基于單片機(jī)單相數(shù)字電功率表的設(shè)計(jì)

摘要本文主要講述了基于單片機(jī)的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計(jì)。該單相數(shù)字功率表采用AT89C52單片機(jī)作為中央處理器，其間通過(guò)檢測(cè)電壓電流值，采用過(guò)零比擬法利用單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)算出相位角，最后依據(jù)得出電網(wǎng)功率，最后將檢測(cè)到的測(cè)量值顯示在液晶顯示器上。另外本文介紹了其相關(guān)硬件電路和軟件程序流程圖，本設(shè)計(jì)主要包括下面幾方面：交流信號(hào)數(shù)據(jù)采樣與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)應(yīng)用與編程、液晶顯示。隨著社會(huì)的開(kāi)展，電子產(chǎn)品逐漸朝著數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化方向開(kāi)展，本設(shè)計(jì)的數(shù)字功率表也逐漸取代了傳統(tǒng)指針式模擬功率表，其具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的研究意義。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)數(shù)據(jù)采集過(guò)零比擬液晶顯示AbstractThispaperdescribesthedesignofsingle-phasedigitalelectricpowermeterbasedonMCU.ThesinglephasedigitalpowermeterusingAT89C52microcontrollerasthecentralprocessor,whichbydetectingthevoltageandcurrentvalue,thezerocrossingcomparisonmethodtheuseofsingle-chiptimertocalculatethephaseangle,finallybasedontheresultsofthepower,themeasurementofthedetectedvaluedisplayedontheLCDmonitor.Thispaperalsointroducestherelatedhardwarecircuitandsoftwareprogramflowchart,thedesignmainlyincludesthefollowingaspects:samplingandprocessing,analog-to-digitalconversion,applicationandprogramming,MCULCDACsignaldata.Withthedevelopmentofsociety,electronicproductsgraduallytowardsdigitization,informatization,automationdevelopmentdirection,thedesignofthedigitalpowermeterhasgraduallyreplacedthetraditionalanalogpointertypepowermeter,ithasadvantagesofstronganti-interferenceability,highprecision,strongexpansibility,easytobeintegrated,withgoodresearchsignificance.Keywords:microcontrollerdataacquisitionmorethanzeroliquidcrystaldisplay目錄TOC\o"1-3"\h\u906摘要I18258AbstractII14194第1章概述1199951.1設(shè)計(jì)背景與意義1186121.2研究?jī)?nèi)容1540第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2275152.1系統(tǒng)根本思想2314932.2系統(tǒng)功能要求210592.3系統(tǒng)框圖3126802.4設(shè)計(jì)方案及技術(shù)分析3162052.4.1電壓電流采集模塊3172952.4.2信號(hào)處理模塊481352.4.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4151242.4.4相位角測(cè)量模塊422653第3章系統(tǒng)硬件分析5298973.1電路測(cè)試系統(tǒng)的分析5151053.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介5278913.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24C16519193.2系統(tǒng)的前向通道811299電壓、電流采樣的前置電路843683.2.2相位角測(cè)量的前置電路1068343.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路114463.3鍵盤電路15310233.4液晶顯示電路159164第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18279314.1Keil編程軟件介紹184924.2程序設(shè)計(jì)18196244.2.1系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)18324064.2.2初始化子程序的設(shè)計(jì)19269704.2.3測(cè)量子程序21170474.2.4液晶顯示子程序26227084.2.5鍵盤掃描子程序289615第5章系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程30295345.1Proteus軟件應(yīng)用3017905.2電壓、電流采集模塊調(diào)試30180225.3相位角測(cè)量模塊調(diào)試3112885.4液晶顯示模塊調(diào)試33203545.5系統(tǒng)調(diào)試339762第6章總結(jié)3525735參考文獻(xiàn)3730010致謝3826477附錄A:原理圖3919488附錄B：仿真圖4013206附錄C：局部程序41第1章概述1.1設(shè)計(jì)背景與意義隨著社會(huì)的開(kāi)展，電能在人們的生活中無(wú)處不在，并以各種形式影響著人們的生活?，F(xiàn)在人們的根本生存得到保障，對(duì)用電設(shè)備工作狀態(tài)的了解與要求也越來(lái)越高。這些工作狀態(tài)主要包括電網(wǎng)電壓、設(shè)備工作電流、工作環(huán)境、壓力、濕度等，只有滿足所有用電設(shè)備的最大要求才能確保人身的平安問(wèn)題。電網(wǎng)電壓與工作電流的穩(wěn)定是設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的前提，而功率表是電壓電流最終的表達(dá)方式，因此，對(duì)功率表的測(cè)量顯得尤為重要。最近幾年，隨著電子、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體三方面技術(shù)的飛速開(kāi)展，電力系統(tǒng)在測(cè)量方面也發(fā)生了巨大的變革。功率表一直以來(lái)作為重要的工業(yè)測(cè)量?jī)x表，廣泛被應(yīng)用于電工與電子技術(shù)領(lǐng)域，目前，電能表、電子式功率計(jì)采用的工作原理，根本上是依據(jù)功率的定義，采用各種乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓與電流的乘積，而本設(shè)計(jì)采用數(shù)值采樣法，對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，以獲得較高的精度。與傳統(tǒng)方法不同，本設(shè)計(jì)采用過(guò)零比擬法利用單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)電壓與電流的的時(shí)間差進(jìn)行確定，從而計(jì)算出電壓與電流的相位角，再經(jīng)查表得出功率因數(shù)，最后計(jì)算出電網(wǎng)功率。家庭用電主要是交流電，所以本設(shè)計(jì)主要研究的是單相交流數(shù)字電功率表。其采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，分開(kāi)采集電壓電流，再通過(guò)軟件編程計(jì)算出功率。測(cè)量的過(guò)程中，通過(guò)把連續(xù)的模擬量〔交流輸入的電壓和電流〕轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式。傳統(tǒng)的指針式電能表功能單一且精度低，以不能滿足社會(huì)的需求，故采用單片機(jī)的數(shù)字功率表，精度高、抗干擾能力強(qiáng)、集成方便，還可與PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。目前，集成的數(shù)字功率表功能強(qiáng)大、使用方便、體積小，廣泛應(yīng)用與電子及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能數(shù)字化領(lǐng)域，在市場(chǎng)上受到很多人的青睞。1.2研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)是針對(duì)單相交流數(shù)字電壓表系統(tǒng)的研究，以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)并制作0-300V交流電壓、0-5A交流電流的采集、電壓超前電流的相位角的硬件系統(tǒng)。在制作硬件系統(tǒng)的平臺(tái)上編寫相關(guān)的程序并實(shí)現(xiàn)功率的計(jì)算與顯示。系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為核心處理器，通過(guò)硬件電路和軟件編程，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作和液晶顯示器顯示。本設(shè)計(jì)主要包括下面幾方面內(nèi)容：交流信號(hào)數(shù)據(jù)采樣與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)應(yīng)用與編程、液晶顯示。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)根本思想本設(shè)計(jì)是針對(duì)二端網(wǎng)絡(luò)〔如圖2-1〕電路中參數(shù)的測(cè)量，假設(shè)端電流i及端電壓u是在關(guān)聯(lián)的參考下，分別為，，其中是電壓超前于電流的相位角，那么瞬時(shí)功率，其中U、I分別是電路的電壓有效值和電流有效值，通過(guò)濾除高頻交流分量，就可以得到功率的有效值。圖2-1二端網(wǎng)絡(luò)本課題主要研究的電路電網(wǎng)中對(duì)正在運(yùn)行時(shí)的參量進(jìn)行測(cè)量、保存、顯示，對(duì)于單片機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，可以選用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)中我選擇利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)根本的設(shè)計(jì)思路如下：首先，對(duì)于電路中的電壓和電流的測(cè)量，可以通過(guò)系統(tǒng)的前置電路把其轉(zhuǎn)換成可供采樣電壓信號(hào)，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理，由軟件讀出，然后進(jìn)行處理，處理后參數(shù)由液晶顯示器顯示出來(lái)。其次，對(duì)相位角的測(cè)量，采用過(guò)零比擬的方法利用單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)電壓與電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行確定，再通過(guò)計(jì)算就可以確定電壓與電流的相位差，故功率因數(shù)可以通過(guò)查表得到。最后，功率的測(cè)量那么是通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)的。電路每一個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)四個(gè)參數(shù)可以通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。2.2系統(tǒng)功能要求本設(shè)計(jì)利用數(shù)字功率表來(lái)測(cè)量頻率為50Hz的交流電路的各種參數(shù)，包括電壓有效值、電流有效值、功率、功率因數(shù)。數(shù)字功率表不能直接測(cè)量得到，必須先進(jìn)行電壓、電流和功率因數(shù)的測(cè)量，才能計(jì)算出功率。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)闡述了電壓和電流分別采樣及采用過(guò)零比擬的方法利用單片機(jī)的定時(shí)器得出相角的過(guò)程，選用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并用液晶顯示器SMC1604A。對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行顯示。這個(gè)過(guò)程需要完成硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使最終的數(shù)字功率表具備以下的功能：電壓、電流值同步顯示電壓測(cè)量范圍0-300V，電流測(cè)量范圍0-5A在液晶顯示器上顯示電壓、電流、功率因數(shù)、功率2.3系統(tǒng)框圖在基于單片機(jī)的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計(jì)中，如果要對(duì)元件的功率進(jìn)行測(cè)量，首先要明白功率的意義，從式中可知，要測(cè)量功率就要求電壓有效值、電流有效值和功率因數(shù)，故在本次設(shè)計(jì)中分別對(duì)其做了處理，由此可以劃分為下面幾大模塊：電壓電流采集模塊、相位角測(cè)量模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊，在第三章我將對(duì)其做詳細(xì)的介紹。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4設(shè)計(jì)方案及技術(shù)分析2.4.1電壓電流采集模塊方案一：電阻分壓采樣通過(guò)將電阻串聯(lián)或電阻并聯(lián)放到待測(cè)電路中，電流流過(guò)電阻，從而采集到電壓電流的值。方案二：電壓電流互感器互感器是一種儀用變壓器，它是把電壓、電流按一定的比列進(jìn)行變換的一種測(cè)量設(shè)備。其主要的功能是將一些大電壓、大電流縮小一定的比例并將其變換成一種標(biāo)準(zhǔn)的低電壓(100V)、低電流(5A或1A，均指額定值)，因此使得一些測(cè)量?jī)x表、保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、小型化。同時(shí)互感器能夠隔開(kāi)高壓電力系統(tǒng)，從而人身和設(shè)備的平安得到保證。方案一主要適用于小電壓小電流信號(hào)的采樣，優(yōu)點(diǎn)在于接線簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但由于電阻的接入使得原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)功率損耗增大，并對(duì)原信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，這樣采樣誤差變大。方案二適用于一些大電壓、大電流的采樣，功率損耗低，能很好的實(shí)現(xiàn)電氣隔離，采樣過(guò)程對(duì)原信號(hào)無(wú)影響。電流互感器對(duì)于200V左右的交流信號(hào)采樣明顯勝于電阻分壓采樣，應(yīng)選擇方案二。2.4.2信號(hào)處理模塊首先電壓電流互感器二次測(cè)電壓比擬小，且A/D轉(zhuǎn)換器只接收0-5V直流電壓信號(hào)進(jìn)行處理，故需要對(duì)采樣到的小交流信號(hào)進(jìn)行放大、整流，整流出來(lái)的電壓電流信號(hào)通常含比擬大的紋波，所以需要電容和電阻來(lái)設(shè)計(jì)平波電路。綜上，信號(hào)處理模塊需要設(shè)計(jì)整流電路和平波電路。2.4.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換器采用11通道10位TLC1543串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，TLC1543具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、價(jià)格低、使用靈活和易于與單片機(jī)接口等特點(diǎn)，是一款高性價(jià)比的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其片內(nèi)設(shè)有自動(dòng)保持電路。故采用TLC1543比擬適合。2.4.4相位角測(cè)量模塊功率因數(shù)是指正弦信號(hào)的電壓超前于電流的相角的余弦值。方案一：采用過(guò)零比擬的方法來(lái)求相位角某一正弦信號(hào)周期性的出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，通過(guò)測(cè)出過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間就能得出該信號(hào)的相角。方案二：通過(guò)傅式濾波的方法來(lái)求相位角該方法完全考慮系統(tǒng)不對(duì)稱性所造成的諧波對(duì)測(cè)量精度的影響，但只適用于無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)。綜上，本設(shè)計(jì)采用方案一。第3章系統(tǒng)硬件分析3.1電路測(cè)試系統(tǒng)的分析單片機(jī)電路測(cè)試系統(tǒng)主要由AT89C52、24C16數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤電路以及前向測(cè)試通道〔電壓電流采樣電路〕和液晶顯示電路構(gòu)成。它主要完成的任務(wù)是：系統(tǒng)從前向通道采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)內(nèi)部總線送給片外的24C16數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行儲(chǔ)存，并將處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的芯片。其片內(nèi)內(nèi)置通用的8位中央處理器〔CPU〕和Flash存儲(chǔ)單元，功能比擬強(qiáng)大，適用于各種復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。51單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響到單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般情況下采用10-30uF，C1越大需要的復(fù)位時(shí)間越短，故本設(shè)計(jì)中采用10uF；晶振Y1即可采用6MHz也可采用11.0592MHz，一般在正常運(yùn)行的情況下都選那么較大頻率的晶振，因?yàn)閱纹瑱C(jī)CPU的處理速度直接受到晶振振蕩頻率的影響，頻率越大的晶振處理的速度就越快，故本設(shè)計(jì)中采用11.0592MHz；晶振電路中的起振電容C2、C3一般采用15-33pF，且起振電容越接近晶振越好，而晶振的位置離單片機(jī)的距離越近越好，一般C2、C3取相同值30PF。單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)的最小系統(tǒng)3.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24C16一、24C16說(shuō)明在本設(shè)計(jì)中，數(shù)字功率表的系統(tǒng)很小，所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比擬小，所以我選用了串行E2PPOM24C16片外存儲(chǔ)器。原因在于系統(tǒng)掉電后它所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不消失，并且與單片機(jī)連接的管腳也比擬少,一定的程度上可以節(jié)約系統(tǒng)的硬件資源。當(dāng)然它也有一定的缺乏，就是在軟件編程時(shí)比擬麻煩。24C16是一個(gè)16K位串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有2048個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司具有先進(jìn)的CMOS技術(shù)，其實(shí)質(zhì)上是器件的功耗得到了減少。24C16具有一個(gè)16字節(jié)頁(yè)的寫緩沖器，該緩沖器是通過(guò)I2C總線的接口來(lái)完成操作的，另外還具有一個(gè)特定功能的寫保護(hù)引腳。24C16引腳圖如圖3-2、引腳功能如下表3-1所示：圖3-224C16引腳圖表3-124C16引腳功能管腳名稱功能A0、A1、A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時(shí)鐘WP寫保護(hù)Vcc+1.8V到6.0V工作電壓Vss地二、24C16的功能描述24C16支持I2C總線數(shù)據(jù)的很多傳送協(xié)議，I2C總線規(guī)定，任意一個(gè)把數(shù)據(jù)傳送到I2C總線的器件叫做發(fā)送器。任意一個(gè)從I2C總線接收數(shù)據(jù)的器件叫做接收器。數(shù)據(jù)的傳送是由產(chǎn)生的串行時(shí)鐘信號(hào)以及所有起始信號(hào)、停止信號(hào)的主器件來(lái)控制的。任意一個(gè)主器件或者從器件都能稱為發(fā)送器或者接收器，但傳送數(shù)據(jù)〔發(fā)送或接收〕的模式是由主器件來(lái)控制。三、24C16的時(shí)序描述1．24C16的起始信號(hào)：時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為24C16的起始信號(hào)。2．24C16的停止信號(hào)：時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為24C16的停止信號(hào)。3、24C16的起始、停止時(shí)序如下列圖3-3所示：圖3-3起始、停止時(shí)序圖四、24C16的尋址過(guò)程描述主器件發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)來(lái)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程，然后再發(fā)送它所需要尋址的控制命令字〔從器件的地址〕，該控制命令字的高4位固定為1010，A2、A1、A0作為器件的地址位，用來(lái)定義哪個(gè)器件以及器件的哪一個(gè)局部被主器件訪問(wèn)，而讀寫控制位是由該控制字的最低位來(lái)控制的。“1〞表示對(duì)控制字進(jìn)行讀的操作，“0〞表示對(duì)控制字進(jìn)行寫的操作。接下來(lái)主器件的發(fā)送首先要訪問(wèn)從器件的地址，在起始信號(hào)被主器件發(fā)送和地址字節(jié)被從器件發(fā)送后，當(dāng)24C16監(jiān)視總線的地址和從器件發(fā)送的地址一致時(shí)，24C16會(huì)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)的應(yīng)答的信號(hào)〔通過(guò)SDA線〕。24C16再依據(jù)讀寫的控制位〔R/W〕的狀態(tài)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?4C16在系統(tǒng)電路中的接法如3-4圖所示。圖3-424C16在系統(tǒng)電路中接法3.2系統(tǒng)的前向通道每個(gè)系統(tǒng)都有自己的輸入信號(hào)，不然整個(gè)系統(tǒng)都是失敗的，所以在本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，即前向通道，以此來(lái)采集必要的輸入信息。下面是講述本次系統(tǒng)前向通道的構(gòu)成及接口。電壓、電流采樣的前置電路由于本系統(tǒng)測(cè)量電壓的有效值范圍是0V到300V，電流有效值的范圍是0A到5A，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(jì)電壓和電流的前置通道完成強(qiáng)電到弱電的轉(zhuǎn)換。即外部電壓或電流先經(jīng)過(guò)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。一、電壓采樣將0-300V的交流電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓，此時(shí)采用TVA1421-01型電壓互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該器件的原理是電流型電壓互感器，即二次測(cè)輸出的電流與輸入的電壓成正比，所以二次測(cè)不能開(kāi)路，使用時(shí)在二次測(cè)接入采樣電阻，采樣電阻取500歐姆時(shí)，由于輸出電流等于輸入電流，所以采樣電阻兩端的電壓即為0-1V。電壓采樣電路如圖3-5所示。圖3-5電壓采樣電路圖二、電流采樣由于流過(guò)用電設(shè)備的交流電流通常比擬大，所以應(yīng)該把它按比列的衰減成一個(gè)平安的同特性、不失真的交流小信號(hào)。采樣電流為5A的交流電，所以選擇TVA1421-01型電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。TVA1421-01型電流互感器中間有一個(gè)通孔，應(yīng)用時(shí)可將待測(cè)電線穿過(guò)此孔，它輸出的小信號(hào)電流也是與輸入的電流成線性比例的，使用時(shí)在二次端串接電阻，即可采樣到電壓。TVA1421-02型作為電流互感器時(shí)，額定電壓為9A時(shí)，輸出額定電流為6mA,故額定輸入電流5A時(shí)，那么額定輸出電流為3.33mA，此時(shí)采樣電阻選用300歐姆，二次測(cè)輸出電壓為0-1V。下面為電流采樣電路圖3-6。圖3-6電流采樣電路三、信號(hào)處理分析該模塊主要是將電壓電流采樣模塊采樣到的交流電壓信號(hào)進(jìn)行整流和平波處理，使其能被A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的0-5V直流電壓信號(hào)。下面是電壓采集信號(hào)處理電路〔圖3-7〕和電流采集信號(hào)處理電路〔圖3-8〕。圖3-7電壓采集信號(hào)處理電路由電壓采樣可知，互感器變換后電壓UD為0-1V，經(jīng)運(yùn)算放大器放大5倍，在經(jīng)過(guò)整流、濾波、分壓后，可得到0-5V的交流電壓。圖3-8電流信號(hào)處理電路由電流采樣電路可知，經(jīng)互感器變換后電流為3.33mA，電壓1V，調(diào)節(jié)反應(yīng)電阻W5將電壓放大5倍，在經(jīng)過(guò)整流、濾波、分壓后，可得到0-5V的交流電壓。由于交流電壓或交流電流信號(hào)經(jīng)互感器變換后電壓值比擬小，所以應(yīng)先將電壓電流值放大再經(jīng)過(guò)二極管整流電路進(jìn)行整流，得到0-10V范圍內(nèi)的直流電壓，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器只接收0-5V的直流電壓，所以要通過(guò)電阻進(jìn)行分壓。在處理信號(hào)時(shí)，要保護(hù)測(cè)量設(shè)備，所以在信號(hào)送入TLC1543之前并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管以對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在0-5V以內(nèi)的范圍，經(jīng)過(guò)上面一系列的處理得出的電壓值才能與電路的真實(shí)值相等。電壓〔或者電流〕量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換那么通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)于量程轉(zhuǎn)換將在第四章軟件設(shè)計(jì)中具體介紹，在此就不再表達(dá)。3.2.2相位角測(cè)量的前置電路利用過(guò)零點(diǎn)來(lái)測(cè)量電壓、電流的相位差。對(duì)于某一正弦信號(hào)，都會(huì)出現(xiàn)周期性的出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，我們只要測(cè)出過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間就可以得出電壓、電流的相位差。該電路主要由限幅電路、過(guò)零檢測(cè)器和光電耦合器組成。在前面一節(jié)中，對(duì)于電壓與電流的采集，我們是通過(guò)互感器來(lái)獲得的，在本節(jié)中我還是采用互感器來(lái)獲得電壓電流的真實(shí)值。當(dāng)電路電壓或電流通過(guò)互感器變換后的采樣電壓或電流值大于0時(shí)，那么1點(diǎn)〔7點(diǎn)〕的電位小于零，發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光電耦合器作用導(dǎo)致P3.2輸出低電平。當(dāng)電壓〔電流〕的負(fù)半軸經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，1點(diǎn)〔7點(diǎn)〕的電位大于零且近似為5V，這個(gè)時(shí)候發(fā)光二極管不導(dǎo)通，使得光電耦合器不作用P3.3輸出為高電平。由于本系統(tǒng)所測(cè)量的電路頻率主要為50HZ的交流電，在系統(tǒng)中電壓接入INT0〔單片機(jī)的P3.2管腳〕，電流接入INT1〔單片機(jī)的P3.3管腳〕，這樣根據(jù)電壓和電流過(guò)零的時(shí)間差，再通過(guò)軟件編程我們可以計(jì)算出電壓和電流之間相差的相位角，從而滿足了設(shè)計(jì)要求。由此可看出在這個(gè)電路中光電耦合器有兩種作用：電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換。圖3-9相位角測(cè)量電路3.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理后出來(lái)的是模擬量，而單片機(jī)接收的信號(hào)只是數(shù)字量，所以A/D轉(zhuǎn)換電路是功率測(cè)量中必不可少的一局部。本次設(shè)計(jì)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片作為處理器，在此選擇有11路模擬量輸入的TLC1543轉(zhuǎn)換器，因?yàn)門LC1543不僅轉(zhuǎn)換時(shí)間很快、采樣的精度高而且使用單片機(jī)I/O接口少，完全可以滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。為了TLC1543轉(zhuǎn)換器能可靠的運(yùn)行，需要對(duì)其各個(gè)控制端進(jìn)行學(xué)習(xí)。一、TLC1543簡(jiǎn)介〔1〕TLC1543是20腳封裝的CMOS芯片，也是10位開(kāi)關(guān)電容按逐次逼近的方法進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器。TLC1543引腳圖如圖3-10所示。〔2〕輸入端有三個(gè)和三態(tài)輸出端有一個(gè)：片選〔CS〕、輸入/輸出時(shí)鐘〔I/OCLOCK〕、地址輸入端〔ADDRESS〕以及數(shù)據(jù)輸出端〔DATAOUT〕。具有一個(gè)四線接口，可以直接與主處理器或其他的外圍串行口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?！?〕片內(nèi)部含有一個(gè)14路多路的選擇器，可供選擇的有：在11個(gè)輸入中的可以選擇1個(gè)，在內(nèi)部含有3個(gè)帶有自測(cè)試的電壓可以選擇一個(gè)。〔4〕片內(nèi)還設(shè)有自動(dòng)采樣的保持電路。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成?！?〕系統(tǒng)的時(shí)鐘應(yīng)在片內(nèi)產(chǎn)生并且與I/OCLOCK同步?！?〕片內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)換器，使該器件具有以下特點(diǎn)：高速〔單次轉(zhuǎn)換的時(shí)間10us〕、高精度〔10位的分辨率、最大+LSB線性的誤差〕和低噪聲。圖3-10TLC1543引腳圖二、工作過(guò)程TLC1543工作時(shí)序如圖3-11所示，其工作過(guò)程分為兩個(gè)周期：訪問(wèn)周期和采樣周期。圖3-11TLC1543時(shí)序圖時(shí)序使用方法：〔1〕片選CS高電平，EOC高電平，CLK時(shí)鐘低電平；〔2〕片選CS低電平，開(kāi)始讀出第一位數(shù)據(jù)；〔3〕在第一個(gè)時(shí)鐘上升沿，輸入一個(gè)地址數(shù)據(jù)；〔4〕之后在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿輸出AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在上升沿輸入地址數(shù)據(jù)；〔5〕TLC1543是10位轉(zhuǎn)換器，因此有10個(gè)時(shí)鐘；〔6〕一個(gè)操作過(guò)程結(jié)束后，片選CS高電平，EOC會(huì)在最后第10個(gè)時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)低電平，開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換，此時(shí)，輸出被禁止，等到轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC置位1，代表轉(zhuǎn)換結(jié)束。等到CS片選再次低電平，開(kāi)始第二次操作。三、硬件設(shè)計(jì)TLC1543的基準(zhǔn)由外電路提供，在本設(shè)計(jì)中由于對(duì)采樣的精度要求較高，所以在編程的時(shí)候軟件要將TLC1543設(shè)置成單極性輸出，MSB做前導(dǎo)輸出并且輸出的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10位。TLC1543可直接與單片機(jī)連接，SDO、ADDR、CS、CLK、EOC分別接到單片機(jī)P2.0-P2.4口上。TLC1543硬件電路圖為3-12所示，TLC1543的輸入存放器格式如表3-2所示，根據(jù)硬件原理圖和表格3-2可以確定出各個(gè)量程的的通道地址以及TLC1543的控制格式如表3-3所示。圖3-12TLC1543的硬件電路圖表3-2TLC1543的輸入存放器格式功能選擇輸入數(shù)據(jù)字節(jié)備注地址位L1L0LSBFBIPD7=MSBD0=LSBD7D6D5D4D3D2D1D0AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8AIN9AIN1000000000111000011110000011001100101010101010選擇輸入通道REF+與REF—差模1011內(nèi)部測(cè)試REF—單端1100REF+單端1101軟件斷電1110MSB先出LSB先出01順序輸出單極性雙極性01極性表3-3各個(gè)量程通道對(duì)應(yīng)地址和控制格式通道與之對(duì)應(yīng)的TLC1543的通道通道地址以及控制格式采樣電壓通道IN000H采樣電流通道IN110H3.3鍵盤電路鍵盤分獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤，但它們都是由一組按壓式或觸模式開(kāi)關(guān)構(gòu)成的陣列。鍵盤的各個(gè)功能依據(jù)具體的設(shè)計(jì)來(lái)定。在本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功能鍵比擬少，一共就4個(gè)按鍵，所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇獨(dú)立式的按鍵。由于51單片機(jī)P0口作為接口使用時(shí)需要接10千歐的電阻，所以每個(gè)按鍵各接一個(gè)電阻和一根輸入線，各個(gè)按鍵之間互不影響。因此通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)便可以很容易的判斷哪個(gè)按鍵工作了。本設(shè)計(jì)中，我將這五個(gè)按鍵分別定義為控制測(cè)試系統(tǒng)的顯示電壓、顯示電流、顯示功率因數(shù)、顯示功率、復(fù)位。本次設(shè)計(jì)的鍵盤電路如圖3-13所示。圖3-13鍵盤電路3.4液晶顯示電路本設(shè)計(jì)中，在顯示器的選擇上我選擇字符型的可編程的字符液晶顯示控制器，其型號(hào)是SMC1604A，因?yàn)樗粌H有其專用的指令集，易于編程，而且用它最多可以用來(lái)顯示四行字符，與我設(shè)計(jì)的功率表功能相符合。下面我將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。SMC1604A是標(biāo)準(zhǔn)字符型的液晶顯示器，其利用點(diǎn)陣型的液晶顯示器(LCD)，可以顯示16個(gè)字符*4行的西文字符，字符尺寸為2.95*4.75(WXH)mm，內(nèi)置HD44780接口，可與單片機(jī)的接口直接相連，應(yīng)用于各類儀器儀表及電子設(shè)備。SMC1604A標(biāo)準(zhǔn)的字符型的液晶顯示器示意圖如圖3-14所示，SMC1604A引腳圖如圖3-15所示，引腳接口功能如表3-4所示。圖3-14標(biāo)準(zhǔn)字符型液晶顯示器示意圖圖3-15SMC1604A引腳圖表3-4引腳說(shuō)明符號(hào)引腳說(shuō)明符號(hào)引腳說(shuō)明VSS電源地D2DataI/OVDD電源正極D3DataI/OV0LCD偏壓輸入D4DataI/ORS數(shù)據(jù)/命令選擇端〔H/L〕D5DataI/OR/W讀寫控制信號(hào)〔H/L〕D6DataI/OE使能信號(hào)D7DataI/OD0DataI/OBLADataI/OD1DataI/OBLK背光源負(fù)極液晶顯示器電路如圖3-16所示。D0-D7與P2口相接，E、RW、RS分別與P3.7、P3.6、P3.5相接。圖3-16液晶顯示器電路圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章對(duì)系統(tǒng)的硬件作了較為簡(jiǎn)單的分析，軟件與硬件是相輔相成的即硬件的運(yùn)作離不開(kāi)軟件的支持，所以這一章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程。這是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。本章主要針對(duì)數(shù)字功率表的測(cè)量詳細(xì)的介紹了軟件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。在本章中我對(duì)一些子程序像雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)的乘除法、二進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的排序取平均值、線性插值等之類子程序并沒(méi)有做詳細(xì)的介紹，因?yàn)榇祟惖淖映绦蛭覀兡茉趨⒖紩虾苋菀渍业浆F(xiàn)成的模塊，這些都是前人的經(jīng)驗(yàn)結(jié)晶，在這個(gè)系統(tǒng)中我是直接對(duì)它們進(jìn)行調(diào)試后引用的。最后還對(duì)本次軟件開(kāi)發(fā)工具，即軟件開(kāi)發(fā)工具仿真器Proteus作了一定的介紹。4.1Keil編程軟件介紹KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司生產(chǎn)的一種51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，也可以使用匯編進(jìn)行編寫，兩者相比擬，C語(yǔ)言功能更加強(qiáng)大。Keil界面圖如圖4-1所示。圖4-1Keil界面圖4.2程序設(shè)計(jì)在總的設(shè)計(jì)思想和硬件設(shè)計(jì)確定之后，我就可以開(kāi)始軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)前面介紹的工作原理和技術(shù)指標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)完成的主要任務(wù)有以下幾個(gè)模塊。4.2.1系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主程序是整個(gè)數(shù)字功率表系統(tǒng)控制程序的主要框架，它是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)的程序，運(yùn)行過(guò)程必須構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，這樣才能不斷的運(yùn)行程序。主程序應(yīng)不斷地順序查詢，并根據(jù)其功能調(diào)用相關(guān)的子程序并執(zhí)行其命令，以完成對(duì)各種實(shí)時(shí)控制事件的處理。本系統(tǒng)中，主程序的主要功能是測(cè)量和調(diào)用鍵盤掃描子程序，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量完成后我們調(diào)用鍵盤掃描子程序，根據(jù)掃描子程序得到所按的鍵的鍵值，按鍵值跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能鍵子程序?qū)崿F(xiàn)各種功能，并在返回主程序后調(diào)用顯示子程序在顯示器輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖4.2.2初始化子程序的設(shè)計(jì)初始化程序主要用來(lái)確定程序的初始堆棧，程序狀態(tài)字，對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行清零，設(shè)定定時(shí)器工作方式等等，初始化程序的具體步驟如下：1)由于單片機(jī)在復(fù)位后堆棧為07H，所以在系統(tǒng)開(kāi)始后應(yīng)該重新設(shè)置堆棧；2)清24C16寫保護(hù)，讀取標(biāo)志存放器的內(nèi)容，比擬標(biāo)志存放器中的內(nèi)容是否等于0AAH，如果相等那么保持系統(tǒng)上次運(yùn)行的狀態(tài)，否那么去除以前狀態(tài)；3)設(shè)置定時(shí)器工作方式和波特率。在這個(gè)系統(tǒng)中由于我們?cè)跍y(cè)量電壓和電流之間相位差的時(shí)候需要用到定時(shí)器T1和記錄一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)A/D采樣的次數(shù)N需要計(jì)數(shù)器T0,所以在初始化時(shí)，假設(shè)定時(shí)器T1的工作方式2，T0的工作方式1。波特率的設(shè)置是非常必要的，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們選用T0工作于方式1作為波特率發(fā)生器，設(shè)T1的計(jì)數(shù)器初值為X，依據(jù)公式：波特率=〔其中為系統(tǒng)的振蕩頻率為11.0592MHz〕由于在本系統(tǒng)中下我們選擇的波特率為9600，所以由上式計(jì)算得X=0xFDH。根據(jù)上面所述我們?cè)O(shè)定T1工作于定時(shí)方式2，T0計(jì)數(shù)方式1，串口工作于方式1。初始化液晶顯示器，液晶顯示器再次上電后必須重新進(jìn)行初始化才能顯示字符。整個(gè)系統(tǒng)的初始化子程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3初始化流程圖4.2.3測(cè)量子程序測(cè)量程序是整個(gè)系統(tǒng)的主要程序，是整個(gè)循環(huán)程序的主體內(nèi)容。在此我們主要完成的任務(wù)有電壓和電流之間相位差的測(cè)量、功率因數(shù)的計(jì)算，電壓有效值的測(cè)量、電流有效值的測(cè)量以及功率的計(jì)算，整個(gè)測(cè)量子程序的流程圖如圖4-4所示：圖4-4測(cè)量子程序流程圖其中測(cè)量子程序中又包含如下子程序：一、功率因數(shù)的測(cè)量子程序首先要完成電壓與電流之間時(shí)間差的測(cè)量，由上一章可知，單片機(jī)的定時(shí)器TO工作于計(jì)數(shù)方式1，定時(shí)器T1工作于定時(shí)方式2。電路實(shí)測(cè)輸出的波形如圖4-5所示。當(dāng)INT0由0變成1時(shí)，電壓波形產(chǎn)生正跳變，翻開(kāi)定時(shí)器T0，開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)INT1由0變成1時(shí)，電流波形產(chǎn)生正跳變，此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器T0。當(dāng)INT1再次由0變成1，即電壓波形產(chǎn)生正跳變時(shí)，再次翻開(kāi)定時(shí)器T0，這是個(gè)循環(huán)的過(guò)程。這樣，根據(jù)定時(shí)器T0中所保存的數(shù)值，通過(guò)公式〔4-1〕注：T指交流電路周期〔f=50HZ〕，指電壓和電流之間的相位差?？汕蟪鱿辔唤堑拇笮。?，〔4-2〕即，〔4-3〕其中T為電路的周期，可以得到其中，〔4-4〕。將公式4-4帶入公式4-3，所以便可以計(jì)算出相位角。然后再通過(guò)查表便可以求出功率因數(shù)。圖4-5實(shí)測(cè)輸出電壓電流波形圖對(duì)功率因數(shù)的測(cè)量子程序流程圖如4-6所示：圖4-6功率因數(shù)測(cè)量子程序二、電壓、電流有效值的測(cè)量在測(cè)量電壓、電流有效值的過(guò)程中，假設(shè)輸入電壓、電流與輸出電壓、電流成線性關(guān)系。0-300V輸入電壓對(duì)應(yīng)0-5V的輸出電壓，0-5A的輸入電流對(duì)應(yīng)0-5V的電壓。本系統(tǒng)電壓電流信號(hào)周期f=50HZ、T=20ms，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為10us，設(shè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)采樣的次數(shù)為N，在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的同時(shí)，進(jìn)行計(jì)算電壓電流有效值。公式如下：電壓有效值：〔4-5〕電流有效值：〔4-6〕注：k為采樣序列順序號(hào)，u(k)為k時(shí)刻電壓瞬時(shí)值，i(k)為k時(shí)刻電流瞬時(shí)值。通過(guò)上面的公式我可以求出任意時(shí)刻的電壓電流有效值，電壓有效值測(cè)量子程序流程圖如圖4-7所示，電流有效值測(cè)量子程序流程圖如圖4-8所示。圖4-7電壓有效值測(cè)量圖4-8電流有效值測(cè)量三、功率的測(cè)量在本設(shè)計(jì)中，功率并不是直接測(cè)出來(lái)的，而是通過(guò)軟件間接的算出來(lái)的。首先，先通過(guò)測(cè)量得到電壓有效值U、電流有效值I，然后根據(jù)公式便可計(jì)算出功率的數(shù)值，然后再送入GLSZ單元。功率測(cè)試流程圖如圖4-9所示。圖4-9功率測(cè)試流程圖4.2.4液晶顯示子程序本設(shè)計(jì)中使用SMC1604A液晶顯示器，其根本的操作時(shí)序如表4-1所示，狀態(tài)字說(shuō)明如表4-2、4-3所示。表4-1根本操作時(shí)序命令輸入輸出讀狀態(tài)RS=L，RW=H，E=HD0-D7=狀態(tài)字寫指令RS=L，RW=H，D0-D7=指令碼，E=高脈沖無(wú)讀數(shù)據(jù)RS=H，RW=H，E=HD0-D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)RS=H，RW=L，D0-D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖無(wú)表4-2狀態(tài)字說(shuō)明STA7STA6STA5STA47STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0表4-3狀態(tài)字說(shuō)明STA0-6當(dāng)前數(shù)據(jù)地址指針的數(shù)值STA7讀寫操作使能1禁止0允許注：對(duì)控制器每次進(jìn)行讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測(cè)，確保STA7為0。SMC1604A顯示處理流程圖如圖4-10所示。本系統(tǒng)中LCD顯示子程序包括兩個(gè)局部，即液晶初始化子程序和液晶顯示字符子程序。LCD顯示如果不經(jīng)過(guò)初始化即使將顯示數(shù)據(jù)送到LCD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上LCD也不能顯示數(shù)據(jù)，所以我們編制程序的時(shí)候系統(tǒng)初始化的時(shí)候最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就包括了液晶的初始化。LCD初始化包括LCD工作方式的設(shè)定、輸入方式設(shè)定、清屏等。其初始化流程圖如圖4-11所示。LCD顯示子程序的LCD顯示字符子程序，其功能就是將要顯示的數(shù)據(jù)送到LCD顯示器的顯示RAM中，在這個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的事就是要確定顯示RAM的地址，在本次設(shè)計(jì)中，LCD顯示器RAM地址如表4-4所示，顯示子程序具體流程圖如圖4-12所示。表4-4RAM地址行數(shù)地址第一行000102030405060708090A0B0C0D0E0F///第二行404142434445464748494A4B4C4D4E4F///第三行101112131415161718191A1B1C1D1E1F20..27第四行505152535455565758595A5B5C5D5E5F60..67圖4-10LCD顯示流程圖圖4-11初始化流程圖圖4-12顯示子程序具體流程圖4.2.5鍵盤掃描子程序本次設(shè)計(jì)中我選用獨(dú)立鍵盤，共4個(gè)按鍵，可以通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)便可以判斷哪個(gè)按鍵被按下了。鍵盤使用P0口，由于51單片機(jī)P0具有漏電保護(hù)的作用，所以在使用的時(shí)候要參加上拉電阻。在本設(shè)計(jì)中，鍵盤掃描主要是掃描P0.4、P0.5、P0.6、P0.7這四個(gè)按鍵。軟件流程圖如圖4-13所示。圖4-13鍵盤掃描流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程本次設(shè)計(jì)考慮到各方面原因，沒(méi)有做實(shí)物，所以硬件調(diào)試在本設(shè)計(jì)中將不在講述。下面我將從軟件調(diào)試方面進(jìn)行局部分析。第四章講述了編寫程序的軟件KEIL，在此介紹仿真軟件〔Proteus〕的應(yīng)用。5.1Proteus軟件應(yīng)用ProteusISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一種可以對(duì)電路進(jìn)行分析、對(duì)實(shí)物進(jìn)行仿真的軟件。該軟件是一款單片機(jī)和電路仿真〔SPICE〕相結(jié)合的仿真軟件，其功能強(qiáng)大，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真等，這些是其他任何一款軟件不能相比的。在本次設(shè)計(jì)中我選擇對(duì)課題進(jìn)行局部仿真，應(yīng)選用Proteus仿真軟件。Proteus工作界面如圖5-1所示。圖5-1Proteus工作界面5.2電壓、電流采集模塊調(diào)試在第3.2節(jié)中，我詳細(xì)的介紹了電壓電流采集模塊所用到的各種元器件作用及在電路中的作用，故在本節(jié)中不在做詳細(xì)的分析。0-300V正弦電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器變?yōu)?-1V，在經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路可以得出0-5V左右電壓信號(hào)，電壓采集到最小值如圖5-2所示，電壓采集到最大值如圖5-3所示。0-5A正弦電流信號(hào)經(jīng)電流互感器變?yōu)?-1V，在經(jīng)過(guò)電流信號(hào)處理電路后可得出0-5V左右電壓信號(hào)，電流采集到最小值如圖5-4所示，電流采集到最大值如圖5-5所示。圖5-2電壓采集到最小值圖5-3電壓采集到最大值圖5-4電流采集到最小值圖5-4電流采集到最大值5.3相位角測(cè)量模塊調(diào)試相位角測(cè)量電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中是屬于比擬根底的局部，在3.2.2節(jié)中，對(duì)本設(shè)計(jì)中相位角的測(cè)量電路進(jìn)行詳細(xì)的介紹與說(shuō)明，在4.2.3節(jié)中，從軟件方面講解了功率因數(shù)的計(jì)算：同頻率的兩個(gè)正弦信號(hào)，電壓與電流，采用過(guò)零比擬法通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間T1和T2，計(jì)算兩者之間的時(shí)間差ΔT=T2-T1，從而。本章從電路方面做一些仿真，如下列圖5-5、5-6所示，對(duì)電壓、電流分別在US1、UD、P3.2、IP1、ID、P3.3六處做采集波形圖。圖5-5電壓相位采集波形圖5-6電流相位采集波形5.4液晶顯示模塊調(diào)試LCD液晶顯示器在3.4節(jié)和4.2.4節(jié)分別從電路和軟件兩方面作出詳細(xì)的解釋與說(shuō)明，在本章中我將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬仿真。SMC1604A的仿真圖如圖5-7所示。圖5-7SMC1604A仿真圖5.5系統(tǒng)調(diào)試由于仿真軟件具有局限性，不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真，所以仿真時(shí)只能以單個(gè)模塊進(jìn)行仿真，在本第五章中，我只對(duì)局部模塊進(jìn)行仿真〔前面的章節(jié)已經(jīng)作出詳細(xì)的解說(shuō)〕。在本章節(jié)中，本系統(tǒng)仿真電路圖如圖5-8所示。圖5-8系統(tǒng)仿真電路圖第6章總結(jié)將近一學(xué)期的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)也走到了終點(diǎn)，在張老師的指導(dǎo)下，我順利地完成了基于單片機(jī)的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)的軟件與系統(tǒng)的硬件電路相結(jié)合后我們便得到了一個(gè)完整的數(shù)字功率表，這就是我們此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的成果。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我主要從上面五章對(duì)其做了詳細(xì)的解釋與說(shuō)明，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：〔1〕完成電壓信號(hào)采集、電流信號(hào)采集；完成相位角的測(cè)量；計(jì)算功率，并顯示在液晶顯示器上。通過(guò)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)書、查閱各種文獻(xiàn)、向老師咨詢等方式，在自己不斷的嘗試與驗(yàn)證下，我最終成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。下面我將對(duì)前面五個(gè)章節(jié)進(jìn)行總結(jié)。：概述，主要通過(guò)了解功率表在當(dāng)代人們生活中的一種現(xiàn)狀，分析其對(duì)人類的影響與優(yōu)缺點(diǎn)，從而總結(jié)出功率表在人們生活中是不可或缺的，另外在這個(gè)電力時(shí)代，我們所用到的電最后都是通過(guò)功率表來(lái)計(jì)算的，例如：一個(gè)家挺每天、每月消耗多少電能，一間工廠一天消耗多少電能等，這些都是以功率的形式來(lái)表達(dá)的。故功率表在生活中是必不可少的。：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，首先講了設(shè)計(jì)的根本思想，通過(guò)查閱各種資料，再比照幾種方案，最終確定各個(gè)模塊具體的設(shè)計(jì)方案。本章是整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的根本理論思想，也是設(shè)計(jì)的大體方向，對(duì)下面幾個(gè)章節(jié)的介紹具有深遠(yuǎn)的理想。：系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與分析，本章節(jié)是設(shè)計(jì)的重中之重。在本次設(shè)計(jì)中，可將其分為以下幾個(gè)模塊：電壓與電流采集電路模塊、相位角測(cè)量電路模塊、AD轉(zhuǎn)換電路模塊、液晶顯示電路模塊、鍵盤電路模塊。本章分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與說(shuō)明，在每一小節(jié)中都有電路圖的展示和電路中元器件的選擇說(shuō)明，最后還有畢業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中電路的根本原理圖，另外，電路的正確性決定了硬件電路的正確性。：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，依據(jù)第三章的電路原理圖，分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要利用到KEIL軟件進(jìn)行編程，利用VISIO繪制模塊流程圖，本章節(jié)是重點(diǎn)分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括一些數(shù)據(jù)的計(jì)算等，本章節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)也是無(wú)法替換的。：系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中我沒(méi)有做實(shí)物電路，所以在本章節(jié)中我只做了局部軟件仿真調(diào)試。主要利用的是Proteus仿真軟件，我在本章節(jié)中也有簡(jiǎn)單的介紹。我主要介紹了電壓與電流采集仿真、相位角測(cè)量仿真以及液晶顯示仿真，在本章節(jié)中也有圖片添加，可以清楚的看到本設(shè)計(jì)的成果。在本次設(shè)計(jì)中，我遇到了很多困難，如電路設(shè)計(jì)原理、如何選擇各種元器件、如何應(yīng)用軟件編程、如何應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真等，在種種的困難下、在老師的幫助下，我終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，雖然還有很多方面的缺乏，但我知道我努力了，我也從本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)到了好多東西，把以前忘掉了都重新拾起，更是把大學(xué)幾年來(lái)學(xué)到的東西得到很好的融合。參考文獻(xiàn)[1]楊居義，單片機(jī)案例教程.北京清華大學(xué)出版社，2023年[2]韓廣興，電子元器件與實(shí)用電路根底.北京電子工業(yè)出版社，2023年3月[3]趙廣元，Proteus輔助的單片機(jī)原理實(shí)踐-根底設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2023年9月[4]杜樹(shù)春，基于Proteus的模擬電路分析與仿真.北京電子工業(yè)出版社，2023年8月[5]周國(guó)雄，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)精講.北京中國(guó)鐵道出版社，2023年3月[6]蔣曉燕，張建生等.數(shù)字信號(hào)處理與應(yīng)用[M].東南大學(xué)出版社，2023[7]李廣弟，單片機(jī)根底.北京航空航天大學(xué)出版社，2007年5月[8]海濤，劉波，駱武寧等.基于單片機(jī)的單相軟開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器[C].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2006[9]謝維成、楊加國(guó),單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)實(shí)例.電子工業(yè)出版社，2006年3月[10]胡斌，圖表細(xì)說(shuō)元器件及實(shí)用電路.北京電子工業(yè)出版社，2005年9月[11]邊春遠(yuǎn)，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)用子程序[M].北京人民郵電出版社，2005年9月[12]姜志海、黃玉清,單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2005年7月[13]魏立峰,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù).北京大學(xué)出版社，2005年[14]胡健，單片機(jī)原理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