電工測量復用表設計畢業(yè)設計

1、1 引言1.2 2 總體方案的設計及組成對用戶負載的電壓、電流模擬量進行取數(shù)字樣，應用數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理技術可以方便地給出電壓（電流）的各次諧波成分的幅度、頻率與相位，通過比較電壓、電流的相位差，計算出功率因素角，最后利用計算方式可以得到有用功率和無用功率，從而實現(xiàn)一個儀器測量眾多電工量。設計框圖。圖1 基于MSC-51單片機設計框圖設計框圖。圖2基于PIC單片機設計框圖3 硬件結構與設計單片機是一個單芯片形態(tài),面向控制對象的嵌入式應用計算機系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計算機技術從通用型數(shù)值計算領域進入到智能化的控制領域。從此,計算機技術在兩個重要領域通用計算機領域和嵌入式計算機領域都得到了極其重要

2、的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會。AT89C51 是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含4 k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，支持ISP在線下載程序，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 主要性能參數(shù)：l 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容l 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器l 1000次擦寫

3、周期l 全靜態(tài)操作：0Hz24MHzl 三級加密程序存儲器l 128×8字節(jié)內(nèi)部RAMl 32個可編程IO口線l 2個16位定時計數(shù)器l 6個中斷源l 可編程串行UART通道l 低功耗空閑和掉電模式AT89C51的引腳圖如圖3所示，各引腳的主要功能為：圖3 AT89C51的引腳圖l VCC: 提供電源l GND: 地l P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向 IO 口，也即地址數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間

4、激活內(nèi)部上拉電阻。在FIash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。l P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ILI）。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低 8 位地址。l P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端

5、口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ILI）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。l P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)

6、部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（ILI）。P3 口除了作為一般的 IO 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表1所示：表1 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時計數(shù)器 0 外部輸入）P3.5T1（定時計數(shù)器 1 外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。l RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)

7、兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。l ALEPROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 l6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的DO位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。l E

8、A/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。l XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。l XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。隨著計算機在國內(nèi)的逐漸普及，EDA(Electronic Design Automatic,電路設計自動化)軟件在電路行業(yè)的應

9、用也越來越廣泛，目前國內(nèi)最為常用的EDA軟件有：PROTEL、ORCAD、PSPICE、EWB和Proteus等。PROTELPROTEL是PORTEL公司在20世紀80年代末推出的電路行業(yè)的CAD軟件，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電路設計者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率也最高，有些高校的電路專業(yè)還專門開設了課程來學習它。幾乎所有的電路公司都要用到它。早期的PROTEL主要作為印刷板自動布線工具使用，運行在DOS環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286機的1M內(nèi)存下就能運行。它的功能較少，只有電原理圖繪制與印刷板設計功能，印刷板自動布線的布通率也低。在PROTEL99成為經(jīng)典至

10、今仍然廣泛被人使用之后，現(xiàn)在的PROTEL已發(fā)展到PROTELDXP，是個龐大的EDA軟件，它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計（包含印刷電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務器）體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度PCB的100布通率。ORCADORCAD是由ORCAD公司于20世紀80年代末推出的EDA軟件。它是世界上使用最廣的EDA軟件，每天都有上百萬的電路工程師在使用它

11、，相對于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強大的，由于ORCAD軟件使用了軟件狗防盜版，因此在國內(nèi)它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少數(shù)的電路設計者使用它。早在工作于DOS環(huán)境的ORCAD 4.0，它就集成了電原理圖繪制、印制電路板設計、數(shù)字電路仿真、可編程邏輯器件設計等功能，而且它的界面友好且直觀。它的元器件庫也是所有EDA軟件中最豐富的，在世界上它一直是EAD軟件中的首選。它集成了電原理圖繪制，印刷電路板設計、模擬與數(shù)字電路混合仿真等功能。它的電路仿真的元器件庫更達到了8500個，收入了幾乎所有的通用型電路元器件模塊但同時它的售價也不菲。PSPICEPSPICE是較早出現(xiàn)的EDA

12、軟件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強大，在國內(nèi)被普遍使用。整個軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個部分組成，使用時是一個整體，但各個部分各有各的窗口。PSPICE發(fā)展至今，已被并入ORCAD，成為ORCADPSPICE，但PSPICE仍然單獨銷售和使用，是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模數(shù)轉換、數(shù)模轉換等，都

13、可以得到精確的仿真結果。對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。它在INTERNET上的網(wǎng)址與ORCAD公司一樣。 EWBEWB(ELECTRONICS WORKBENCH EDA)軟件是交互圖像技術有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在20世紀90年代初推出的EDA軟件，但在國內(nèi)開始使用卻是近幾年的事。相對其它EDA軟件而言，它是個較小巧的軟件，功能也比較單一，就是進行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，但你絕對不可小瞧它，它的仿真功能十分強大，幾乎100地仿真出真實電路的結果，而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信

14、號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導入。在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內(nèi)，未接觸過它的人稍加學習就可以很熟練地使用該軟件。對于電路設計工作者來說，它是個極好的EDA工具，許多電路你無須動用烙鐵就可得知它的結果，而且若想更換元器件或改變元器件參數(shù)，只須點點鼠標即可，它也可以作為電學知識的輔助教學軟件使用，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。ProteusProteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分

15、析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：1.實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2.支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3.提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單

16、步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4.具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設計也越來越重要。對于一個實際的電子系統(tǒng)，要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮到總的功耗，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應能力，關鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。本次電工測量復用表

17、設計系統(tǒng)中使用到了+5V的電源，電源設計的原理圖如圖4，輸入是+12V的直流電源。電路中使用到穩(wěn)壓的芯片是7805，7805是5伏的穩(wěn)壓芯片，這種芯片的好處是應用比較的簡單，只需要接上幾個電容就可以使用了。而且如果前段如果電源有輕微的波動幾乎對后面的輸出沒有影響，這種芯片具有自己調(diào)節(jié)功能，電路中1N5819的作用是防止電源接反，C1、C2、C3、C4、C5、C6的作用是電源濾波。圖4 電源基于MSC-51單片機設計框圖實現(xiàn)原理圖本次畢業(yè)設計的電壓、電流模擬量的采集是通過串行AD轉換芯片來實現(xiàn)。串行AD轉換芯片選用ADC0832，ADC0832是是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道

18、A/D轉換 芯片。由于它體積小,兼容性強,性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎, 其目前已經(jīng)有很高的普及率。1. 8位分辨率；2. 雙通道A/D轉換；3. 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；4. 5V電源供電時輸入電壓在05V之間；5. 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32S；6. 一般功耗僅為15mW； 7. 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；8. 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為.40°C to +85°C；1. CS_ 片選使能，低電平芯片使能。2. CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。3

19、. CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 4. GND 芯片參考0 電位（地）。5. DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。6. DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。7. CLK 芯片時鐘輸入。 8. Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕

20、易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。

21、在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。圖5為ADC0832與單片機AT89C51的連接電路圖。圖5 ADC0832應用電路圖隨著測量技術的發(fā)展和微處理器的廣泛應用,單片機系統(tǒng)的電路越來越復雜,而系統(tǒng)的可靠性問題也越來越突出,一般的單片機系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場等惡劣的環(huán)境下容易死機,要求系統(tǒng)在這些場合可靠穩(wěn)定的工作,就必須外加監(jiān)視電路。MCS-51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。MCS-51單片機片內(nèi)復位為，復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用

22、上電自動復位和按鈕復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵脈沖復位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的，圖6兼有上電復位和按鈕復位的電路。復位電路軟件程序跑飛或者硬件發(fā)生錯誤的時候產(chǎn)生一個復位信號，控制MCS-51單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，重新執(zhí)行軟件程序。圖6 上電復位電路在單片機設計中，若有外部擴展的I/O接口電路需初始復位，如果它們的復位端和MCS-51單

23、片機的復位端相連，復位電路中的R、C參數(shù)要受到影響，這時復位電路中的R、C參數(shù)要統(tǒng)一考慮以保證可靠的復位。如果單片機MCS-51單片機與外圍I/O接口電路的復位電路和復位時間不完全一致，使單片機初始化程序不能正常運行，外圍I/O接口電路的復位也可以不和MCS-51單片機復位端相連，僅采用獨立的上電復位電路。一般來說，單片機的復位速度比外圍I/O快些。若RC上電復位電路接MCS-51單片機和外圍電路復位端，則能時系統(tǒng)可靠地同步復位。為保證系統(tǒng)可靠復位，在初始化程序中應用到一定的復位延遲時間。時鐘在單片機中非常重要，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路

24、的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式電路圖如下圖7所示：圖7 內(nèi)部時鐘電路MCS-51單片機內(nèi)部有一個用與構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器電路。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30PF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHz-12MHz之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻

25、率也就越高，單片機的運行速度也就越快。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。MCS-51單片機常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。外部時鐘方式：外部時鐘方式電路圖如下圖8所示，外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片MCS-51單片機同時工作，以便于同步。對外部脈沖信號只要求高電平的持續(xù)時間大于20us，一般為低于12MHz的方波。外部的時鐘源直接接到XTAL2端，直接輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。由于XTAL2的邏輯電平不是TTL的，因此要外接一個4.7k-10k的上拉電阻。圖8 外部時鐘電路這次的設計采用MCS-51的內(nèi)部時鐘方式。因為外部時鐘方式是用外部振

26、蕩脈沖信號，用于多片MCS-51單片機同時工作。在這次設計中只用一個MCS-51單片機，不需要振蕩脈沖信號。本設計的核心是單片機電路，考慮到我們需要兩個中斷輸入，存儲容量、外部接口對單片機端口的需要以及兼顧到節(jié)約成本的原則，我們選用了常用的AT89C51單片機。AT89C51是低功耗、高性能、經(jīng)濟的8位CMOS微處理器，工作頻率為0-24MHz，內(nèi)置4K字節(jié)可編程只讀閃存，128x8位的內(nèi)部RAM，32位可編程IO總線。它采用Atmel公司的非易儲器制造技術，與MCS51的指令設置和芯片引腳可兼容。AT89S51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存儲器結合

27、在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C511、+5V電源；2、晶振電路；3、復位電路；4、上拉電阻；圖9 AT89S51單片機工作電路8段數(shù)碼管屬于LED發(fā)光器件的一種。LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。8段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、P。其中P為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通，如圖所示：圖10 LED的管腳和電路原理從電路上，數(shù)碼管又可分為共陰和共陽兩種。用單片機驅(qū)動LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。圖11 顯示

28、電路靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機在發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆畫段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立的受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究

29、竟是哪個顯示器亮，則取決于COM段，而這一段是由I/O控制的，由單片機決定何時顯示哪一位了。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余暉效應，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。本次畢業(yè)設計需要4個數(shù)碼管，所以采用動態(tài)的顯示的方式。按鍵是實現(xiàn)人機對話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實現(xiàn)人們想讓單片機做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關，平時按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，案件的識別由專用的硬件譯碼實現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號或

30、鍵值的稱為編碼鍵盤，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在單片機組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用的更多的是非編碼鍵盤。圖12就是一種比較典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時候，輸出的是高電平，當按鍵按下去的時候，輸出的低電平。圖12 按鍵電路按鍵消抖：通常的按鍵所用開關為機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，電壓信號小型如下圖。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，如下圖13。抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms10ms。這是一個很重要的時間參數(shù)，在很多場合都要用到。圖

31、13 按鍵過程按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法。 硬件消抖：在鍵數(shù)較少時可用硬件方法消除鍵抖動。下圖所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。圖14 RS觸發(fā)器圖14中兩個“與非”門構成一個RS觸發(fā)器。當按鍵未按下時，輸出為1；當鍵按下時，輸出為0。此時即使用按鍵的機械性能，使按鍵因彈性抖動而產(chǎn)生瞬時斷開（抖動跳開B），中要按鍵不返回原始狀態(tài)A，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保

32、持為0，不會產(chǎn)生抖動的波形。也就是說，即使B點的電壓波形是抖動的，但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點通過分析RS觸發(fā)器的工作過程很容易得到驗證。軟件消抖：如果按鍵較多，常用軟件方法去抖，即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生5ms10ms的延時，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下。當檢測到按鍵釋放后，也要給5ms10ms的延時，待后沿抖動消失后才能轉入該鍵的處理程序。4 軟件設計軟件設計是一個創(chuàng)造性的過程，對一些設計者來說需要一定的資質(zhì)，而最后設計通常都是由一些初步設計演變而來的。從書本上學不會設計，只能經(jīng)過實踐，通過對實際系統(tǒng)的研究

33、和實踐才能學會。對于高效的軟件工程，良好的設計是關鍵，一個設計得好的軟件系統(tǒng)應該是可直接實現(xiàn)和易于維護、易懂和可靠的。設計得不好的系統(tǒng)，盡管可以工作，但很可能維護起來費用昂貴、測試困難和不可靠，因此，設計階段是軟件開發(fā)過程中最重要的階段。直到最近，軟件設計在很大程度上仍是一個特定過程。一般用自然語言給定一個需求集，預先作非正式設計，常常用流程圖的形式說明，接著開始編碼，當系統(tǒng)實現(xiàn)時設計還需修改。當實現(xiàn)階段完成后，設計往往已與起初形式相去甚遠以至于設計的原始文檔完全不適合對系統(tǒng)的描述。大型的軟件設計是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要前期的市場調(diào)查、需求分析，還需要各個行業(yè)的支持。本次畢業(yè)設計的程序是一個

34、很簡單的過程，所以步驟也相對應的簡單了許多。第一步：分析整個系統(tǒng)可以由幾個子系統(tǒng)組成，并考慮幾個子系統(tǒng)之間的內(nèi)在的關系。第二步：編寫各個子系統(tǒng)的程序，最后組合在一起，得到整個系統(tǒng)。第三步：編譯，查錯，改錯（包括語法錯誤、邏輯錯誤）第四步：把編譯，看是否得到我們需要的結果，如果得不到結果就回到第三步，直到最后得到我們想要的結果。軟件設計主要是針對硬件設計里面的控制部分的，這里指AT89C51單片機，一般的單片機均可用匯編語言和C語言進行編程。C語言直觀，相對比較的簡單，但占用的程序存儲器的內(nèi)存比較大，匯編語言是針對硬件設計的語言，如果想用匯編語言設計的話必須要對硬件有很大的了解，相對C語言就比較

35、的復雜，但是比較的精簡，占用的程序存儲器的空間比較的小。本次畢業(yè)設計采用匯編語言編程，本次畢業(yè)所選用Keil C51中的編譯/連接器軟件Keil uVision2作為編譯器/連接工具，使用萬利公司Medwin軟件作為集成開發(fā)環(huán)境。Medwin是萬利電子有限公司的軟件，Medwin是一個具有Microsoft Visual Studio窗口風格的集成開發(fā)環(huán)境。支持帶語法分析的彩色文本顯示、源程序斷點設置記憶、實時程序計數(shù)器、PC顯示、仿真器斷電自動重載、自適應連接仿真器等功能，并且支持全空間程序代碼和數(shù)據(jù)空間的模擬仿真、Trace Buffer跟蹤器。Keil C51是美國Keil Softwa

36、re公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C51工具包的整體結構，如圖所示，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成

37、編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。圖15 C51工具包整體結構圖4.2.2.1 8051開發(fā)工具KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留

38、了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編 器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。C51 V7版本是目前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時支持其它第三方開發(fā)工具。因此，C51 V7版本無疑是8051開發(fā)用戶的最佳選擇。5.2.2.2 uVision2集成開發(fā)環(huán)境 項目管理

39、0;：工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項以及編程說明三部分組成的。一個單一的uVision2工程能夠產(chǎn)生一個或多個目標程序。產(chǎn)生目標程序的源文件構成“組”。開發(fā)工具選項可以對應目標，組或單個文件。 uVision2包含一個器件數(shù)據(jù)庫(device database)，可以自動設置匯編器、編譯器、連接定位器及調(diào)試器選項，來滿足用戶充分利用特定 微控制器的要求。此數(shù)據(jù)庫包含：片上存儲器和外圍設備的信息，擴展數(shù)據(jù)指針(extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 uVis

40、ion2可以為片外存儲器產(chǎn)生必要的連接選項：確定起始地址和規(guī)模。  集成功能：uVision2的強大功能有助于用戶按期完工。a.集成源極瀏覽器利用符號數(shù)據(jù)庫使用戶可以快速瀏覽源文件。用詳細的符號信息來優(yōu)化用戶變數(shù)存儲器。b.文件尋找功能：在特定文件中執(zhí)行全局文件搜索。c.工具菜單：允許在V2集成開發(fā)環(huán)境下啟動用戶功能。d.可配置SVCS接口：提供對版本控制系統(tǒng)的入口。e.PCLINT接口：對應用程序代碼進行深層語法分析。f.Infineon的EasyCase接口：集成塊集代碼產(chǎn)生。g.Infineon的DAVE功能：協(xié)助用戶的CPU和外部程序。DAVE工程可被直接輸入uVision2

41、4.2.2.2 編輯器和調(diào)試器源代碼編輯器 :uVision2編輯器包含了所有用戶熟悉的特性。彩色語法顯像和文件辯識都對C源代碼進行和優(yōu)化。可以在編輯器內(nèi)調(diào)試程序，它能提供一種自然的調(diào)試環(huán)境，使你更快速地檢查和修改程序。 斷點:uVision2允許用戶在編輯時設置程序斷點（甚至在源代碼未經(jīng)編譯和匯編之前）。用戶啟動V2調(diào)試器之后，斷點即被激活。斷點可設置為條件表達式，變量或存儲器訪問，斷點被觸發(fā)后，調(diào)試器命令或調(diào)試功能即可執(zhí)行。在屬性框(attributes column)中可以快速瀏覽斷點設置情況和源程序行的位置。代碼覆蓋率信息可以讓你區(qū)分程序中已執(zhí)行和未執(zhí)行的

42、部分。調(diào)試函數(shù)語言:uVision2中，你可以編寫或使用類似C的數(shù)語言進行調(diào)試。 a.內(nèi)部函數(shù)：如printf, memset, rand及其它功能的函數(shù)。b.信號函數(shù)：模擬產(chǎn)生CPU的模擬信號和脈沖信號(simulate analog and digital inputs to CPU )。c.用戶函數(shù)：擴展指令范圍，合并重復動作。變量和存儲器:  用戶可以在編輯器中選中編程來觀察其取值。雙層窗口顯示，可進行以下調(diào)整： a. 當前函數(shù)的局部變量 b. 用戶在兩個不同watch窗口頁面

43、上的自定義變量 c. 堆棧調(diào)用(call stack)頁面上的調(diào)用記錄（樹）(call tree)  d. 不同格式的四個存儲區(qū)4.2.2.3 C51編譯器 KEIL C51編譯器在遵循ANSI標準的同時，為8051微控制器系列特別設計。語言上的擴展能讓用戶使用應用中的所有資源。存儲器和特殊功能寄存器的存取:C51編譯器可以實現(xiàn)對8051系列所有資源的操作。SFR的存取由sfr和sbit兩個關鍵字來提供。變量可旋轉到任一個地址空間。用關鍵字at，還能把變量放入固定的存儲器存儲模式（大，中，?。Q定了變量的存儲類型。連接定位器支持的代碼

44、區(qū)可達32個，這就允許用戶在原有64KROM的8015基礎上擴展程序。在V2的編譯器和許多高性能仿真器中，可以 支持應用程序的調(diào)試。中斷功能：C51允許用戶使用C語言編寫中斷服務程序，快速進、出代碼和寄存器區(qū)的轉換功能使C語言中斷功能更加高效。可再入功能是用關鍵字來定義的。多任務，中斷或非中斷的代碼要求必須具備可再入功能。 靈活的指針 ：C51提供了靈活高效的指針。通用指針用3個字節(jié)來存儲存儲器類型及目標地址，可以在8051的任意存儲區(qū)內(nèi)存取任何變量。特殊指針在聲明的同時已指定了存儲器類型，指向某一特定的存儲區(qū)域。由于地址的存儲只需12字節(jié)，因此，指針存取非常迅速

45、。 4.2.2.4 代碼優(yōu)化  通用代碼優(yōu)化 ：a. 常量重疊(constant folding)b. 通用子表達式刪除(common subexpression elimination) c. 長度縮減速(reduction)d. 控制流優(yōu)化(control flow optimization)e. 寄存器變量使用(register variable usage) f. 寄存器間參數(shù)傳遞(parameter passing in registe

46、r) g. 循環(huán)(loop rotation)h. 死碼刪除(dead code elimination) i. 通用Tail Mergingj. 通用子程序塊打包(block subroutine packing) 8051特殊優(yōu)化 :a. 孔頸優(yōu)化(peephole optimization)b. 跳轉分支優(yōu)化(switch-case optimization)c. 中斷函數(shù)優(yōu)化(interrupt function optimization)d. 數(shù)

47、字覆蓋(overlaying)e. 擴展入口優(yōu)化(extended access optimization) 寄存器優(yōu)化:C51為函數(shù)參數(shù)和局域變量分配了9個CPU寄存器。寄存器間最多可傳遞三個參數(shù)。P全局寄存器優(yōu)化可刪除不必要代碼，優(yōu)化CPU寄存器設備。 C語言實時庫:C51實時庫含100多種功能，其中大多數(shù)是可再入的。庫支持所有的ANSI C的程序，與嵌入式應用程序的限制相符。固有程序為硬件提供特殊指令，如：nop, testbit, rol, ror。  A51宏匯編: A51宏匯編支持標

48、準宏和MPL宏。要實現(xiàn)快速產(chǎn)生匯編程序SHELL，就直接使用C51編譯器的SRC。  在新的A51 V7版本中，允許用戶C包含的頭文件來定義常量和SFR。如今，一個單一頭文件可被應用到X程序和匯編程序中。.5 測試程序uVision2調(diào)試器具備所有常規(guī)源極調(diào)試，符號調(diào)試特性以及歷史跟蹤，代碼覆蓋，復雜斷點等功能DDE界面和shift語言支持自動程序 測試。 和外設模擬裝置: uVision2為8051及衍生產(chǎn)品提供了高速模擬功能和片上擴展口在對話框內(nèi)可直接觀察和修改值，也可以用預裝的C-LIKE 宏指令書寫符號函數(shù)來提供動態(tài)

49、輸入。 目標監(jiān)控器 : uVision2含一個可配置的監(jiān)控器，可測試目標器件上的軟件體。監(jiān)控器用uVision2的調(diào)試器直接工作，可支持代碼區(qū)。它要求目標系統(tǒng)具備6字節(jié)堆?？臻g，6KB的代碼和256字節(jié)Xdata RAM。  MCB517/251啟動工具包: 在開始一項8051工程時，MCB啟動工具會對你有很大幫助。每一個啟動工具包括一套2K字節(jié)的開發(fā)工具和許多可快速運行的舉例程序。用 戶可在檢測8051性能的同時，查看開發(fā)工具的可行性。 MCB517AC板含高性能InfineonC517A單片機，它提供標準8052外圍設備

50、和A/D轉換器，PWM，搜索比較，8位數(shù)據(jù)指針，一個高速運算單 元。同時包含對81C90CAN控制器和代碼區(qū)的支持。 流程圖是一種傳統(tǒng)的算法表示法，它利用幾何圖形的框來代表各種不同性質(zhì)的操作，用流程線來指示算法的執(zhí)行方向。由于它簡單直觀，所以應用廣泛，特別是在早期語言階段，只有通過流程圖才能簡明地表述算法，流程圖成為程序員們交流的重要手段。主程序主要完成的任務是：系統(tǒng)初始化、調(diào)用電壓采樣子程序、調(diào)用電流采樣子程序、調(diào)用掃描鍵盤子程序、調(diào)用顯示參數(shù)子程序。主程序流程圖如圖16：圖16 主程序流程圖系統(tǒng)初始化主要完成單片機中斷的開啟和關閉，本設計主要用到了單片機的外部中斷，開啟

51、和關閉單片機中斷的方式主要是置位或者清零IE寄存器的某些位。具體參考MSC-51單片機教材。主程序如下：;*初始化主程序*INIT: MOV IE,#80H ;中斷允許MAIN: MOV R0,#02H LCALL ADCONV ;讀取電壓值 MOV 40H,R0 ;讀取電壓值存放在40H MOV R0,#03H LCALL ADCONV ;讀取電流值 MOV 41H,R0 ;讀取電流值存放在41H ;（00H：CH0+CH1-，01H：CH0-CH1+，02H：CH+，03H：CH-） MOV 43H,#00H ;清除上一次的功率因素角 MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H S

52、ETB EX0 ;啟動外部中斷，計算功率因素角 LCALL DEPLAY ;等待中斷到來 LCALL KSCAN ;掃描按鍵 LCALL DIS ;顯示參數(shù) LJMP MAIN ;循環(huán)執(zhí)行電壓和電流采樣都是通過串行AD轉換芯片ADC0832來實現(xiàn)的，ADC0832是雙通道的AD轉換芯片，所以電壓采用和電流采用的子程序可以設計成一個子程序，最后通過選擇不同的通道來選擇是電壓采樣還是電流采用。在介紹具體的子程序設計之前，我們首先介紹一些與ADC0832相關的知識。ADC0832 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的 8 位串行模數(shù)轉換芯片，其數(shù)據(jù)輸出采用SPI串行輸出，與單片機連接時只需要占用三個普通I/O口

53、。SPI是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。圖17為ADC0832的讀寫數(shù)據(jù)的時序圖，在讀寫數(shù)據(jù)前，CS必須要拉低，然后連續(xù)兩個CLK的上升沿讀取通道的值，接下來的連續(xù)的8個CLK的下降沿輸出采樣值，高位在前，地位在后，最后的8個CLK的下降沿輸出相同的采樣值，低位在前，高位在后。圖17 ADC0832讀寫數(shù)據(jù)時序圖圖18為讀取電壓和電

54、流的流程圖，流程圖中描述了ADC0832的讀寫數(shù)據(jù)的過程，根據(jù)此流程圖很容易編寫出讀寫數(shù)據(jù)的程序。圖18 讀取電壓和電流子程序流程圖主程序如下：;*ADC0832讀數(shù)據(jù)子程序*ADCONV: SETB P1.3 ;初始化通道選擇 NOP NOP CLR P1.0 ;拉低/CS端 NOP NOP SETB P1.1 ;拉高CLK端 NOP NOP CLR P1.1 ;拉低CLK端,形成下降沿 MOV A,R0 MOV C,ACC.1 ;確定取值通道選擇 MOV P1.3,C NOP NOP SETB P1.1 ;拉高CLK端 NOP NOP CLR P1.1 ;拉低CLK端,形成下降沿2 MOV

55、 A,R0 MOV C,ACC.0 ;確定取值通道選擇 MOV P1.3,C NOP NOP SETB P1.1 ;拉高CLK端 NOP NOP CLR P1.1 ;拉低CLK端,形成下降沿3 SETB P1.3 NOP NOP MOV R7,#8 ;準備送下后8個時鐘脈沖AD_1: MOV C,P1.2 ;接收數(shù)據(jù) MOV ACC.0,C RL A ;左移一次 SETB P1.1 NOP NOP CLR P1.1 ;形成一次時鐘脈沖 NOP NOP DJNZ R7,AD_1 ;循環(huán)8次 MOV C,P1.2 ;接收數(shù)據(jù) MOV ACC.0,C MOV R0,A ;前8位 MOV R7,#8AD_13: MOV C,P1.2 ;接收數(shù)據(jù) MOV ACC.0,C RR A ;左移一次 SETB P1.1 NOP NOP CLR P1.1 ;形成一次時鐘脈沖 NOP NOP DJNZ R7,AD_13 ;循環(huán)8次 CLR C SUBB A,R0 JNZ ADCONV ;數(shù)據(jù)校驗 SETB P1.0 ;拉高/CS端 CLR P1.1 ;拉低CLK端 SETB P1.2 ;拉高數(shù)據(jù)端,回到初始狀態(tài) RET圖19 輸入的方波波形圖20 功率因素角中斷子程序主程序如下：;*INTT0中斷子程序*INTT0:PUSH ACC PUSH PSW S