測量電壓、電流、功率

1、編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 測量電壓、電流、功率測量電壓、電流、功率 的數(shù)字表的設(shè)計(jì)的數(shù)字表的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 韋 領(lǐng) 學(xué) 號(hào)： 0600120328 指導(dǎo)教師： 郭 福 力 職 稱： 工 程 師 題目類型：題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 2010 年 05 月 24 日 摘 要 在現(xiàn)代檢測技術(shù)中，常需用高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行現(xiàn)場檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)送 入微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和顯示等功能.本設(shè)計(jì)是一種基于 AT89C51 單 片機(jī)的測量電量的數(shù)字表，以 AT89C51 單片機(jī)和 ADC08

2、09 為核心器件.該系統(tǒng)的數(shù)字電 壓表電路簡單，所用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：數(shù)字電表抗干擾 能力強(qiáng)、測量速度快、測量準(zhǔn)確度高.整個(gè)測量系統(tǒng)主要測量電壓電流兩個(gè)主要參數(shù)， 只要測出這兩個(gè)參數(shù)就可以計(jì)算出有功功率和無功功率。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成了硬件 電路的設(shè)計(jì)及軟件程序的編寫，通過最終硬件電路的調(diào)試及軟件程序的仿真，使該系 統(tǒng)能夠在要求的條件下達(dá)到正常的測量及顯示功能。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要 采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)主要分為四大模塊，即輸入信號(hào)衰減模塊、主控制 模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊和輸出顯示模塊。由于實(shí)際電路中的電量參數(shù)太大，ADC0809 直接 采集會(huì)使器件被損壞

3、，因此先對(duì)電量信號(hào)進(jìn)行衰減，在單片機(jī)的控制下完成對(duì)電壓、 電流信號(hào)采集，并對(duì)電壓和電流的相位進(jìn)行比較得到功率角，最后將測量結(jié)果通過 LCD1602 液晶顯示出來。該電路設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)。 關(guān)鍵字：AT89C51 單片機(jī);ADC0809;模塊化;數(shù)字表 Abstract In modern measuring technology，it is often required to conduct site measuring with a digital meterThe data measured will then be input into the micro-computer

4、 system to execute such functions like calculating，storing，controlling and displaying.An non- electricity measurement digital electric meter based on AT89C51 is proposed.It is a completed measurement systern based on the AT89C51 and AD0809. The digital meter meter features in simple electrical circu

5、it，lower use of elements，low cost and automatic regulation. The digital meter strong anti-jamming ability, Measuring speed, high accuracy field measurement methods .The measuring system, the main measure two main arguments are voltage and current. Just measured out the two arguments,it can calculate

6、 the active power and the reactive power. In this design, the hardware circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions. Over the designi

7、ng of the whole system, the method of modularity is used. The system is mainly divided into four modules：for example，the module of input signal attenuation,the module of master control, the module of ADC, the module of display export signal. Due to, the parameter of actual circuit quantity of electr

8、icity are unerhoert gross, if ADC0809 direct gathering the non-electricity signal,it will break down the device,and the digital electric meter will out of work.So, the quantity of electricity signal must take attenuation place .This system can accomplish the signal sampling of voltage and current,an

9、d compares the voltage and current phase, and gets the phase difference. The result can be displayed through the Liquid Crystal Display 1602. The circuit is modern design，powerful functions, scalability strong. Key words： AT89C51 MCU；ADC0809; Modularity ;Digital electric meter 目目 錄錄 引 言.1 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì).2

10、 1.1 技術(shù)要求.2 1.2 系統(tǒng)原理及基本框圖.2 1.3 輸入電路.3 1.4 交流電源信號(hào)衰減電路.3 1.4.1 電壓信號(hào)衰減電路.3 1.4.2 電流信號(hào)采集電路.4 1.4.3 電路電壓電流相位差電路.5 1.5 A/D 轉(zhuǎn)換電路 .7 1.5.1 AD 轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計(jì).7 1.5.2 ADC0809 芯片介紹.9 1.6 主控電路的設(shè)計(jì).11 1.6.1 主要功能.11 1.6.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖.11 1.6.3 外部引腳說明.12 1.6.4 單片機(jī)復(fù)位電路.13 1.6.5 單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用.14 1.7 顯示電路.15 1.8 整流電路.16 2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

11、17 2.1 主程序的設(shè)計(jì).17 2.2 子程序的設(shè)計(jì).17 2.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì).18 2.2.2 相位差程序的設(shè)計(jì) .18 2.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì).19 3 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試.21 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與安裝.21 3.2 系統(tǒng)各部分的調(diào)試.22 3.2.1 系統(tǒng)的硬件調(diào)試.22 3.2.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試.22 結(jié) 論.23 謝 辭.24 參考文獻(xiàn).25 附 錄.26 附 錄 A .26 附 錄 B.31 附 錄 C.35 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁 總 35 頁 1 引 言 在電氣測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測量，隨著電子技術(shù)的

12、發(fā)展， 電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對(duì)測量的精度和功能的要求也越來越 高，所以數(shù)字表就成為一種必不可少的測量儀器。傳統(tǒng)的電壓電流表在測量電量時(shí)需 要手動(dòng)切換電壓電流開關(guān)，不僅不方便，而且功能單一、精度低。如果在測量時(shí)忘記 切換量程，則會(huì)出現(xiàn)很大的測量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。以前電表一般均 為指針式面板表，精度低，可視距離近，數(shù)據(jù)需要人工抄錄，浪費(fèi)人力資源，數(shù)據(jù)管 理不便，容易出錯(cuò)。本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，將采集信號(hào)數(shù)字化，再 將測量結(jié)果顯示出來，這樣的數(shù)字表具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、驅(qū)動(dòng)電流小、動(dòng)作快、 操作方便、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可

13、擴(kuò)展性強(qiáng)、集成 方便。這將會(huì)大大的提高了測量的精度和速度，更加直觀的顯示測量結(jié)果，測量結(jié)果 數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面都取得了巨大的進(jìn)步。這樣具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度 高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點(diǎn)的數(shù)字表受到電子電氣工作者 的青睞。 數(shù)字電表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)，電表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直 流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤 進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。目前數(shù)字萬用表的內(nèi)部核心部件是 AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字萬用表的準(zhǔn)確度，本文A/D轉(zhuǎn)換器采 用ADC0809對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控

14、制核心AT89c51對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理， 最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號(hào)。 這種類型的數(shù)字電壓表無論在功能和實(shí)際應(yīng)用上都具有傳統(tǒng)電表無法比擬的優(yōu) 點(diǎn)，這使得它的開發(fā)和應(yīng)用都具有良好的前景。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁 總 35 頁 2 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，考慮到人身安全、防止燒壞元器件和更好的調(diào)試硬件電路等 問題，本設(shè)計(jì)并沒有直接將0250V的交流電接入硬件電路，而是將硬件電路與0 250V的交流電隔開，在0250V的交流電和硬件電路之間用互感器對(duì)強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行衰減， 變成弱電信號(hào)，然后再對(duì)該衰減后的弱電信號(hào)進(jìn)行采集，這樣就會(huì)很安全。電路的電

15、壓信號(hào)用電壓互感器進(jìn)行衰減，電流信號(hào)用電流互感器進(jìn)行衰減。被測電路中的電壓 相位和電流相位經(jīng)過互感器后的相位差很小，可以忽略不計(jì)。電壓電流信號(hào)衰減之后 還是交流信號(hào)，而本設(shè)計(jì)中ADC0809是對(duì)直流電信號(hào)進(jìn)行采集的，所以在信號(hào)接入AD轉(zhuǎn) 換器之前須將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成05V的直流電，因?yàn)锳DC0809的基準(zhǔn)電壓時(shí)直流5V。在 硬件電路設(shè)計(jì)中多次采用了電容濾波來消除干擾信號(hào)，可以提高信號(hào)的精確度，同時(shí) 也可以解決信號(hào)傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很小，在設(shè)計(jì)中加入 了74HC464驅(qū)動(dòng)LCD1602液晶顯示。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： (1)電源信號(hào)衰減電路：將輸入的0-250V

16、被測電壓信號(hào)衰減成O5V；將輸入 大電流信號(hào)衰減成小電流信號(hào)。 (2)相位差比較電路：將電壓和電流的相位進(jìn)行比較，完成相位差的計(jì)算。 (3)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路：完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理和對(duì)系統(tǒng)的控制。 (4)顯示電路：由74HC164HE和LCD1602組成，將測量的電壓、電流信號(hào)、有功功率 和無功功率顯示出來。 (5)整流電路：將交流電整流成低壓直流電5V，作為電源供給硬件電路中的LM393 芯片、單片機(jī)、ADC0809的基準(zhǔn)電壓和LCD1602的工作電壓。 1.1 技術(shù)要求 電壓測量范圍：0-250V， 誤差 2 V；電流測量范圍：0-5A，誤差 0.1 A； 功率測量范圍：0-1250W,

17、誤差 1 W；可用現(xiàn)場提供的220V交流電源。 1.2 系統(tǒng)原理及基本框圖 本設(shè)計(jì)主要分為兩部分：硬件電路及軟件程序。而硬件電路又大體可分為輸入信 號(hào)處理、整流穩(wěn)壓電路、單片機(jī)小系統(tǒng)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LCD1602顯示電路?；?框架圖如圖1.1所示，信號(hào)經(jīng)過衰減整流處理后進(jìn)行采集，由AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再 由單片機(jī)控制和計(jì)算后將結(jié)果送LCD1602顯示。由于沒有具體要求采用多大幅值的電壓， 為了方便起見，直接采用現(xiàn)場的220V交流電源。將220V的交流電源衰減為6V的交流信 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁 總 35 頁 3 號(hào)，所以本文設(shè)計(jì)了電源電路，將220V交

18、流電轉(zhuǎn)換成電路可用的低壓直流電。 電壓互電壓互 感器感器A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 信號(hào)信號(hào) 處理處理 單片單片 機(jī)機(jī) 結(jié)果結(jié)果 顯示顯示 電壓電流電壓電流 相位差相位差 電流互電流互 感器感器 圖 1.1 交流數(shù)字表的原理框圖 1.3 輸入電路 為了提高信號(hào)質(zhì)量，A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道IN0-IN7之前采用RC 濾波電路。 如圖1.2所示； RC 濾波電 路 A/D 轉(zhuǎn)換器 0809 模 擬 量 輸 入 圖1.2 信號(hào)處理框圖 1.4 交流電源信號(hào)衰減電路 這個(gè)模塊電路主要包含三大部分，即電壓信號(hào)衰減電路、電流信號(hào)衰減電路、電 壓電流相位比較電路。這三個(gè)電路在以下將做一一介紹。 1.4.1 電

19、壓信號(hào)衰減電路 電壓信號(hào)衰減電路如圖1.3所示，為了人身安全，同時(shí)也為了在調(diào)試過程中電壓過 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁 總 35 頁 4 大而燒損元器件，所以不該直接接入0250V的交流電源，應(yīng)先對(duì)輸入電壓進(jìn)行衰減， 該設(shè)計(jì)中用電壓互感器T0進(jìn)行交流衰減，衰減整流輸后應(yīng)為05V直流電壓。降壓后的 交流接入一個(gè)理想的整流橋，再接一個(gè)100uF的電容，整流橋輸出直流電壓信號(hào)中號(hào)會(huì) 暫存一些紋波和諧波，為了提高電壓信號(hào)的精確度，需要加入濾波電路，如圖所示， C1和C2除了濾去直流電壓信號(hào)殘留的一些雜波，提高了信號(hào)質(zhì)量之外，同時(shí)還起到穩(wěn) 壓升壓的作用。由于加入濾波電路之后，整

20、流橋輸出的直流電壓值=， O U 2 2u 2 4 . 1 u 其中是互感器的二次輸出端的電壓的有效值，而互感器二次側(cè)的電壓變化范圍為0 2 u 5V，即IN0的對(duì)地電壓的范圍為07V，已經(jīng)超過了ADC0809的基準(zhǔn)電壓5V，所以IN0對(duì) 地的電壓必須控制在5V之內(nèi)才能進(jìn)行測量，所以本電路電壓的衰減比例為250:3.5，輸 出的最大直流電壓為4.9V。經(jīng)過整流后得到的直流電壓信號(hào)直接接入ADC0809的輸入通 道IN0，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因此在顯示測量的電壓值應(yīng)該是IN0對(duì)地的電壓 =51,當(dāng)然，這個(gè)關(guān)系系數(shù)在主控制電路的單片機(jī)軟件中設(shè)置)5 . 3/250*)4 . 1/(（ ino U ino

21、 U 的。理論上，顯示的電壓值的范圍：0250V。 T 0 1 2 3 4 D 1 C1+C2 IN0 一一一一一 一一一一一 圖1.3 電壓信號(hào)衰減電路 1.4.2 電流信號(hào)采集電路 測量電流的方法一般分成直接式和非直接式兩種直接式一般通過電阻進(jìn)行，根 據(jù)歐姆定律電流的大小和電壓成正比，因此可以通過測量一個(gè)小電阻的電壓差得到所 經(jīng)過電流的大小非直接式測量一般通過監(jiān)控電流產(chǎn)生的磁場得到，由于電流周圍本 身會(huì)產(chǎn)生磁場，電流的大小和磁場成正比，因此可以通過測量磁場的大小得到經(jīng)過電 流的大小直接式用于測量相對(duì)較小的電流以及電壓不高的情況，非直接式不帶有任 何導(dǎo)電關(guān)系，因此可用于測量相對(duì)較大的電流以及

22、相對(duì)較高的電壓 本電流采集電路采用的方法是直接采集方式，如圖1.4所示，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)思想 是歐姆定律。電流互感器二次端輸出的電流流過一個(gè)已知阻值的純電阻R，在電阻兩端 會(huì)產(chǎn)生壓降U，根據(jù)歐姆定律U=RI就可以計(jì)算出電路中電流I=U/R。本電路的設(shè)計(jì)原理和 電壓信號(hào)采集電路的原理是類似的，因?yàn)殡娏骰ジ衅鞫味溯敵龅碾娏魇墙涣餍盘?hào)，所 以在電阻上產(chǎn)生的壓降也是交流電壓，所以必須將交流信號(hào)進(jìn)行整流后才能接入 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 總 35 頁 5 ADC0809的1通道IN1。圖中的R1是精密電阻，為的是減小R1兩端電壓，使測量的結(jié)果更 加準(zhǔn)確；電路的D1、C1和C

23、2的原理和圖1.3的原理是一樣的，IN1對(duì)地電壓的計(jì)算方法也 是IN0對(duì)地電壓的計(jì)算方法是一樣的。顯示電流大小應(yīng)為：05A。 T 1 +C1 C2 一一一一一一一一一一 IN1 1 2 3 4 D 1R1 圖1.4 電流采集電路 1.4.3 電路電壓電流相位差電路 電壓電流相位差電路如圖 1.5 所示，由于交流互感器的一次側(cè)和二次側(cè)的相位差 很小，可以忽略不計(jì)，所以可以直接從互感器的二次交流信號(hào)采集電壓和電流的相位， 進(jìn)行比較之后即可得到相位差，從而可以計(jì)算功率因數(shù)，以致得到有功功率和無功功 率。根據(jù)電路知識(shí)可以知道，交流電信號(hào)經(jīng)過純電阻電路后的相位是不改變的，如圖 所示，電壓電流信號(hào)分別通過

24、 R5 和 R6 之后,各自的相位并沒有改變，保持原來的相位， 因此可以通過比較衰減后的電壓和電流的相位就可得到相位差。圖中的 R1 和 R2 起限 流作用，R3 和 R4 是 LM393 電壓比較器的上拉電阻，由于 LM393 電壓比較器是集電極開 路輸出的，所以必須加上拉電阻，才能輸出高電平，否則單片機(jī)有可能檢測不出其輸 入信號(hào)是高電平還是低電平，會(huì)造成誤差；C1 和 C2 起到對(duì)輸入信號(hào)濾波的作用，使輸 出的波形信號(hào)更準(zhǔn)確；在信號(hào)通過比較器之前，每個(gè)比較器都 由兩個(gè)二極管反向并 聯(lián)組成了鉗位電路 ，一次只能有一個(gè)二極管導(dǎo)通，而另一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，那么它 的正反向壓降就會(huì)被鉗制在二極管正向

25、導(dǎo)通壓降0.5-0.7V 以下，從而起到保護(hù)電 路的目的。 當(dāng)被測電路中只有電阻負(fù)載時(shí)，電路中的電壓和電流的相位是同相的，兩個(gè)交流 信號(hào)通過比較器后相位差為；當(dāng)被測電路中還存在其他的負(fù)載（容抗和感抗），電 0 0 流的相位會(huì)超前或滯后電壓的相位。如圖所示，過零電壓比較器 LM393 的引 0 0 0 90 腳 3 是電壓相位信號(hào)的輸入端，其信號(hào)與引腳 2 進(jìn)行比較，由于引腳 2 是接地的，所 以信號(hào)為零，引腳 3 只要一過零點(diǎn)輸出高電平或低電平。同理，LM393 的引腳 5 是電流 相位信號(hào)的輸入端，其信號(hào)與引腳 6 進(jìn)行比較，過零時(shí)輸出高電平或低電平，經(jīng)過過 零比較器后得到的電壓方波信號(hào)接至

26、單片機(jī)的 INT0 口，經(jīng)過過零比較器后得到的電流 方波信號(hào)接至單片機(jī)的 INT1 口，兩個(gè)中斷都是下降沿中斷，INT1 一產(chǎn)生中斷就開始計(jì) 時(shí)，INT0 一產(chǎn)生中斷就停止計(jì)時(shí)。因?yàn)?T0（或 T1）在做定時(shí)器使用時(shí)，輸入的時(shí)鐘脈 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 總 35 頁 6 沖式有晶體振蕩器的輸出經(jīng) 12 分頻后到的，所以定時(shí)器可看作是對(duì)單片機(jī)機(jī)器周期的 計(jì)數(shù)器，因此它的技術(shù)頻率為晶振頻率的 1/12，該系統(tǒng)用的是 12MHZ 的晶振，則點(diǎn)時(shí) 期沒接收一個(gè)技術(shù)脈沖的時(shí)間間隔為 1us.所以在這段時(shí)間內(nèi)的時(shí)間長度為 Tus,T 即為 圖 5.1 中方波信號(hào) 3 高電平

27、部分的時(shí)間長度；從而可以計(jì)算其相位差。由于已知電路 交流信號(hào)的頻率為 50HZ，所以它的周期為 0.02s,所以所測到的相位差為(T/10000) *。從而就可以計(jì)算出功率因數(shù)，以致可以有功功率和無功功率。其輸出信號(hào)波形如 圖 1.6，圖 1.7 所示 2 號(hào)波形是電壓信號(hào)，2 號(hào)是電流信號(hào)波形，3 號(hào)波形信號(hào)為比較 后得到的波形。其實(shí)本電路的相位比較方法還有一種，就是將兩個(gè)比較器的輸出信號(hào) 同時(shí)接到一個(gè)或非門，比較后輸出的波形如圖 5.2 中的 3 號(hào)波形，再將該波形信號(hào)當(dāng) 做外部中斷源接入單片機(jī)的 INT0 腳，同時(shí)將該信號(hào)接入單片機(jī)的 T0 腳，當(dāng)出現(xiàn)高電 平時(shí) T0 開始計(jì)時(shí)，當(dāng)信號(hào)由

28、高變低時(shí)，INT0 產(chǎn)生中斷，T0 停止計(jì)時(shí)，并讀取計(jì)時(shí)時(shí) 間長度 Tus,然后再將 1/2 周期的時(shí)間 10000us 減去 Tus,得到的時(shí)間就是相位差所占的 時(shí)間，計(jì)算公式為：（10000-T）*/10000,因此即可計(jì)算功率角。由于還要添加一塊 或非門的芯片，增加了電路的復(fù)雜度，而且還浪費(fèi)資源，但是前一種方法在產(chǎn)生中斷 時(shí)需要延時(shí)，所以誤差比較大，為了提高信號(hào)的精確度，最終采用了后一種比較方法。 R1 4K R2 4K R3 4k 5 6 7 U 1 LM393 3 2 1 48 V + V - U 1 LM393 V CC R4 4k D 1 1 D 2 2 D 3 3 D 4 4

29、1 2 3 U 2A 7402 1 J6 INT0 C1 104 C2 104 T0 T1 一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一 R5 R6 圖1.5 電壓電流相位差電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 總 35 頁 7 1 2 3 圖1.6 電壓與電流相位差波形圖 1 2 3 圖1.7 電壓與電流相位差波形圖 LM393的兩個(gè)輸出端信號(hào)電路都需要加電容濾波，把信號(hào)中殘留的雜波濾掉，否則 在信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，信號(hào)中的雜波會(huì)使輸出端出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差。同時(shí)，LM393電壓比較 器，是集電極開路輸出的，所以必須加上拉電阻，才能輸出高電平。芯片LM393工作電 源電壓范圍寬，單

30、電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:118V；所 以在電路設(shè)計(jì)中就使用單電源+5V直流電壓供電。 圖1.8 LM393內(nèi)部框圖 1.5 A/D 轉(zhuǎn)換電路 1.5.1 AD 轉(zhuǎn)換電路的接口設(shè)計(jì) AD轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計(jì)算 機(jī)之間的接口，在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)的讀 取是采用A/D的轉(zhuǎn)換方式，這一方法對(duì)輸出阻抗低，惰性強(qiáng)，變化緩慢，傳輸距離長的 信號(hào)，采用A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾性能就比較差。對(duì)于不需要較快檢測速度信號(hào)采集時(shí)， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 總 35 頁 8 CPU發(fā)出指令，定

31、時(shí)時(shí)間一到，從讀到的計(jì)數(shù)乘以一定的系數(shù)，就可以得到相應(yīng)的電壓 值。常用的AD轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉(zhuǎn)換時(shí)間短，因此 選用逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器。ADC0809為8位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，分辨率為， 8 2/1 轉(zhuǎn)換時(shí)間100s左右。在本系統(tǒng)中選用+5V的直流電壓為基準(zhǔn)電壓，所以ADC0809的分 辨能力為5V/25519.6mv, 19.6*51=999.6mv=1V,而本系統(tǒng)要求的電壓誤差小于或等于 2V,電流的誤差小于或等于0.1A,功率誤差小于或等于1W,從以上的分析中看出， 0809的分辨能力完全能夠滿足要求。 AD轉(zhuǎn)換器采用集成電路ADC0809。ADC0809具

32、有8路模擬量輸入信號(hào)IN0一 IN7(15、2628腳)，地址線C、B、A(2325腳)決定哪一路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，本電路只需兩個(gè)輸入通道，即IN0和IN1.為了在畫PCB時(shí)能夠更好布線，將地址 線C、B、A分別接至單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2，所以IN0和IN1的地址線選擇應(yīng)分別為 的值分別為000和010，即選擇O號(hào)通道輸入模擬量電壓信號(hào)，選擇1號(hào)通道輸入模擬量 電流信號(hào)。22腳ALE為地址鎖存允許控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行鎖 存。6腳START為啟動(dòng)控制信號(hào)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，AD轉(zhuǎn)換開始。本電路將ALE腳 START腳接到一起，也就是地址鎖存和AD轉(zhuǎn)換

33、啟動(dòng)是分時(shí)進(jìn)行的，共同由單片機(jī)的 P23腳控制。7腳EOC為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，7腳輸出一個(gè)正脈沖， 此信號(hào)可作為AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號(hào)或向CPU申請中斷的信號(hào)，本電路連接到單 片機(jī)的P35腳。9腳0E為AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制信號(hào)，當(dāng)OE腳為高電平時(shí)，允許 讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。該OE腳由單片機(jī)的P3.4腳控制。10腳CLOCK為ADC0808的實(shí)時(shí) 時(shí)鐘輸入端，利用單片機(jī)P3.6引腳定時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)給ADC080910腳一個(gè)時(shí)鐘時(shí)鐘 信號(hào)。數(shù)字量輸出端8個(gè)接到單片機(jī)的P0口。 P0 P2.2 P2.1 P2.0 P2.3 P3.0 P3.5 P3.6 89S52 O

34、UT1OUT8 ADD A ADD B ADD C START ALE OE EOC CLOCK 圖1.9 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 總 35 頁 9 1.5.2 ADC0809 芯片介紹 1主要特性 1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。 4）單個(gè)5V電源供電。 5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mW。 2外部特性（引腳功能） ADC0809 芯片為 28 引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖 8。 對(duì) ADC0809 主

35、要信號(hào)引腳的功能說明如下： IN7IN0模擬量輸入通道 ALE地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng) ALE 上跳沿，A、B、C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START 上升沿時(shí)，復(fù)位 ADC0809；START 下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片， 開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間，START 應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡寫為 ST. A、B、C地址線。通道端口選擇線，A 為低地址，C 為高地址，引腳圖中為 ADDA，ADDB 和 ADDC。其地址狀態(tài)與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見表 9-1。 CLK時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有 時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為

36、 500KHz 的時(shí)鐘信號(hào)。 EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即 可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號(hào)使用。 D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為 最低位，D7為最高 。 OE輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 Vcc +5V 電源。 Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V ADC0809 的工作過程是：首

37、先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器 中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù) 位。下降沿啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 AD 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 總 35 頁 10 可用作中斷申請。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù) 據(jù)總線上。ADC0809 是根據(jù)逐位逼近的方法產(chǎn)生數(shù)據(jù)的。 多路開關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用

38、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn) 行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì) A、B、C 3 個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存 器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 運(yùn)用 ADC0809 的工作原理及其各個(gè)功能，結(jié)合本課題要求，ADC0809 轉(zhuǎn)換模塊的接 線圖如圖 1.10 所示。 圖1.10 A/D轉(zhuǎn)換電路 IN0 是電壓信號(hào)接入通道，它的模擬信號(hào)變化范圍：05V 的直流電壓，轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號(hào)傳送給單片機(jī)，再經(jīng)過單片機(jī)傳送給 74HC164，最后將數(shù)據(jù)送給 LCD1602 顯示輸 出。IN1 是電流信號(hào)接入通道（其實(shí)是電壓信號(hào)

39、），其工作原理和 IN0 的工作原理是一 樣的。引腳 12 是接+5V 直流電壓的基準(zhǔn)電壓。P2.0、P2.1、P2.2 是 38 譯碼器的三個(gè) 通道選擇端，當(dāng)選擇 IN0 通道時(shí)，P2.0、P2.1、P2.2 的電平應(yīng)分別為：0、0、0。當(dāng)選 擇 IN1 通道時(shí)，P2.0、P2.1、P2.2 的電平應(yīng)分別為：0、1、0。當(dāng) ADC0809 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 結(jié)束時(shí)。EOC 輸出高電平 1,即給單片機(jī)的 P3.5 口一個(gè)高電平，通知單片機(jī)模/數(shù)轉(zhuǎn)換 已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)立即產(chǎn)生中斷請求信號(hào)，并準(zhǔn)備接收 ADC0809 發(fā)送的數(shù)據(jù)。ALE 和 START 同時(shí)連接到單片機(jī)的 INT0 口，上升沿時(shí)，A、B

40、、C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 同時(shí)，復(fù)位 ADC0809；START 下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡寫為 ST。引腳 10 接至單片機(jī)的 P3.6 口，通過單 片機(jī)的軟件設(shè)置，使得 P3.6 口給 ADC0809 一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，是 A/D 轉(zhuǎn)換器能正常工 作。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁 總 35 頁 11 1.6 主控電路的設(shè)計(jì) 1.6.1 主要功能 51 系列單片機(jī)的主要功能為： （1） 8 位 CPU。 （2） 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率 fosc 范圍為 1.212MHZ；可有時(shí)鐘

41、輸出。 （3） 128 個(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (4） 4K 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 （5） 程序存儲(chǔ)器的尋址范圍為 64K 字節(jié)。 （6） 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為 64K 字節(jié)。 （7） 21 個(gè)字節(jié)專用寄存器。 （8） 4 個(gè) 8 位并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3。 （9） 1 個(gè)全雙工串行 I/O 接口，可多機(jī)通信。 （10）2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 （11）中斷系統(tǒng)有 5 個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 (12）111 條指令，含乘法指令和除法指令。 （13）有強(qiáng)的位尋址、位處理能力。 （14）片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。 （15）用單一+5V 電源。 1.6.2 內(nèi)

42、部結(jié)構(gòu)框圖 MCS-51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。 圖 1.11 MCS-51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁 總 35 頁 12 由圖可大致看到：它含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4 個(gè) I/O 接口、串行接口、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中 SP 是堆棧指針寄存器，棧區(qū)占 用了片內(nèi) RAM 的部分單元；未見通用寄存器（工作寄存器） ，因單片機(jī)片內(nèi)有存儲(chǔ)器， 與訪問工作寄存器一樣方便，所以就把一定數(shù)量的片內(nèi) RAM 字節(jié)劃作工作寄存器區(qū)； PSW 是程序狀態(tài)字寄存器，簡稱程序狀態(tài)字，相當(dāng)于其他計(jì)算機(jī)的標(biāo)志寄存器；

43、DPTR 是 數(shù)據(jù)指針寄存器，在訪問片外 RAM、片外 ROM、甚至擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)特別有用；B 寄 存器又稱乘法寄存器，它與累加器 A 協(xié)同工作，可進(jìn)行乘法操作和除法操作。 1.6.3 外部引腳說明 MCS-51系列單片機(jī)芯片有 40 個(gè)引腳。用 HMOS 工藝制造的芯片采用雙列直插式封 裝，現(xiàn)將各引腳分別說明如下： 1. 主電源引腳 VCC：接+5V 電源正端。 VSS：接+5V 電源地端。 2. 外接晶體引腳 XTAL1：片內(nèi)反相放大器輸入端。 XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端。外接晶體時(shí)，XTAL1 與 XTAL2 各接晶體的一端，借 外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成振蕩器。 3. 輸

44、入/輸出引腳 P0.0P0.7：P0 口的 8 個(gè)引腳。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，可作為準(zhǔn) 雙向輸入/輸出接口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，P0 口分時(shí)復(fù)用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 P1.0P1.7：P1 口的 8 個(gè)引腳?？勺鳛闇?zhǔn)雙向 I/O 接口使用。 P2.0P2.7：P2 口的 8 個(gè)引腳。一般可作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口；在接有片外存儲(chǔ)器或 擴(kuò)展 I/O 接口且尋址范圍超過 256 個(gè)字節(jié)時(shí)，P2 口用為高 8 位地址總線。 P3.0P3.7：P3 口的 8 個(gè)引腳。除作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口使用外，還具有第二功能， 見表11。 表11 輸入/輸

45、出引腳 引腳符號(hào)第二功能 P3.0RXD串行輸入口 P3.1TXD串行輸出口 P3.2INT0外部中斷 0 請求輸入端 P3.3INT1外部中斷 1 請求輸入端 P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 P3.6WR片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸入端 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 總 35 頁 13 P3.7RD片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸入端 4. 控制端 ALE/ PROG ：地址鎖存有效信號(hào)輸出端。在訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，每機(jī)器周 期該信號(hào)出現(xiàn)兩次，其下降沿用于控制鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址。 PSEN

46、：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，或稱片外取指信號(hào)輸出端。在向片 外程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效（低電平） ，以通過 數(shù)據(jù)總線。 RST/VPD：RET 寫全是 RESET，是復(fù)位端。單片機(jī)的振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn) 持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)， 考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù) 10ms 以上才能保證有效 復(fù)位。 VCC 掉電期間，該引腳如接備用電源 VPD（+5V0.5V）,可用于保存片內(nèi) RAM 中 的數(shù)據(jù)。當(dāng) VCC 下降到某規(guī)定值以下，VPD 便向片內(nèi) RAM 供電。 EA /VDD：片外

47、程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳有效（低電平）時(shí)只選用片外程序存儲(chǔ) 器，否則計(jì)算機(jī)上電或復(fù)位后先選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 綜上所述，對(duì) MCS-51 系列單片機(jī)的引腳可歸納出下列兩點(diǎn)： 單片機(jī)功能多，引腳少，許多引腳都具有第二功能。 單片機(jī)對(duì)外呈三總線形式。由P2、P0組成16 位地址總線；由 P0 分時(shí)復(fù)用為數(shù) 據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與 P3口中的INT0 、INT1、T0、T1、WR、RD共10 個(gè)引 腳組成控制總線。因是 16 位地址線，使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64K 字節(jié)。 1.6.4 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，

48、 并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，單片機(jī)應(yīng)用程序必須以此作為設(shè)計(jì)前提。另外，在單片機(jī)工 作過程中，如果出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，也必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其重新開始做。 根據(jù)應(yīng)用的要求，單片機(jī)的復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開 關(guān)復(fù)位。不管是何種復(fù)位電路，都是通過復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)（高電平有效）由 RST/VPD引腳送入到內(nèi)部的復(fù)位電路，對(duì) MCS-51 進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位信號(hào)要維持兩個(gè)機(jī)器 周期（24 個(gè)時(shí)鐘周期）以上，才能使 MCS-51 單片機(jī)可靠復(fù)位。如果 RST 持續(xù)為高電平， 單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 主控電路中的復(fù)位電路如圖 1.12 所示，上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位 操作。圖中

49、電容 JC 和電阻 R1 對(duì)電源十 5V 來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持 RST 一段 高電平時(shí)間。上電復(fù)位電路利用電容器充電來實(shí)現(xiàn)復(fù)位。上電瞬時(shí) RST/VPD端的電位與 VCC 等電位，RST/VPD為高電平，隨著電容器充電電流減的少，RST/VPD的電位不斷下降， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁 總 35 頁 14 其充電時(shí)間常數(shù)為 1010-5 10103=100ms,此時(shí)間常數(shù)足以使 RST/VPD在保持為高電 平的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)位操作。 + JC 10uf R1 10k V CC RST 圖 1.12 復(fù)位電路 1.6.5 單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用 在整個(gè)系統(tǒng)中，

50、單片機(jī)是主控制電路，是它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)發(fā)號(hào)施令的，它就像計(jì)算 機(jī)的CUP，起核心作用。但是它能發(fā)號(hào)施令是有條件的，這個(gè)條件就是必須由外電路給 單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，有了這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)單片機(jī)才能工作，這個(gè)外部電路就是晶 振電路，其接法如圖11所示。功能為：采用P1.0、P1.1、P1.2 分別控制液晶顯示 LCD1602的RS、RW、E引腳， P1.3給74HC164的引腳8提供時(shí)鐘信號(hào)。P1.5輸出串行數(shù)據(jù)， 逐位發(fā)送給74HC164。電路中采用INT0和INT1來測相位差，其工作原理如下：INT0和 INT1都是下降沿中斷，當(dāng)INT0的外部信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖降乃查g，INT0立即發(fā)出 中斷請求

51、，即下降沿中斷，一中斷就開始計(jì)時(shí)，當(dāng)INT1的外部信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗?平的瞬間立即發(fā)生中斷請求，一中斷立即停止計(jì)時(shí)，然后由單片機(jī)讀取所計(jì)時(shí)的時(shí)間 Tus，由于交流電源的頻率為50HZ,周期為20000us,從而得出本次測得的相位差為 （T/10000）*，即可計(jì)算出功率因數(shù)。在這段時(shí)間內(nèi)完成了一次相位差檢測，下次 單片機(jī)又這樣反復(fù)的進(jìn)行操作。利用單片機(jī)的定時(shí)器和中斷原理，并通過軟件設(shè)計(jì)， 使單片機(jī)的P3.6/WR口輸出周期性的脈沖信號(hào)，給ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換器 能夠正常工作。單片機(jī)通過P2.3給0809一個(gè)上升沿信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換器復(fù)位，同時(shí)地址 鎖存器把鎖存地址狀態(tài)送鎖

52、存器，變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，地址狀態(tài)被鎖存，同A/D轉(zhuǎn)換器開始 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC產(chǎn)生一高電平，即向單片機(jī)P3.0 發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)知道A/D已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢，這時(shí)，如果單片機(jī)檢測到0809的 輸出允許控制端的信號(hào)為高電平時(shí)，說明可以接收轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù)；如果0809的輸出 允許控制端的信號(hào)為低電平，單片機(jī)繼續(xù)等待高電平的出現(xiàn)。通過軟件設(shè)置。P0.0 P0.7是ADC0809經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)P0口，再由P1.5口傳送給顯示 電路。同時(shí)在這兩者之間還加了一個(gè)1K的排阻進(jìn)行限流，同時(shí)也起緩沖作用，使電路 工作更加穩(wěn)定。P2.0、P2.

53、1、P2.2是ADC0809地址譯碼器的三個(gè)控制端，整個(gè)系統(tǒng)只需 要0809的兩個(gè)通道，即通道0和通道1，P2.0、P2.1、P2.2只有兩個(gè)值，分別為： 0、0、0和0、1、0。電路電路的設(shè)計(jì)與接線如圖1.13所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 15 頁 總 35 頁 15 圖1.13 主控電路 1.7 顯示電路 在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已被運(yùn)用于很多電子 產(chǎn)品中，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，發(fā)光管 和 LED 數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單。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。 在本

54、設(shè)計(jì)電路中顯示模塊由LCD1602和74HC164組成。 LCD1602 是一個(gè)能夠顯示兩行 16 個(gè)字符的顯示屏。在單片機(jī)系統(tǒng)中，相對(duì)于其他輸 出器件來說，LCD1602 液顯示器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和 亮度，恒定發(fā)光。 （2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠， 操作更加方便。 （3）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。 （4）功耗低：相對(duì)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(dòng) IC 上， 因

55、而耗電量比其它顯示器要少得多。 74HC164是一塊8位串入并出的移位寄存器，使用74HC164后占用單片機(jī)的I/O口由8個(gè) 減少到1個(gè)，使電路得到簡化，提高了工作效率。此外，74HC164還有另外一個(gè)功能， 就是用來驅(qū)動(dòng)LCD1602。系統(tǒng)的顯示電路如圖1.14所示: 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁 總 35 頁 16 數(shù)據(jù)/命令選擇端 RS、讀/寫選擇端 RW、使能信號(hào)端 E 分別由單片機(jī)的 P1.0、P1.1、P1.2 控制，74HC164 工作所需的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的 P1.3 提供， 74HC164 數(shù)據(jù)端與單片機(jī)的 P1.5 相連接，P1.5 串行輸出數(shù)據(jù)，

56、當(dāng) 74HC164 接收到從單 片機(jī)傳送過來的 8 位數(shù)據(jù)時(shí)，它立即傳送給 LCD1602 顯示出來。 圖 1.14 顯示電路 1.8 整流電路 整個(gè)硬件系統(tǒng)沒有外部提供的穩(wěn)壓電源，也就是元器件工作所需要的工作電壓沒 有得到解決。電路中的 LM393、ADC0809、AT89S52、74HC164 和 LCD1602 工作時(shí) 所需的電壓都是+5V 的直流電壓，ADC0809 的基準(zhǔn)電壓也是+5V,所以就必須要做一個(gè) 輸出+5V 的直流電源，其電路如圖 12 所示?？捎矛F(xiàn)場提供的 220V 交流電源衰減為 6V 的交流電源，經(jīng)過整流橋后再接一個(gè)+5V 的三腳穩(wěn)壓管 7805，輸出端就是+5V 的

57、直流 電源，電路中的電容起到濾波和穩(wěn)壓的作用，使輸出的電壓更穩(wěn)定。 2 1 3 4 D 0 BRID GE 1 + C1 470uF+ C3 100uF 1 2 3 VV G ND INO UT U 27805 C2 105 C4 105 T 1 220V 6V +5V 圖 1.15 整流電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 17 頁 總 35 頁 17 2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件電路和軟件程序是組成一個(gè)系統(tǒng)不可缺少的兩個(gè)部分，二者的正確與否直 接影響整個(gè)程序的可實(shí)現(xiàn)性。在上一章已經(jīng)將整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分做了介紹，在這一 章中將就系統(tǒng)的軟件部分加以分析說明。 2.1 主程序的設(shè)計(jì) 分

58、析本設(shè)計(jì)，可知其軟件多要完成的功能是：對(duì)交流電源信號(hào)衰減電路的三個(gè)輸 出信號(hào)進(jìn)行采集，即電壓信號(hào)、電流信號(hào)和相位差。在軟件設(shè)計(jì)中還要計(jì)算出采集的 電壓信號(hào)與實(shí)際電路中的關(guān)系，最后還要乘以相關(guān)的倍數(shù)。相位差還要計(jì)算出其的功 率角，算出功率因數(shù)，最后算出其有功功率和無功功率。最終將這些數(shù)值傳送給 LCD1602 顯示出來。以后將再次進(jìn)行采集，重復(fù)上述操作。 主程序的功能應(yīng)該為計(jì)算出關(guān)系系數(shù)，乘以關(guān)系系數(shù)，最后傳送給 LCD1602 顯示 出來。本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如下： 圖 2.1 主程序流程圖 開始 LCD1602 初始化 ADC0809 采集信 號(hào) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 軟件計(jì)算倍數(shù)關(guān)系 和功率因數(shù) 顯示

59、測量結(jié)果 2.2 子程序的設(shè)計(jì) 本軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有三大子程序，即 ADC0809 采集、中斷計(jì)時(shí)和 LCD1602 顯示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 18 頁 總 35 頁 18 這三個(gè)子程序?qū)⒃诤竺娑温渲羞M(jìn)行詳細(xì)分析。 2.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì) 在本子程序中要進(jìn)行采集兩個(gè)通道的電壓信號(hào)，所以要分時(shí)進(jìn)行，先采集通道 0， 再采集通道 1；但是由于采集兩個(gè)通道信號(hào)相隔的時(shí)間很短，從視覺上可以認(rèn)為是同時(shí) 進(jìn)行的，對(duì)測量的結(jié)果是沒有影響的。選擇通道后就啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換結(jié)束后將采集數(shù)值返回給主函數(shù)。該程序的流程圖如下： N Y 選擇通道，先選通

60、 道 0，再選通道 1 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換完? 開 始 取數(shù)據(jù) 延 時(shí) 圖 2.2 AD 采集程序流程圖 2.2.2 相位差程序的設(shè)計(jì) 這個(gè)子程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是計(jì)算出相位差，獲取相位差后才能計(jì)算功率因數(shù)。 從而才能計(jì)算有功功率和無功功率。電路中電壓電流的波形經(jīng)過過零比較器后輸出兩 個(gè)周期性的方波信號(hào),將這兩個(gè)信號(hào)接入 74LS02 后得到的信號(hào)接至單片機(jī)的 INT0 端口。 當(dāng)被測電路中只有純電阻負(fù)載時(shí)，電路中的電壓和電流的相位是同相的，兩個(gè)交流信 號(hào)通過比較器后相位差為；當(dāng)被測電路中還存在其他的負(fù)載（容抗和感抗），電流 0 0 的相位會(huì)超前或滯后電壓的相位。在本軟件設(shè)計(jì)中，INT0 檢測到