【正文】 低功耗、大存儲(chǔ)容量、指令簡(jiǎn)潔、方便易學(xué)等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。綜合以上電壓、電流有效值和功率因數(shù)的測(cè)量結(jié)果 可計(jì)算出電機(jī)的輸入功率和有功功率。這里我們擬采用 Analog Devices 公司生產(chǎn)的 AD574A 芯片； (4). 結(jié)合精度的考慮 ， 交變信號(hào)周期為 20ms， 擬采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的 CPU 芯片進(jìn)行全面控制； (5). 如把低壓交變電壓和交變電流信號(hào)分別引入過(guò)零比較器，輸入信號(hào)就是具有一定時(shí)間間隔的方波。 （一）、 AT89S51 簡(jiǎn)介 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k 字節(jié)的ISP（在系統(tǒng)編程 ） 閃存 只讀程序存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫 1000 次。從圖 中我們可以看出，單片機(jī)內(nèi)部不僅有 CPU、 RAM、 ROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口等主 要部件，還有驅(qū)動(dòng)電路、鎖存器、指令寄存器、地址寄存器等輔助電路。 隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM） ： 這部分是用來(lái)存儲(chǔ) 變量的， 掉電后 消失。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器（ Timer/Counter） ： AT89S51 單片機(jī)提供了 2 個(gè) 16 位的加計(jì)數(shù)器，分別稱為“ T0”、“ T1”。 （三）、 AT89S51 單片機(jī)管腳定義及功能 DIP 封裝的 AT89S51 芯片共有 40 個(gè)引腳，如下圖所示： 圖 二 2 各管腳功能 定義 如下： VCC： 電源電壓輸入端。能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，被定義為數(shù)據(jù) 或 地址的低八位。寫入 1 后， 上拉為高，可用作輸入 。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶 上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收 或 輸出 4 個(gè) TTL門電流。 I/O 口作為輸入口有兩種工作方式，即 讀端口與讀引腳。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 ： 地址鎖存允許 /編程脈沖信號(hào)端。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 （四）、 中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)的主要作用是 對(duì)外部或內(nèi)部的中斷請(qǐng)求進(jìn)行管理， AT89S51 共有5 個(gè)中斷源，其中 2 個(gè)外部中斷源 和 ， 3 個(gè)內(nèi)部中斷源（ 2 個(gè)定時(shí)／計(jì) 數(shù)中斷和 1 個(gè)串行口中斷） 。 串行口每發(fā)送或接收完一個(gè)數(shù)據(jù)，可 產(chǎn)生一次中斷 請(qǐng)求 。 定時(shí)器在計(jì)到規(guī)定的 定時(shí)值時(shí)可以向 CPU 發(fā)出中斷申請(qǐng)，在計(jì)數(shù)狀態(tài)下計(jì)到規(guī)定的數(shù)值時(shí) 也 可以申請(qǐng)中斷。單片機(jī)內(nèi)部實(shí)際 上同時(shí)存在 發(fā)送緩沖 器和接收緩沖器， 但兩個(gè)緩沖器的名字都是 SBUF。 （七）、 CPU 的工作原理 CPU 主 要 由控制 器 和運(yùn)算器兩部分組成 。 它由 時(shí)序部件、指令部件 和操作控制器三部分組成。 程序 計(jì)數(shù)器 PC 用于 存放和指示 下一條要 執(zhí)行的 指令的地址。 CPU 執(zhí)行程序的過(guò)程為： 順序地 從存儲(chǔ)器內(nèi)取指令 ， 然 后去執(zhí)行規(guī)定的操作 。 指令譯碼器 指令譯 碼器用于對(duì)送入 其 中的指令進(jìn)行譯碼 ， 把指令轉(zhuǎn)變成相應(yīng) 的電信號(hào) ，根據(jù)譯碼器輸出的信號(hào)， CPU 控制電路定時(shí)產(chǎn)生各種控制信號(hào) 。振蕩器是一個(gè) 脈沖源，輸出頻率穩(wěn)定的脈沖，也稱為 “時(shí)鐘脈沖 ”，為 CPU 提供時(shí)鐘基 準(zhǔn)。在進(jìn)行位 操作時(shí)，進(jìn) 位位 CY作為位操作累加器，整個(gè)位操作系統(tǒng)構(gòu)成一臺(tái)布爾 運(yùn)算 機(jī)。在控制信號(hào)的作用下，它能完成算術(shù)加、減、乘、除，邏輯“與”、“或”、“異或”等運(yùn)算以及循環(huán)移位操作等功能。電機(jī)的功率因數(shù)和功率的測(cè)量方法將在下一章介紹。 AD574A 是美國(guó)模擬 儀器 公司推出的單片 完全 高速 12 位逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性 轉(zhuǎn)換電路 ，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： ? 兼容 8 位和 16 位微處理器總線接口； ? 最大 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 35us； ? 片內(nèi)擁有高精度的電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘； ? 為滿足不同精度的 需要，激光校 正的幅度和雙極性偏置電阻提供了四個(gè)模擬電壓輸入的 量程供選擇： 0V— 10V、 0V— 20V、 5V— +5V、 10V— +10V ? 供電電壓 VCC 和 VEE 可選擇 177。 )； 1. 各引腳功能 第 3 章 三相永磁電機(jī)輸入電壓和輸入電流有效值的測(cè)量方法 11 Pin1. VLOGIC， 5V 邏輯電平輸入端； Pin2. ， 數(shù)據(jù)選擇模式輸入引腳，由于轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)為 12 位，此引腳決定了輸出的數(shù)據(jù)是以 12 位為一個(gè)字一次性輸出（當(dāng)接VLOGIC 為高電平時(shí)），還是 以 8 位為一個(gè)字分兩次輸出（當(dāng)接DIGITAL COMMON 時(shí) ） 。 CE和 輸入的有效信號(hào) 均可 作為 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)型號(hào)，但使用 CE 引起的 延遲時(shí)間更短。 圖 31 明確地標(biāo)示了啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束各 個(gè)控制端口的控制時(shí)序 ，其中tDSC、 tHEC、 tSSC、 tHSC、 tSRC tHRC、 tSAC、 tHAC 分別表示 兩信號(hào)依次 建立需要的最短時(shí)間 ， tC 為 A/D 轉(zhuǎn)換耗時(shí)。單片機(jī)可通過(guò)查詢方式判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束，也可把 STS 作為一個(gè)外部中 斷源來(lái)達(dá)到此目的。 綜合考慮系統(tǒng)性能、測(cè)量精度和成本要求，本設(shè)計(jì)擬采用 ACS712ELCTR20AT 芯片 作為霍爾電流傳感器。隨輸入電流的增加，輸出電壓也線性增 加。C to 85176。 CD4051 是單 8 路 通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有 A、 B 和 C 三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及 INH 共 4 個(gè)輸入 控制 8 路待轉(zhuǎn)換信號(hào)的選擇性通斷 ，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。 VEE 為負(fù)電源電壓輸入端且 3V≤VDD－ VEE≤ 20V，這樣模擬電壓的輸入范圍就限定在 區(qū)間 [VEE， VDD]內(nèi) 。為測(cè)量輸入電機(jī)的電壓有效值，應(yīng)在P、 Q 間接入測(cè)量電路；為測(cè)量電機(jī)的工作電流，應(yīng)在 X、 Y 間接入阻抗盡可能小的測(cè)量電路。 5V 電壓，故將變壓、供電兩種功能集中于一個(gè)電路中，力圖最大程度上減小電路規(guī)模， 降低成本。 220V 市電經(jīng)變壓器后可引出 20V交變電壓（幅度約在－ ~＋ 之間變化）， 再經(jīng)耦合電感可將 P’、 Q’之間 幅值控制在 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入量程（－ 10V~＋ 10V）內(nèi)，假設(shè) P’、 Q’間電壓在區(qū)間 [－ 8V~8V]之間波動(dòng)?？紤]到 A/D 轉(zhuǎn)換器可承受的模擬信號(hào)量程，從模擬開關(guān)輸出的信號(hào)輸入 AD574A 的 20VIN 端（該端口可接受 [－ 10V， 10V]范圍內(nèi)的電壓輸入） ， A/D 轉(zhuǎn)換器的 的引腳已接入高電平，啟動(dòng)芯片后將自動(dòng)進(jìn)行 12 位轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換結(jié)果將從芯片的 DB0~DB11 引腳并行輸出至單片機(jī)的 ~ 和 ~ 引腳。最后本套電路還增添了一個(gè)開關(guān)作為人機(jī)交互的通道，這個(gè)開關(guān)經(jīng)簡(jiǎn)單的消抖電路連接至單片機(jī)的 引腳，用戶可藉此自行選擇查看測(cè)量所得出的電壓或電流有效值。 與傳統(tǒng)的模擬電壓表 測(cè)量電壓有效值 相比，被測(cè)電壓的瞬時(shí)值數(shù)據(jù)量化更實(shí)時(shí)準(zhǔn)確， 而且很容易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、傳輸、處理等。相關(guān)操作均可由軟件進(jìn)行方便地執(zhí)行。 本章將給出通過(guò)測(cè)量單相電壓及電流之間的相位差來(lái)得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)的測(cè)量方法。 圖 四 1 中，運(yùn)算放大器的正輸入端與低電平相接， 當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，輸出低電平；當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，輸出高電平。 該過(guò)程可表示如下： 第 4 章 三相永磁電機(jī)功率因數(shù)及輸入功率的測(cè)量方法 22 如果單片機(jī)使用 12M 的晶振作為時(shí)鐘，執(zhí)行一條指令需要的時(shí)間為 1us，50Hz 交變電壓的周期為 20ms，故處理中斷子程序而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的誤差是在允許范圍內(nèi)的。 瞬時(shí)功率的實(shí)際意義不大，經(jīng)常采用平均功率的概念。各大章主要內(nèi)容可分別概括如下： 第 1章 . 緒論，簡(jiǎn)要介紹了本文論述的主要內(nèi)容、系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的一系列問(wèn)題及相應(yīng)解決方法，后文均以此為大綱展開； 第 2章 . AT89S51 單片機(jī)構(gòu)造及控制原理簡(jiǎn)介， AT89S51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的 CPU，是整個(gè)硬件電路的核心，它直接控制著各種芯片執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。 設(shè)計(jì) 瞬時(shí)值 測(cè)量電路時(shí)，需要以變壓器為強(qiáng)電到弱電的變換環(huán)節(jié)，以霍爾電流傳感器為電流到電壓的中間媒介，以 A/D 轉(zhuǎn)換器為模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換通道，最終的數(shù)字量由單片機(jī)處理后輸出顯示。在實(shí)物系統(tǒng)中一定會(huì)存在比理論值更大的誤差和外界環(huán)境不穩(wěn)定導(dǎo)致的種種錯(cuò)誤，這些都是需要在實(shí)踐中予以校正的，是單純 的 理論推導(dǎo) 無(wú)法解決的。生活中王老師給予了我無(wú)微不至的關(guān)懷，讓離家在外的我心里倍感溫暖。他經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，對(duì)于我的每次造訪他都熱情迎接 ，對(duì)于我不懂的知識(shí)他也悉心講解，令我很是感動(dòng)，從他身上我學(xué)到了很多，我懂得了如何對(duì)待學(xué)習(xí)，如何謙以待人！借此機(jī)會(huì)我發(fā)自內(nèi)心的說(shuō)：“謝謝你，你真是我的好朋友！”感謝同一實(shí)驗(yàn)室的 瞿二龍、及非凡、彭 華元等同學(xué)和沒(méi)來(lái)得及詢問(wèn)姓名的研究生師兄師姐們 ，正是與 你們 共同學(xué)習(xí)和探討才能讓我取得今天的成績(jī)， 你們 給了我許多啟發(fā)和幫助。在此謹(jǐn)向王老師致以衷心的感謝 與敬意 ! 在課題研究過(guò)程中，我得到了學(xué)院老師與實(shí)驗(yàn)室同學(xué)們的支持和幫助，這里濃厚的學(xué)術(shù)氛圍和良好的團(tuán)結(jié)協(xié)作使我獲益良多。 在一年的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間 ，無(wú)論在學(xué)習(xí)上還是在生活中，王老師都給予了我很大的幫助。 由于時(shí)間倉(cāng)促， 水平有限， 在本論文的完成過(guò)程中我雖進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，但最終還是沒(méi)能做出完整的實(shí)物。 本章系統(tǒng)描述了該 CPU芯片的結(jié)構(gòu)及工作原理，后文介紹的硬件電路設(shè)計(jì)均須圍繞它展開。那么對(duì)于三相電機(jī)，其視在功率，即輸入功率為： 過(guò)零比較器 過(guò)零比較器 AT89S51 電壓信號(hào) 電流信號(hào) 第 4 章 三相永磁電機(jī)功率因數(shù)及輸入功率的測(cè)量方法 23 平均功率即有功功率為 第 5 章 總結(jié)與致謝 24 五、 總結(jié)