符號功 能1CLK當(dāng)采用外部時鐘模式時外部時鐘脈沖由此輸入，當(dāng)采用內(nèi)部模式時，內(nèi)部接地電容實質(zhì)內(nèi)部的時鐘頻率。2CS片選信號低電平有效3WR寫信號低電平有效4RD讀信號低電平有效5HBEN轉(zhuǎn)換結(jié)果復(fù)用控制，低電平低8位有效，高電平高四位有效6SHDN關(guān)斷控制端，低電平有效7-10D7-D4三態(tài)數(shù)字I/O口端11D3/D11三態(tài)數(shù)字I/O口端，D3輸出（HBEN為低電平）D11輸出時（HBEN為高電平）12D2/D10三態(tài)數(shù)字I/O口端，D2輸出（HBEN為低電平）D10輸出時（HBEN為高電平）13D1/D9三態(tài)數(shù)字I/O口端，D1輸出（HBEN為低電平）D9輸出時（HBEN為高電平）max197既可以使用內(nèi)部參考電壓源,也可以使用外部參考電壓源?？梢钥闯?當(dāng)使用內(nèi)部參考源時,芯片內(nèi)部的25v基準(zhǔn)源經(jīng)放大后向ref提供4096v參考電平。這時應(yīng)在ref與agnd之間接入一個47f電容,在refadj與agnd之間接入一個001f電容。當(dāng)使用外部參考源時,接至ref的外部參考源必須能夠提供400a的直流工作電流,且輸出電阻小于10。如果參考源噪聲較大,應(yīng)在ref端與模擬信號地之間接一個47f電容。 模擬量輸入通道擁有165v的過電壓保護(hù),即使在關(guān)斷狀態(tài)下,保護(hù)也有效。3.3.3 運行及控制模式通過對控制寄存器的設(shè)置,max197可以工作在不同的運行及控制模式,表3-2就是控制寄存器格式。表3-2 寄存器控制格式 D7 D6PD1 PD0D5ACQMODD4RNGD3BIPD2 D1 D0A2 A1 A0時鐘及電源關(guān)斷模式內(nèi)部/外部采集控制選擇模擬輸入 量程選擇模擬輸入 極性選擇模擬輸入 通道選擇下面我們重點討論不同的時鐘模式、采集控制模式、電源關(guān)斷模式以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。（1）時鐘模式 通過對控制寄存器的d6、d7位置數(shù),可以選擇max197使用外部時鐘或內(nèi)部時鐘。一旦選定時鐘模式,除非斷電（不包括電源關(guān)斷模式）,否則,所選時鐘模式不可再改變。在兩種時鐘模式下,外部采集和內(nèi)部采集控制模式都可選用。當(dāng)芯片上電時,初始狀態(tài)為外部時鐘模式。選擇內(nèi)部時鐘模式時,應(yīng)在clk端和地之間接入一個電容,不同的電容值對應(yīng)不同的內(nèi)部時鐘周期。工作時鐘的最大值為2mhz。（2）采集控制模式 通過將控制寄存器的acqmod位置0可選擇內(nèi)部采集控制模式。在內(nèi)部采集控制模式下,寫信號脈沖將開始一個由內(nèi)部定時控制長度的采集間隔。在6個時鐘周期長度的采集間隔結(jié)束時,將啟動下一個轉(zhuǎn)換。在內(nèi)部采集控制模式下,max197的模擬信號輸入電路擁有5mhz的信號帶寬,當(dāng)使用內(nèi)部采集控制模式并使用外接2mhz時鐘時,可達(dá)到100ksps的通過速率。通過將控制寄存器的acqmod位置0可選擇外部采集控制模式。采用外部采集控制模式是為了精確控制采樣孔徑或獨立控制采集和轉(zhuǎn)換時間。由用戶分別通過兩個寫信號脈沖控制采集間隔和開始轉(zhuǎn)換時間,第一個寫信號脈沖時將控制寄存器的acqmod位置1,開始一個采集間隔。第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的acqmod位置0,結(jié)束采集間隔并開始轉(zhuǎn)換。然而,如果在第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的acqmod位置1,則將開始又一個采集間隔。在第一個寫信號脈沖和第二個寫信號脈沖時,控制寄存器中的模擬通道選擇位必須置相同的值。電源關(guān)斷模式控制位可以置不同的值。（3） 電源關(guān)斷模式 為節(jié)省能源,max197可以在兩次轉(zhuǎn)換之間工作于低電流關(guān)斷模式。有兩種電源關(guān)斷模式供選擇,通過控制寄存器的pd1、pd0位,可以選擇stbypd（待機）模式或fullpd（全關(guān)斷）模式。當(dāng)stbypd關(guān)斷模式被設(shè)置后,只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束后才生效。在stbypd模式下,芯片在第一個寫信號的下降沿返回正常狀態(tài)。當(dāng)fullpd關(guān)斷模式被設(shè)置且shdn端變?yōu)榈碗娖綍r,芯片處于硬件全關(guān)斷狀態(tài)（fullpd）,此時將馬上中止轉(zhuǎn)換。這里須強調(diào)的是,在不同的關(guān)斷模式下,芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時的過渡過程是不一樣的。軟件設(shè)計時,必須充分考慮到這一特點。在stbypd模式時,帶隙參考源和參考源放大電路仍然保持工作,ref上的電壓將不受模式轉(zhuǎn)換的影響。因此,可以在這種模式時選擇任何采樣速率而不用考慮恢復(fù)正常狀態(tài)時的延遲。即在兩次轉(zhuǎn)換之間選用stbypd關(guān)斷模式時,不用考慮過渡時間。然而,在fullpd模式下,只有帶隙參考源在工作,芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時存在一個過渡過程。為了減小過渡過程的影響,應(yīng)在ref與agnd之間接入一個33pf的電容。（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取 輸出數(shù)據(jù)采用無符號二進(jìn)制模式（單極性輸入方式）或二進(jìn)制補碼形式（雙極性輸入方式）。當(dāng)cs和rd都有效時,hben為低電平,低8位數(shù)據(jù)被讀出,hben為高電平,復(fù)用的高4位被讀出,另外4位保持低電平（在單極性方式下）,或另外4位為符號位（在雙極性方式下）。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時,轉(zhuǎn)換完成中斷信號端int發(fā)出一個低電平信號,當(dāng)讀信號結(jié)束或一個新的控制字節(jié)被寫入時,int端重新變?yōu)楦唠娖?。在轉(zhuǎn)換期間寫入一個新的控制字節(jié)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換中止并開始一個新的采集間隔。3.4 顯示模塊的設(shè)計 在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，在此不作介紹，本章重點介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：（1） 顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。（2） 數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。（3） 功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。3.4.1 液晶顯示簡介 液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。 液晶顯示器的分類液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理：線段的顯示：點陣圖形式液晶由MN個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當(dāng)（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。字符的顯示：用LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。3.4.2 1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。3.4.3 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖3-6所示：圖3-6 1602LCD尺寸圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm引腳功能說明： 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3-3所示： 表3-3 1602LCD引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1234567VSSVDDVLRSR/WED0電源地電源正極液晶顯示偏壓數(shù)據(jù)/命令選擇讀/寫選擇使能信號數(shù)據(jù)9101112131415D2D3D4D5D6D7BLA數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)背光源正極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表3-4所示。1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）表3-4：控制命令表序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM(或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：DDRAM地址設(shè)置。指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。3.4.3 LM016L的接線圖 由于LM016L與LM1602的管腳基本相似只是后者比前者多了兩個管腳即調(diào)亮度的管腳，所以本實驗采用LM016L芯片比較簡單。顯示模塊的接線圖如圖3-7所示。圖3-7顯示器顯示模塊3.5 MAX232芯片簡介利用PC機配置的異步通信適配器，可以很方便的完成IBM-PC系列機與AT89S51單片機的數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)在采用MAX232單芯片實現(xiàn)AT89S52單片機與PC機的RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口通信電路。 MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片，適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需要的+10V電壓。所以，采用此芯片接口的穿行通信系統(tǒng)只需要單一的+5V電源就可以了。MAX232芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖中C1+、C1-、C2+、C2-及VS+、VS-是電源變換電路部分。圖3-8 MAX232芯片結(jié)構(gòu)引腳圖在實際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，VS+、VS-必須加對地去耦電容C10、C7，其值為1uF。電容C8、C9取同樣數(shù)值的旦電解電容1.0 uF/16V,用以提高抗干擾能力，在連接時必須盡量靠近器件。采用RS-232接口僅需3根線便可在兩個數(shù)字設(shè)備之間全雙工的傳送數(shù)據(jù)，應(yīng)注意其發(fā)送、接收的引腳要對應(yīng),如圖3-7所示。T1IN和T2IN可直接接TTL/COMS電平的AT89S51單片機的串行發(fā)送端TXD;R1OUT和R2OUT可直接接TTL/COMS電平的AT89S51單片機的串行接收端RXD;T1OUT和T2OUT可直接接PC機的RS-232串口接收端RXD；R1IN和R2IN可直接接PC機的 RS-232串口發(fā)送端TXD。但該方法需要寄存器來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及RS-232設(shè)備之間的握手與流量控制。采用MAX232芯片接口的PC機與AT89S52單片機串口通信的接口電路如圖3-9所示。圖3-9串口通信電路圖 本系統(tǒng)上下位機通信波特率為9600bits，晶振為24MHz，通信的數(shù)據(jù)格式如前所述，共11位：1位啟動位，8位數(shù)據(jù)位(低位在前)，1位可控的第9位和1位停止位。數(shù)據(jù)傳輸格