【正文】 摘要本文主要講述了基于單片機的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計。該單相數(shù)字功率表采用AT89C52單片機作為中央處理器，其間通過檢測電壓電流值，采用過零比較法利用單片機的定時器計算出相位角，最后依據(jù)得出電網(wǎng)功率，最后將檢測到的測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)計主要包括下面幾方面：交流信號數(shù)據(jù)采樣與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機應(yīng)用與編程、液晶顯示。隨著社會的發(fā)展，電子產(chǎn)品逐漸朝著數(shù)字化、信息化、自動化方向發(fā)展，本設(shè)計的數(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、精度高、可擴展性強、集成方便等優(yōu)點，具有良好的研究意義。關(guān)鍵詞：單片機 數(shù)據(jù)采集 過零比較 液晶顯示IAbstractThis paper describes the design of singlephase digital electric power meter based on single phase digital power meter using AT89C52 microcontroller as the central processor, which by detecting the voltage and current value, the zero crossing parison method the use of singlechip timer to calculate the phase angle, finally based on the results of the power, the measurement of the detected value displayed on the LCD paper also introduces the related hardware circuit and software program flow chart, the design mainly includes the following aspects: sampling and processing, analogtodigital conversion, application and programming, MCU LCD AC signal the development of society, electronic products gradually towards digitization, informatization, automation development direction, the design of the digital power meter has gradually replaced the traditional analog pointer type power meter, it has advantages of strong antiinterference ability, high precision, strong expansibility, easy to be integrated, with good research significance.Keywords:microcontroller data acquisition more than zero liquid crystal displayI目 錄摘要 IAbstract II第1章 概 述 1 設(shè)計背景與意義 1 研究內(nèi)容 1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 2 系統(tǒng)基本思想 2 系統(tǒng)功能要求 2 系統(tǒng)框圖 3 設(shè)計方案及技術(shù)分析 3 電壓電流采集模塊 3 信號處理模塊 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 4 相位角測量模塊 4第3章 系統(tǒng)硬件分析 5 電路測試系統(tǒng)的分析 5 單片機最小系統(tǒng)簡介 5 數(shù)據(jù)存儲器24C16 5 系統(tǒng)的前向通道 8 電壓、電流采樣的前置電路 8 相位角測量的前置電路 10 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 11 鍵盤電路 15 液晶顯示電路 15第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 18 Keil編程軟件介紹 18 程序設(shè)計 18 系統(tǒng)的主程序設(shè)計 18 初始化子程序的設(shè)計 19 測量子程序 21 液晶顯示子程序 26 鍵盤掃描子程序 28第5章 系統(tǒng)調(diào)試過程 30 Proteus軟件應(yīng)用 30 電壓、電流采集模塊調(diào)試 30 相位角測量模塊調(diào)試 31 液晶顯示模塊調(diào)試 33 33第6章 總結(jié) 35參考文獻 37致 謝 38附錄A:原理圖 39附錄B：仿真圖 40附錄C：部分程序 41I第1章 概 述 設(shè)計背景與意義隨著社會的發(fā)展，電能在人們的生活中無處不在，并以各種形式影響著人們的生活?，F(xiàn)在人們的基本生存得到保障，對用電設(shè)備工作狀態(tài)的了解與要求也越來越高。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安全問題。電網(wǎng)電壓與工作電流的穩(wěn)定是設(shè)備長期運行的前提，而功率表是電壓電流最終的體現(xiàn)方式，因此，對功率表的測量顯得尤為重要。最近幾年，隨著電子、計算機和半導(dǎo)體三方面技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)在測量方面也發(fā)生了巨大的變革。功率表一直以來作為重要的工業(yè)測量儀表，廣泛被應(yīng)用于電工與電子技術(shù)領(lǐng)域，目前，電能表、電子式功率計采用的工作原理，基本上是依據(jù)功率的定義，采用各種乘法器來實現(xiàn)電壓與電流的乘積，而本設(shè)計采用數(shù)值采樣法，對電壓電流信號進行同時采樣，以獲得較高的精度。與傳統(tǒng)方法不同，本設(shè)計采用過零比較法利用單片機的定時器對電壓與電流的的時間差進行確定，從而計算出電壓與電流的相位角，再經(jīng)查表得出功率因數(shù)，最后計算出電網(wǎng)功率。家庭用電主要是交流電，所以本設(shè)計主要研究的是單相交流數(shù)字電功率表。其采用數(shù)字化測量技術(shù)，分開采集電壓電流，再通過軟件編程計算出功率。測量的過程中，通過把連續(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，以不能滿足社會的需求，故采用單片機的數(shù)字功率表，精度高、抗干擾能力強、集成方便，還可與PC機進行實時通訊。目前，集成的數(shù)字功率表功能強大、使用方便、體積小，廣泛應(yīng)用與電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能數(shù)字化領(lǐng)域，在市場上受到很多人的青睞。 研究內(nèi)容本設(shè)計是針對單相交流數(shù)字電壓表系統(tǒng)的研究，以單片機為核心，設(shè)計并制作0300V交流電壓、05A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)的平臺上編寫相關(guān)的程序并實現(xiàn)功率的計算與顯示。系統(tǒng)采用51單片機作為核心處理器，通過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)計主要包括下面幾方面內(nèi)容：交流信號數(shù)據(jù)采樣與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機應(yīng)用與編程、液晶顯示。49第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)基本思想本設(shè)計是針對二端網(wǎng)絡(luò)（如圖21）電路中參數(shù)的測量，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，則瞬時功率，其中U、I分別是電路的電壓有效值和電流有效值，通過濾除高頻交流分量，就可以得到功率的有效值。圖21 二端網(wǎng)絡(luò)本課題主要研究的電路電網(wǎng)中對正在運行時的參量進行測量、保存、顯示，對于單片機軟件的開發(fā)，可以選用C語言或者匯編語言進行編程。本設(shè)計中我選擇利用C語言進行編程。本設(shè)計基本的設(shè)計思路如下：首先，對于電路中的電壓和電流的測量，可以通過系統(tǒng)的前置電路把其轉(zhuǎn)換成可供采樣電壓信號，再通過AD轉(zhuǎn)換送入單片機處理，由軟件讀出，然后進行處理，處理后參數(shù)由液晶顯示器顯示出來。其次，對相位角的測量，采用過零比較的方法利用單片機的定時器對電壓與電流過零點的時間差來進行確定，再通過計算就可以確定電壓與電流的相位差，故功率因數(shù)可以通過查表得到。最后，功率的測量則是通過公式計算出來的。電路每一個時刻所對應(yīng)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)四個參數(shù)可以通過液晶顯示器顯示出來。 系統(tǒng)功能要求本設(shè)計利用數(shù)字功率表來測量頻率為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量得到，必須先進行電壓、電流和功率因數(shù)的測量，才能計算出功率。本設(shè)計重點闡述了電壓和電流分別采樣及采用過零比較的方法利用單片機的定時器得出相角的過程，選用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并用液晶顯示器SMC1604A。對輸出結(jié)果進行顯示。這個過程需要完成硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計，并使最終的數(shù)字功率表具備以下的功能：1) 電壓、電流值同步顯示2) 電壓測量范圍0300V，電流測量范圍05A3) 在液晶顯示器上顯示電壓、電流、功率因數(shù)、功率 系統(tǒng)框圖在基于單片機的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計中，如果要對元件的功率進行測量，首先要明白功率的意義，從式中可知，要測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)計中分別對其做了處理，由此可以劃分為下面幾大模塊：電壓電流采集模塊、相位角測量模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊，在第三章我將對其做詳細的介紹。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。圖22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計方案及技術(shù)分析 電壓電流采集模塊方案一：電阻分壓采樣通過將電阻串聯(lián)或電阻并聯(lián)放到待測電路中，電流流過電阻，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行變換的一種測量設(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準的低電壓(100V)、低電流(5A或1A，均指額定值)，因此使得一些測量儀表、保護設(shè)備和自動控制設(shè)備可以實現(xiàn)標準化、小型化。同時互感器能夠隔開高壓電力系統(tǒng)，從而人身和設(shè)備的安全得到保證。方案一主要適用于小電壓小電流信號的采樣，優(yōu)點在于接線簡單，易于實現(xiàn)，但由于電阻的接入使得原來的網(wǎng)絡(luò)功率損耗增大，并對原信號產(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，能很好的實現(xiàn)電氣隔離，采樣過程對原信號無影響。電流互感器對于200V左右的交流信號采樣明顯勝于電阻分壓采樣，故選擇方案二。 信號處理模塊首先電壓電流互感器二次測電壓比較小，且A/D轉(zhuǎn)換器只接收05V直流電壓信號進行處理，故需要對采樣到的小交流信號進行放大、整流，整流出來的電壓電流信號通常含比較大的紋波，所以需要電容和電阻來設(shè)計平波電路。綜上，信號處理模塊需要設(shè)計整流電路和平波電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊本設(shè)計中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、價格低、使用靈活和易于與單片機接口等特點，是一款高性價比的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其片內(nèi)設(shè)有自動保持電路。故采用TLC1543比較適合。 相位角測量模塊功率因數(shù)是指正弦信號的電壓超前于電流的相角的余弦值。方案一：采用過零比較的方法來求相位角某一正弦信號周期性的出現(xiàn)過零點，通過測出過零點的時間就能得出該信號的相角。方案二：通過傅式濾波的方法來求相位角該方法完全考慮系統(tǒng)不對稱性所造成的諧波對測量精度的影響，但只適用于無限長的信號。綜上，本設(shè)計采用方案一。第3章 系統(tǒng)硬件分析 電路測試系統(tǒng)的分析單片機電路測試系統(tǒng)主要由AT89C524C16數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤電路以及前向測試通道（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)進行處理后，通過內(nèi)部總線送給片外的24C16數(shù)據(jù)存儲器進行儲存，并將處理過的數(shù)據(jù)通過液晶顯示器顯示出來。 單片機最小系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)采用AT89C52單片機，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存儲單元，功能比較強大，適用于各種復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。51單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響到單片機的復(fù)位時間，一般情況下采用1030uF，C1越大需要的復(fù)位時間越短，故本設(shè)計中采用10uF；，一般在正常運行的情況下都選則較大頻率的晶振，因為單片機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，；晶振電路中的起振電容CC3一般采用1533pF，且起振電容越接近晶振越好，而晶振的位置離單片機的距離越近越好，一般CC3取相同值30PF。單片機的最小系統(tǒng)圖如圖31所示。圖31 單片機的最小系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲器24C16一、24C16說明在本設(shè)計中，數(shù)字功率表的系統(tǒng)很小，所要存儲的數(shù)據(jù)比較小，所以我選用了串行E2PPOM 24C16片外存儲器。原因在于系統(tǒng)掉電后它所存儲的數(shù)據(jù)并不消失，并且與單片機連接的管腳也比較少,一定的程度上可以節(jié)約系統(tǒng)的硬件資源。當然它也有一定的不足，就是在軟件編程時比較麻煩。24C16是一個16K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有2048個8位字節(jié)，CATALYST公司具有先進的CMOS