畢業(yè)設(shè)計（論文）基于89C52單片機的數(shù)字式工頻有效值多用表設(shè)計

1、目 錄摘要 abstract1 緒論1 1.1 數(shù)字式工頻有效值多用表的功能1 1.2 數(shù)字式工頻有效值多用表的研究背景1 1.3 數(shù)字式工頻有效值多用表開發(fā)意義22 總體方案論證33 硬件設(shè)計5 3.1 放大電路設(shè)計5 3.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計8 3.3 相角測量電路設(shè)計13 3.4 鍵盤/顯示電路設(shè)計13 3.5 看門狗電路設(shè)計16 3.6 數(shù)字式工頻有效值多用表的工作原理18 3.7 單片機的選用194 軟件設(shè)計21 4.1 數(shù)字式工頻有效值多用表的總流程圖21 4.2 交流信號的相角測量22 4.3 交流信號的采集程序23 4.4 計算電壓、電流有效值程序24 4.5 功率因數(shù)子程序-

2、28 4.6 看門狗子程序29 4.7 鍵盤/顯示子程序30 4.8 數(shù)字式工頻有效值多用表的自檢32 4.9 數(shù)字式工頻有效值多用表的自動量程轉(zhuǎn)換37結(jié)論39致謝40參考文獻41摘 要本次設(shè)計的數(shù)字式工頻有效值多用表采用 89c52單片機作為核心 ,充分利用其內(nèi)部的 8kb程序存儲器和 256b的數(shù)據(jù)存儲器來進行數(shù)據(jù)的實時采樣與處理；外圍使用12位的a/d轉(zhuǎn)換器可使測量精度高；利用數(shù)字電位器實現(xiàn)增益自動控制,從而滿足各種量程的測量精度。該表可測量電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù) 。本文首先介紹了數(shù)字式工頻有效值多用表的作用,描述了系統(tǒng)的設(shè)計過程,給出了系統(tǒng)的組成框圖

3、及各部分的原理圖；說明了核心部件數(shù)字式電位器x9241的結(jié)構(gòu)、性能特點；簡述了交流采樣法的原理及實現(xiàn)過程；對系統(tǒng)的軟件設(shè)計也進行了敘述,給出了部分軟件流程圖。該數(shù)字式工頻有效值多用在器件上盡量做到使硬件線路簡單，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度的不足。關(guān)鍵詞： 多用表 單片機 數(shù)字電位器 交流采樣 abstractthe design of power frequency rms dmm based on at89c52 microcomputer. data gathering and calculating only depend on the inner 8kb code-ram an

4、d 256b data-ram of 89c52.the exterior 12bit a/d and digital electric-device improve the precision, can measure effective value of voltage and effective value of electric current, active power, reactive power, power factor and so on.in this paper, the functions of digital alternating current paramete

5、r multi-function meter are introduced. the system design process is described. the constitute frame diagram and each part on-lines diagram are given. the construction and function characteristics of core digitally controllable variable resistors x9241 are elucidated. the principle with realized proc

6、ess of ac sampling methods are described in brief. the software design of system is described also. the part software blocks are given.the digital dmm spent on devices do as much as a simple hardware circuits, and make full use of software programming, components make up for the lack of accuracy. du

7、e to limited, and there is a need to improve the design of the paper. for example, before using high precision components, and measurement algorithm further perfect. keywords ： dmm single chip microcomputer digital potentiometer exchange sampling1 緒 論1.1 數(shù)字式工頻有效值多用表的功能本設(shè)計實現(xiàn)了一個多功能的數(shù)字多用表。此表除了能測直流電壓，直流

8、電流，還利用單片機的控制、運算功能，根據(jù)離散積分公式，基于對電力系統(tǒng)參數(shù)進行交流采樣的思想，實現(xiàn)了同時對一路工頻交流電的頻率、電壓有效值、電流有效值的測量。用軟件計算出有功功率、無功功率、功率因數(shù)、利用數(shù)字電位器，使系統(tǒng)具有自校準、自動量程轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)充分發(fā)掘了單片機的運算能力，以軟件代替硬件電路，使硬件電路大大簡化。本系統(tǒng)利用了數(shù)字電位器調(diào)節(jié)準確方便，使用壽命長，受外部環(huán)境影響小，性能穩(wěn)定等特點。1.2 數(shù)字式工頻有效值多用表的研究背景所謂數(shù)字式儀表，就是將被測對象離散化、數(shù)據(jù)處理后以數(shù)字式顯示的儀表。第一臺數(shù)字儀表出現(xiàn)于20世紀50年代初，之后隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字式儀表與數(shù)字化測

9、量技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。目前國內(nèi)外已生產(chǎn)有許多種測量并具有很寬技術(shù)特性范圍的數(shù)字儀表，如電壓表、電流表、功率表、電能表、計數(shù)器、萬用表、頻率計等。數(shù)字儀表與模擬式指示儀表相比具有很多優(yōu)點。比如：準確度高、靈敏度高、輸入阻抗高、操作簡單、測量速度快等。數(shù)字式儀表目前主要缺點是：結(jié)構(gòu)復雜、成本高、維修困難、觀察動態(tài)過程不直觀。但是，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路工藝水平的提高，數(shù)字式儀表的上述缺點將越來越小。從模擬到數(shù)字，從單一通道到綜合多通道測量的發(fā)展，從單個儀表向測量信息系統(tǒng)過度，將各種電學量和非電學量變換成統(tǒng)一量（時間、頻率、直流電壓）后進行測量等，是近十年來測量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。按儀

10、器出現(xiàn)的先后順序和先進性，可將儀器儀表劃分為三大類產(chǎn)品。第一類產(chǎn)品是模擬式儀器儀表。這種儀表至今仍在廣泛地使用著。比如指針式的電壓表、電流表、功率表等。第二類產(chǎn)品是數(shù)字肢儀器儀表，它在準確度和靈敏度等方面都遠遠優(yōu)于模擬式儀表。這類儀器儀表的基本工作原理是將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，采用邏輯運算硬件電路實現(xiàn)測量功能。這類儀器儀表的發(fā)展很快，目前正在各個領(lǐng)域被廣泛地使用。第三類產(chǎn)品是智能儀器儀表，它的基本原理是借助計算機（pc）采用軟件替代部分硬件實現(xiàn)邏輯運算與數(shù)據(jù)傳輸、存儲等功能，所以也被稱之為微機化儀器儀表。它具有數(shù)據(jù)采集、顯示數(shù)字處理及優(yōu)化和控制功能。智能儀器儀表將朝著開放儀器的體系結(jié)構(gòu)（pc儀器系

11、統(tǒng)）和虛擬儀器方向發(fā)展，是今后一個時期儀器儀表發(fā)展的一個重要方向。1.3 數(shù)字式工頻有效值多用表的開發(fā)意義與普通的模擬多用表相比，數(shù)字式多用表的測量功能較多，它不但能測量直流電壓、直流電流等參數(shù)，而且能測量交流電壓、交流電流、功率、功率因數(shù)等。除測量功能外，還有自動量程轉(zhuǎn)換、自檢等功能。普通多用表具有電路簡單、成本低、測量、使用方便等特點。但測量精度較差，它的使用和發(fā)展受到了一定的限制。而數(shù)字式多用表具有很高的靈敏度和準確度，顯示清晰直觀、功能齊全、性能穩(wěn)定、可靠性好、省電、小巧輕便等優(yōu)點。由于數(shù)字式多用表具有很多優(yōu)點，因此，得到了迅速發(fā)展和普及，具有開發(fā)的意義。2 總體方案論證方案一：系統(tǒng)采

12、用對電壓、電流信號分別測量，測量功率時則將電壓、電流信號取出，然后進行功率計算，原理框圖如圖2-1所示。整個系統(tǒng)是采用模擬控制方式，硬件電路實現(xiàn)復雜，功率因數(shù)測量難以實現(xiàn)，系統(tǒng)還不能實現(xiàn)復雜的控制算法。圖2-1 方案一原理框圖方案二：采用89c52單片機來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。 多用表的組成框圖如圖2-2所示。由四組開關(guān)來決定直流電壓,直流電流,交流電壓,交流電流的輸入.直流部分,直流電壓,直流電流經(jīng)過分壓后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后送入單片機,由單片機計算電壓,電流的有效值以及功率.交流部分,交流信號放大后，一方面由過零比較電路轉(zhuǎn)為方波信號，由單片機

13、計數(shù)器測量出信號周期和測量出電壓、電流之間的相位差；同時電壓、電流信號經(jīng)a/d采樣轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片機系統(tǒng)在每個信號周期內(nèi)分別采樣n個電壓、電流值，根據(jù)離散積分公式計算出電壓、電流的有效值以及有功功率、無功功率、功率因數(shù)。在測量過程中，單片機系統(tǒng)根據(jù)不同的信號有效值，自動改變數(shù)字電位器的參數(shù),以改變信號放大倍數(shù),使系統(tǒng)對信號采樣保持在最佳線性狀態(tài)，保證了測量的精度。比較以上兩種方案，方案一是模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜控制和計算，控制方案的改善也較麻煩。方案二是采用以89c52為控制核心的單片機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)顯示、打印、與微機通訊等功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化，并且系統(tǒng)所測

14、結(jié)果的精度有很大提高。故經(jīng)過對兩種方案的比較，本設(shè)計及制作采用了方案二。圖2-2 多用表的組成框圖3 硬件設(shè)計3.1 放大電路設(shè)計3.1.1 放大電路的方案比較方案一：采用集成運放芯片op07對電壓、電流信號進行放大處理，如圖3-1所示：圖3-1 信號放大電路可根據(jù)理論公式進行計算選擇不同的阻值就可以選擇不同的放大倍數(shù)。r1選用4k，r2選用1k，r3選用0.8k時，放大倍數(shù)可以達到5倍，但是由于系統(tǒng)的影響，放大倍數(shù)不能達到準確的倍數(shù)，并且這種放大處理不能同時滿足對大小信號的處理，在放大器的前端還要加上一個電壓比較電路把電壓信號和基準電壓進行比較，電壓大于1v時則不需要放大處理。方案二 電路如

15、圖3-2所示，以數(shù)字電位器x9241作為運算放大器op-07的反饋電阻，這樣可根據(jù)輸入信號的幅度大小，選擇不同的放大倍數(shù)，實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn) 換。芯片x9241具有四個非易失性數(shù)控電位器單元，每個單元有63個可以被滑動單元訪問的抽頭點，單片機可通過x9241的串行接口（scl，sda）改變?nèi)我庖粋€電位器的輸出阻值。在本系統(tǒng)中，通過對不同信號幅度的判斷，來調(diào)整x9241的電阻值,使運算放大器的放大倍數(shù)改變,保證系統(tǒng)工作于最佳線性狀態(tài),并實現(xiàn)了量程的自動轉(zhuǎn)換。這樣能同時滿足對大小信號的處理，硬件電路簡單，容易實現(xiàn)。 本設(shè)計采用了這種方案。圖 3-2 信號放大電路3.1.2 數(shù)字電位器x92411.

16、x9241概述x9241是在單一芯片上集成了4個10k數(shù)字電位器，每個電位器的滑動端共有64個離散的調(diào)節(jié)節(jié)點，并有4個8bit的e2prom數(shù)據(jù)寄存器以及一個滑刷控制寄存器（wcr）。可以通過相應(yīng)指令使電位器的wcr（滑刷控制寄存器）與某個數(shù)據(jù)寄存器相關(guān)聯(lián)，也可以直接控制wcr以達到改變電位器滑動端位置的目地。x9241芯片具有i2c總線接口，可以實現(xiàn)寄存器映射、改變滑刷位置以及進行電位器級聯(lián)等操作。x9241采用20引腳雙列直插封裝。其中vwi（i03）為四個獨立的10k電位器的滑動端；vli（i03）分別為四個電位器的兩個終端；a3，a2，a1，a0為x9241芯片的設(shè)備地址；scl，sd

17、a分別為i2c接口的串行時鐘和串行數(shù)據(jù)線。x9241的工作電壓為5v。2. x9241的結(jié)構(gòu)原理 a.電阻陣列x9241內(nèi)部包括一個i2c接口和四個數(shù)字電位器。每個數(shù)字電位器由電阻陣列及與之對應(yīng)的滑動端計數(shù)寄存器wcr、四個8位數(shù)據(jù)寄存器r0r3等部分構(gòu)成。電阻陣列。每個電阻陣列由63個串聯(lián)連接的分立的電阻段組成。每個電阻陣列的物理終端等效于機械電位器的固定端（vh和vl輸入端）。每個陣列的vh和vl以及每個電阻段之間的接點（即抽頭）通過fet開關(guān)連接滑動輸出端vw；而滑動端vw在電阻陣列中的位置由wcr控制。 x9241引腳vw0、vw1、vw2及vw3分別為四個電位器的滑動端；vl0、vl

18、1、vl2及vl3分別為四個電位器的低端；vh0、vh1、vh2及vh3分別為四個電位器的高端；a0、a1、a2及a3為地址線（用來設(shè)置從屬地址低4位）；sda及scl分別為串行數(shù)據(jù)和串行時鐘；vcc及vss分別為電源和地b.滑動端計數(shù)寄存器wcr滑動端計數(shù)寄存器wcr實際上是一個6位帶有譯碼輸出的計數(shù)器，用來實現(xiàn)選擇六十四選一的fet開關(guān)的位置，即控制滑動端在電阻陣列中的位置。wcr是一種易失性存貯器，其內(nèi)容可通過指令改寫，上電時裝入數(shù)據(jù)寄存器r0的內(nèi)容。 c.數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可由用戶讀出或?qū)懭?，其?nèi)容可傳輸?shù)交瑒佑嫈?shù)寄存器wcr以設(shè)置滑動端的位置。每個數(shù)字電位器有四個8位非易失性

19、數(shù)據(jù)寄存器r0r3d.串行接口x9241支持i2c串行雙向總線的定向規(guī)約：實際應(yīng)用時x9241為從器件，由主機啟動數(shù)據(jù)的傳輸，并為發(fā)送和接收操作提供時鐘3. x9241的主要參數(shù) x9241的主要性能參數(shù)如下： sck，scl或其它地址輸入端相對于vss的電壓為17v； vh或vl相對于vss的電壓范圍為8v； vvhvl為16v； x9241工作電壓范圍為5v10。因為vh或vl相對于vss的電壓范圍是8v，所以x9241可以不受數(shù)字電 路05v電源窗口的制約而廣泛地應(yīng)用于各種具有正負電源的模擬電路。3.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計3.2.1 數(shù)據(jù)采集電路的方案比較方案一：因為要測出功率值，所以一個

20、周期內(nèi)要對交流電壓、電流信號同時取點采樣。用單片機對信號進行測量時，程序運行需要占用時間，因而不能對電壓、電流信號進行同時測量，只能分開測量，先在一個周期測電壓值，再在下一個周期測電流值。方案電路簡單，全部通過軟件實現(xiàn)。但所測值與實際值有誤差。因為所測電壓、電流信號不為同步信號，功率值也有誤差。方案二：電路如圖3-3所示，通過模擬開關(guān)mc14051選擇輸入信號，同時為了減小采樣的孔徑時間引起的孔徑，在a/d轉(zhuǎn)換器之前加一個采樣/保持電路lf398，該芯片具有采樣速率高，保持電壓下降慢和精度高等特點，電壓信號送至a/d轉(zhuǎn)換器ad574，其間以跟隨器隔離，這樣整個電路系統(tǒng)避免了采樣的孔徑時間以及器

21、件間影響引起的誤差，保證了系統(tǒng)測量精度。此設(shè)計采用了這種方案。圖3-3 采樣/保持電路3.2.2 模擬開關(guān)cd4051多路開關(guān)的主要用途是把模擬信號分時地送入a/d轉(zhuǎn)換器，或者把經(jīng)計算機處理后的數(shù)據(jù)由d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號，按一定的順序輸出到不同的控制回路中去。前者 稱為多路開關(guān)，完成多到一的轉(zhuǎn)換；后者稱為反多路開關(guān)或多路分配器，完成一到多的轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)的種類很多，例如cd4051（雙向8路）、cd4066（4路單向）、cd7501（單向8路）、 cd4052（單向，差動，4路）等等。所謂單向，就是既可以實現(xiàn)多到一的轉(zhuǎn)換，也可以完成一到多的轉(zhuǎn)換。而單向則只能完成多到一的轉(zhuǎn)換。差動即同時

22、有兩個開關(guān)動作，從而完成差動信號的傳輸。cd4051是雙向8通道多路開關(guān)。它由電平轉(zhuǎn)換譯碼/驅(qū)動和開關(guān)電路三部分組成，其中電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)coms到ttl邏輯電平的轉(zhuǎn)換，因此，加到通道選擇輸入的控制信號的電平幅度可為3v20v.同時，最大模擬信號的峰值可達20v。cd4051帶有三個通道選擇輸入端a,b,c和一個禁止端。當cba為000111b時，可產(chǎn)生8選1控制信號，使8路通道中的某一通道的輸入和輸出接通。當inh為0是，允許通道接通；當inh為1是，禁止通道接通。其真值表如表2-1所示。改變cd405的 in/out 07及out/in的傳遞通道方向，可用做多路開關(guān)和反多路開關(guān)。表3-1 c

23、d4051真值表inhc b a接通通道號0000in00001in10010in20011in30100in40101in50110in60111in71xxx-通常在單組電源供電條件下工作的cmos電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān),并使這種多路開關(guān)可傳輸峰此外,cd4051還設(shè)有另外一個電源端vee,以作為電平位移時使用,從而使得峰值達15v的交流信號。例如,若模擬開關(guān)的供電電源vdd=5v,vss=0v,當vee=5v時,只要對此模擬開關(guān)施加05v的數(shù)字控制信號,就可控制幅度范圍為5v5v的模擬信號。3.2.3 采樣/保持器 lf398 1. 功能 在a/d轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行

24、轉(zhuǎn)換的過程中，需要有一定的穩(wěn)定時間，為了保證a/d轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)模擬信號應(yīng)保持在采時的幅度不變，因此，在轉(zhuǎn)換器的前端應(yīng)加入采樣/保持電路(s/h)。如果輸入模擬量是直流量或者被測信號模擬量隨時間變化緩慢，s/h電路也可以省去。2. 工作原理采樣/保持電路有采樣和保持兩種運行狀態(tài) ，其原理由圖 說明。圖2-6中，電容c為保持電容，運放a1和a2都接成跟隨器，其運行狀態(tài)由方式控制端來決定。在采樣狀態(tài)下采樣命令通過方式控制輸入端控制s閉合，由于跟隨器a1的 隔離作用，輸入模擬電壓以很快的速度給c充電，輸出隨輸入變化。在保持狀態(tài)下，控制 s打開，此時由于跟隨器 a2的隔離作用，電容c兩端的電

25、壓（即輸出電壓）將保持在命令出時的輸入電壓不變，直到新的采樣命令到為止。 圖 3-4 采樣/保持電路3. 采樣/保持的技術(shù)指標孔徑時間（tap）：孔徑時間是指發(fā)出保持指令到開關(guān)真正打開所需要的時間。這一延遲回產(chǎn)生一個幅度誤差（稱孔徑誤差），顯然，輸入信號頻率愈低，孔徑誤差愈小，則孔徑時間對轉(zhuǎn)換精度影響就愈小?？讖綍r間一般在10ns20ns量級。捕捉時間（tac）：所謂捕捉時間是指從開始采樣至采樣保持器輸出達到當前輸入信號的值所需要的時間。它與保持電容器的電容值，放大器的頻響時間以及輸入信號的變化幅度有關(guān)。顯然，a/d轉(zhuǎn)換的采樣時間必須大于捕捉時間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入模擬信號。一般

26、采樣/保持電路0.01%的捕捉時間在300ns15s。保持電壓的下降：保持電壓的下降是指在保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流和其他漏電流而引起的保持電壓的下降，其值一般在0.1v/s1v/s。饋送：饋送是指在保持期間由于輸入信號電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，其值一般在0.01%0.001%。因而僅對高精度的a/d轉(zhuǎn)換器有影響。電壓增益精度：電壓增益精度是指當環(huán)境和電源變化時，電壓增益可以保持的精度。4. lf398采樣保持器lf398價格低廉，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。它有8個引腳，結(jié)構(gòu)框圖如3-5所示:圖3-5 lf398的結(jié)構(gòu)圖2腳接1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關(guān)

27、的關(guān)斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應(yīng)根據(jù)控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于14v時，lf398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平， 則lf398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術(shù)性能指標至關(guān)重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。3.2.4 12位a/d轉(zhuǎn)換器a/d574a/d574是12位快速逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換時間為25s，轉(zhuǎn)換誤差為1lsb。ad574具有下述幾個基本特點：片內(nèi)含有基準電壓的時鐘電路等，因而外圍電路較少；數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器，因而可直接微處理器接口；模擬量輸

28、入有單極性和雙極性兩種方式，接成單極性方式時，輸入電壓范圍為0v10v或0v20v，接成雙極性方式時，輸入電壓范圍為5v+5v 或10v10v。 主要引腳信號定義如下：數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。 ： 片選信號，低電平有效。ce： 片使能信號，高電平有效。：讀/啟動轉(zhuǎn)換信號，高時讀a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果，低時啟動a/d轉(zhuǎn)換。a0：a0信號具有兩種含義：當為低時，a0為高，啟動8位a/d轉(zhuǎn)換；a0為低，啟動12位a/d轉(zhuǎn)換。當為高時，a0為高，輸出低4位數(shù)據(jù)；a0為低，輸出高8位數(shù)據(jù)。sts：工作狀態(tài)信號，高表示正在轉(zhuǎn)換，低表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。ref in：基準輸入線。 ref

29、 out：基準輸出線。bip off：單極性補償。db11db0：12位數(shù)據(jù)線。10vin,20vin：模擬量輸入端。ad574a的ce、和a0對其工作狀態(tài)的控制過程。在ce=1、=0同時滿足時，ad574a才會正常工作，在ad574處于工作狀態(tài)時，當=0時a/d轉(zhuǎn)換，當=1是進行數(shù)據(jù)讀出。和a0端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。a0=0時，啟動的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進行的。當a0=1時，按8位a/d轉(zhuǎn)換方式進行。當=1，也即當ad574a處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時，a0和控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當=1時，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當=0時，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當a0=0時，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，

30、a0=1時輸出a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補零?？刂七壿嬚嬷当硪姳?-2。 表3-2 ad574的控制邏輯真值表 ce a0操作 1 0 0 x 012位轉(zhuǎn)換 1 0 0 x 18位轉(zhuǎn)換 1 0 1 5v x 12位并行輸出 1 0 1 接地 0輸出高8位數(shù)據(jù) 1 0 1 接地 1輸出低4位數(shù)據(jù)3.3 相角測量電路設(shè)計相角測量電路由過零比較器、反相器及與非門組成，電路如圖3-6所示。電壓、電流信號通過比較器后形成方波,分別送至單片機，引腳，由單片機計數(shù)測出其波形寬度，即可計算出周期及相位差，從而實現(xiàn)測量交流電頻率和功率因數(shù)之目的。 圖3-6 相角測量電路3.4

31、鍵盤/顯示電路設(shè)計3.4.1 鍵盤/顯示電路原理圖鍵盤/顯示電路如圖3-7 所示，用8255的兩個端口設(shè)計的16只按鍵和4只七段lcd顯示。16只按鍵的功能為測量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，自動、手動，0.1檔、1檔、10檔、100檔、1000檔，自檢，復位。七段顯示測量值和測試復位及自檢。3.4.2 可編程并行接口82558255各引腳含義如下：d07：數(shù)據(jù)線a01：地址線，用于選擇端口rd： 讀控制線，低電平有效wr：寫控制線，低電平有效cs：片選線，低電平有效reset：復位信號，高電平有效。8255復位后，所有i/o均處于輸入狀態(tài)。a口：8位數(shù)

32、據(jù)輸入鎖存器和8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器圖3-7 鍵盤/顯示電路圖b口：8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器和8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器c口：8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器和8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器8255有3種工作方式，在8255中有一個控制字用來選擇工作方式和a、b、c三個端口?？刂谱趾透魑缓x如下：d7d6d5d4d3d2d1d0d0：c口低四位。1-輸入，0-輸出d1：b口。1-輸入，0-輸出d2：b口工作方式選擇。0-方式0，1-方式1d3：c口高四位。1-輸入，0-輸出d4：a口。1-輸入，0-輸出d5：工作方式選擇 3.4.3 lcd液晶顯示驅(qū)動器hef4543hef4543是一位bcd-七段譯瑪帶數(shù)據(jù)鎖存

33、功能的驅(qū)動器，它可以驅(qū)動發(fā)光二極管led的七段數(shù)碼管，也可以驅(qū)動七段液晶顯示器件。hef4543原理框圖見圖3-8所示。當鎖存端ld=1時，鎖存器輸出隨數(shù)據(jù)輸入端dcba的變化而變化，當ld=0時，鎖存器保存最近數(shù)據(jù)，并禁止鎖存器接受數(shù)據(jù)。hef4543還設(shè)置了顯示開關(guān)信號bi。當bi=1時關(guān)顯示。ph為驅(qū)動相位控制端，它連接驅(qū)動器中異或門的輸入端，控制著驅(qū)動器輸出的相位。hef4543的真值表和譯碼表如表3-3所示。圖 3-8 hef4543原理框圖表3-3 hef4543的真值表和譯碼表 bi ld dcba 顯示1000x110x9 a-f x無顯示0-9 無顯示 不變 3.5 看門狗電

34、路設(shè)計3.5.1 看門狗電路原理圖系統(tǒng)在運行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標?？撮T狗(watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證。 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”?？撮T狗實際上是一個計數(shù)器，一般給看門狗一個大數(shù)，程序開始運行后看門狗開始倒計數(shù)。如果程序運行正常，過一段時間cpu應(yīng)發(fā)出指令讓看門狗復位，重新開始倒計數(shù)。如果看門狗減到0就認為程序沒有正常工作

35、，強制整個系統(tǒng)復位。圖3-9 看門狗電路圖3-9 為at89c52與x5045的典型接口電路。x5045與單片機的接口是通過x5045的spi總線接口實現(xiàn)，由于at89c52內(nèi)部沒有spi總線接口控制器，依次通過at89c52的p1.2、p1.3、p1.6、p1.7分別模擬spi總線的數(shù)據(jù)輸入、串行時鐘、數(shù)據(jù)輸出時序來實現(xiàn)對x5045的操作。信號一般不通過p2口選通，因為p2口工作于地址總線時，其不能保證片選持續(xù)有效。由于只能是位控方式連接，一般與單片機的p1口或p3口相接，圖2-11中用的是p1.2、p1.3、p1.6 p1.7分別與x5045的片選端、串行輸入si、串行時鐘slk和串行輸出

36、so相連，二者的reset引腳相連。按鈕開關(guān)s和電阻組成復位電路，為單片機提供上電初始化和復位方式。系統(tǒng)時鐘電路選擇12mhz的晶振。3.5.2 x5045芯片x5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行eeprom 三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計減少了電路對電路板空間的需求。x5045中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能。當系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時間時，電路中的看門狗將通過reset信號向cpu 作出反應(yīng)。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍以下時，系統(tǒng)將復位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。x5045的存儲器與cpu 可通過串行通信方式接口，共有409

37、6個位，可以按5128個字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。1. 引腳介紹x5045共有8個引腳，各引腳的功能如下：cs ：電路選擇端，低電平有效； so ：串行數(shù)據(jù)輸出端； si ：串行數(shù)據(jù)輸入端； sck：串行時鐘輸入端； wp ：寫保護輸入端，低電平有效； reset ：復位輸出端； vcc ：電源端；vss ：接地端。2. 工作原理（1）上電復位向x5045加電時會激活其內(nèi)部的上電復位電路，從而使reset 引腳有效。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當vcc 超過器件的vtrip門限值時，電路將在200ms（典型）延時后釋放reset 以允許系統(tǒng)開始工作。（2）低電壓監(jiān)視工作

38、時， x5045對vcc 電平進行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小vtrip以下時，系統(tǒng)即確認reset，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當reset 被確認后，該reset 信號將一直保持有效，直到電壓跌到低于1v 。而當vcc 返回并超過vtrip達200ms時，系統(tǒng)重新開始工作。 （3）看門狗定時器看門狗定時器的作用是通過監(jiān)視wdi輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)cs/wdi引腳以避免reset 信號激活而使電路復位，所以cs/wdi引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高至低信號的觸發(fā)。3. x5045的程序接口：wren_cmd：設(shè)置寫允許。必須

39、在寫eeprom 存儲器陣列或?qū)憼顟B(tài)之前設(shè)置。寫操作后，wel位自動復位wrdi_cmd：復位寫允許(寫禁止)wrsr_cmd：寫狀態(tài)寄存器中的看門狗定時位(wd0, wd1)和塊保護位(bp0, bp1)。rdsr_cmd：讀狀態(tài)寄存器byte_write：單字節(jié)寫入到eeprom存儲器陣列byte_read：從eeprom存儲器陣列讀取單字節(jié)page_write：向eeprom存儲器陣列寫入3個連續(xù)字節(jié)。可很容易改為寫入一頁sequ_read：從eeprom存儲器陣列順序讀取字節(jié)。很容易改為讀任何字節(jié)rst_wdog：復位看門狗定時器3.6 數(shù)字式工頻有效值多用表的工作原理 3.6.1 電

40、壓、電流有效值測量電壓、電流有效值公式根據(jù)離散積分公式推導得出。電壓有效值計算公式： （1）式（1）中，n為每周期采樣次數(shù)，vm為第m次采樣的電壓瞬時值。 電流有效值計算公式： （2）式（2）中，n為每周期采樣次數(shù)，im為第m次采樣的電流瞬時值。3.6.2 功率、功率因數(shù)的測量若電壓超前或滯后電流時間為t，電壓周期為t，則電壓、電流間的相位差為:=360*t/t (3) 功率因數(shù)和功率分別為: (4)有功功率： (5)視在功率: (6)無功功率: (7)3.7 單片機的選用本設(shè)計選用的是atmel公司的at89c52單片機。at89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos8位單片

41、機，片內(nèi)含8kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準mcs-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大at89c52單片機適用于許多較為復雜控制應(yīng)用場合。at89c52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，at89c52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是

42、可反復擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。主要功能特性：兼容mcs51指令系統(tǒng)；8k可反復擦寫(1000次)flash rom；32個雙向i/o口；256x8bit內(nèi)部ram；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率0-24mhz；2個串行中斷； 可編程uart串行通道；2個外部中斷源；共6個中斷源；2個讀寫中斷口線；3級加密位；低功耗空閑和掉電模式；軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。at89c52的編程原理：1.將rst接高電平,psen接低電平；2.擦除芯片,每次重新編程前都要首先把原來rom里面的程序擦除掉,將編程模式組合為擦除模式,送ale端一個10ms寬度的低電平脈沖即可；3 在地址

43、線上輸入所需編程的存儲單元的地址；4.將正確的控制信號組合為有效(寫模式)；5.在數(shù)據(jù)線上輸入相應(yīng)的字節(jié)；6. 將ea升至12v；7.給ale一個50us的低電平脈沖；8.效驗數(shù)據(jù),將控制信號組合為讀模式,數(shù)據(jù)即出現(xiàn)在p0口；9.改變地址和數(shù)據(jù),重復步驟3-8步,直至程序?qū)懲辍? 軟件設(shè)計4.1 數(shù)字式工頻有效值多用表的總流程圖如圖4-1所示 圖 4-1 總流程圖4.2 交流信號的相角測量測量相位的原理 將兩個同頻被測信號整形為兩個方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于被測信號的正向過零點和負向過零點，然后測量出這兩個同頻方波的前沿（或后沿）之間的時間差比例，即為這兩個被測信號之間的相位差，簡稱相差。

44、要獲得這個時間差比例，通常采用填充計數(shù)法，其基本原理見圖4-2，a，b為工頻待測的電壓，電流信號，兩信號經(jīng)整形后形成a1和b1兩路方波，若a1的兩個前沿之間（一個信號周期）的計數(shù)脈沖的個數(shù)為n個a1與b1的兩個相鄰前沿之間的計數(shù)脈沖的個數(shù)為n個，則a，b兩路之間的相位差為： n/n * 360 因此，要獲得電壓，電流信號間的相位差，只要獲得兩個計數(shù)值n和n，通過(1)式計算即可。那么相位計算的分辯率就為3600/n ，也就是表示相差的最小單位。被測信號的頻率一定時，計數(shù)脈沖的頻率就決定了相位測量的精度。被測信號頻率為50hz,計數(shù)脈沖頻率為fa ，則設(shè)計時應(yīng)滿足： fa360050 圖4-2

45、相位差測量原理4.3 交流信號的采集程序系統(tǒng)的采樣時間間隔為0.5s。采樣時，在1個信號周期內(nèi)對一相電壓、電流等時間間隔準確采樣100點并把結(jié)果存入片外數(shù)據(jù)存儲器相應(yīng)的存儲頁內(nèi)，全采完后，對采到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。數(shù)據(jù)采集子程序：smp： mov r0，#00h ；初始化mov r2，#80h ；u1存放頁地址送r2ret： mov tl0，#00hmov th0，#00hsetb tr0mov a，r0mov r7，#00h ；采樣點數(shù)寄存器初始化mov r1，21h ；當前采樣點的頁內(nèi)地址指針ad12：clr p1.0選通當前的電壓信號sh： jnb 00h，sh ； clr 00h ；準

46、備好，清標志clr 1.6mov p2，#dfh ；啟動a/d轉(zhuǎn)換ad1： jb p1.2,ad1；未完，等待lcall data ；讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果存入相應(yīng)頁setb p1.0；切換到電流信號mov p2，#dfh ；啟動a/d轉(zhuǎn)換ad2： jb p1.2，ad2；未轉(zhuǎn)換完，等待inc r2 ；頁地址+1，到存放該電流的頁面lcall data ；讀入結(jié)果inc r7 ；采樣點inc r1；inc r1 ；采樣點存放單元地址cjne r7，#10h，ad12 ；未完，繼續(xù)lcall frqcy；inc r0 ；置采樣標志inc r2 ；電壓存儲頁mov r1，21h ；存儲頁地址指針cjne r

47、1，#03h，rte 未采完add 21h，#1fh ；采完ret4.4 計算電壓、電流有效值程序計算電壓、電流有效值的流程圖如圖4-3所示： 圖 4-3 電壓、電流有效值計算的流程圖功能：加法 入口條件：字節(jié)數(shù)在r7中，被加數(shù)在r0中，加數(shù)在r0中。 出口信息：和在r1中，最高位進位在cy中。 bcda:mov a,r7 ；取數(shù)至r2中 mov r2,a add a,r0 ；初始化數(shù)據(jù)指針 mov r0,a mov a,r2 add a,r1 mov r1,a clr c bcd1: dec r0 ；調(diào)整數(shù)據(jù)指針 dec r1 mov a,r0 addca,r1 ；相加 da a ； mov

48、 r1,a ；和存回r0中 djnzr2,bcd1 ； ret 功能：倒數(shù)函數(shù) 入口條件：操作數(shù)在r0中。 出口信息： ov=0時，結(jié)果在r0中，ov=1時，溢出。 frcp:mov a,r0 mov c,acc.7 mov 1fh,c ；保存數(shù)符 mov c,acc.6 ；絕對值傳送到第二工作區(qū) mov acc.7,c mov r5,a inc r0 mov a,r0 mov r6,a inc r0 mov a,r0 mov r7,a dec r0 dec r0 orl a,r6 jnz rcp setbov ；零不能求倒數(shù)，設(shè)立溢出標志 ret rcp: mov a,r6 jb acc.7,rcp2 ；操作數(shù)格式化否？ clr c ；格式化之 mov a,r7 rlc a mov r7,a mov a,r6 rlc a mov r6,a dec r5 sjmprcp rcp2:mov r2,#1 ；將數(shù)值1.00傳送到第一工作區(qū) mov r3,#80h mov r4,#0 lcalldiv3 ；調(diào)用工作區(qū)浮點除法，求得倒數(shù) ljmp mo