【正文】 互感器二次測(cè)電壓比較小，且 A/D 轉(zhuǎn)換器只接收 05V直流電壓信號(hào)進(jìn)行處理，故需要對(duì)采樣到的小交流信號(hào)進(jìn)行放大、整流，整流出來的電壓電流信號(hào)通常含比較大的紋 波，所以需要電容和電阻來設(shè)計(jì)平波電路。其片內(nèi)設(shè)有自動(dòng)保持電路。 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(duì)稱性所造成的諧波對(duì)測(cè)量精度的影響，但只適用于無限長(zhǎng)的信號(hào)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機(jī)， 它 是一種低功耗、高性能的芯片。 Y 111.059C 23 0 pR 1 21 0 kE A / V P3 1X 11 9X 21 8R E S E T9R D1 7W R1 6I N T 01 2I N T 11 3T 01 4T 11 5P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 03 9P 0 13 8P 0 23 7P 0 33 6P 0 43 5P 0 53 4P 0 63 3P 0 73 2P 2 02 1P 2 12 2P 2 22 3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E / P3 0T X D1 1R X D1 0U 18 0 5 1+ 5C 33 0 pC10U+ 5R S TER / WP 3 . 2P 3 . 3R SP 3 . 4S 1 圖 31 單片機(jī) 的 最小系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 24C16 一、 24C16說明 在本設(shè)計(jì)中，數(shù)字功率表的系統(tǒng)很小，所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較小，所以 我選用了串行 6 E2PPOM 24C16 片外存儲(chǔ)器。 24C16 具 有一個(gè) 16 字節(jié)頁 的寫緩沖器， 該緩沖器是 通過 I2C總線 的 接口 來完成 操作 的 ，另外還 具 有一個(gè) 特定 功能的寫保護(hù) 引腳 。 任意一個(gè) 主器件 或者 從器件都 能稱為 發(fā)送器或 者 接收器，但傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式 是 由主器件 來 控制?！?1”表示對(duì)控制字進(jìn)行讀 的 操作，“ 0”表示對(duì)控制字進(jìn)行寫 的 操作。 Y 111.059C 23 0 pR 1 21 0 kE A / V P3 1X 11 9X 21 8R E S E T9R D1 7W R1 6I N T 01 2I N T 11 3T 01 4T 11 5P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 03 9P 0 13 8P 0 23 7P 0 33 6P 0 43 5P 0 53 4P 0 63 3P 0 73 2P 2 02 1P 2 12 2P 2 22 3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E / P3 0T X D1 1R X D1 0U 18 0 5 1+ 5C 33 0 pC 110U+ 5R S TR DR / WP 3 . 2P 3 . 3R SP 3 . 4S 1V C C8S D A5S C L6W P7G N D4A 23A 12A 012 4 C 1 6R 61 0 kR 2 81 0 kR 2 91 0 k+ 5+ 5 圖 34 24C16在系統(tǒng)電路中接法 8 系統(tǒng)的前向通道 每個(gè)系統(tǒng)都有自己的輸入信號(hào)，不然整個(gè)系統(tǒng)都是失敗的，所以在本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，即前向通道，以此來采集必要的輸入信息。 一、電壓采樣 將 0300V 的交流電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓，此時(shí)采用 TVA142101 型電壓互感器來實(shí)現(xiàn)。采樣電流為 5A 的交流電，所以選擇 TVA142101 型電流互感器來實(shí)現(xiàn)。 9 T 2T V A 1 4 2 1 0 2I P 2I P 1電 流 采 集R 53 0 0G N DI D0 5 A3 . 3 3 m A1 V 圖 36 電流采樣電路 三、信號(hào)處理分析 該模塊主要是將電壓電流采樣模塊采樣到的交流電壓信號(hào)進(jìn)行整流和平波處理，使其能被 A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的 05V直流電壓信號(hào)。 由于交流電壓或交流電流信號(hào)經(jīng)互感器變換后電壓值比較小，所以應(yīng)先將電壓電流值放大再經(jīng)過二極管整 流電路進(jìn)行整流，得到 010V 范圍內(nèi)的直流電壓，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器只接收 05V的直流電壓，所以要通過電阻進(jìn)行分壓。對(duì)于某一正弦信號(hào)，都會(huì)出現(xiàn) 周期性的出現(xiàn)過零點(diǎn)，我們只要測(cè)出過零點(diǎn)的時(shí)間就可以得出電壓、電流的相位差。當(dāng)電壓（電流）的負(fù)半軸經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)， 1 點(diǎn)（ 7 點(diǎn)）的電位大于零且近似為 5V，這個(gè)時(shí)候發(fā)光二極管不導(dǎo)通，使得光電耦合器不作用 輸出為 高電平。本次設(shè)計(jì)選用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片作為處理器，在此選擇有 11 路模擬量輸入的 TLC1543 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)?TLC1543 不僅轉(zhuǎn)換時(shí)間很快、采樣的精度高而且使用單片機(jī) I/O 接口少，完全可以滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。 （ 2）輸入端有三個(gè)和 三態(tài)輸出端 有 一個(gè)：片選（ CS）、輸入 /輸出時(shí)鐘（ I/O CLOCK）、地址輸入端（ ADDRESS）以及數(shù)據(jù)輸出端（ DATA OUT）。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC 輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。 圖 311 TLC1543 時(shí)序圖 時(shí)序使用方法： （ 1）片選 CS 高電平， EOC 高電平， CLK 時(shí)鐘低電平； （ 2）片選 CS 低電平，開始讀出第一位數(shù)據(jù)； （ 3）在第一個(gè)時(shí)鐘上升沿 ，輸入一個(gè)地址數(shù)據(jù)； （ 4）之后在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿輸出 AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在上升沿輸入地址數(shù)據(jù)； （ 5） TLC1543 是 10位轉(zhuǎn)換器，因此有 10個(gè)時(shí)鐘； （ 6）一個(gè)操作過程結(jié)束后，片選 CS高電平， EOC 會(huì)在最后第 10 個(gè)時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)低電平，開始 AD轉(zhuǎn)換，此時(shí)，輸出被禁止，等到轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC 置位 1，代表轉(zhuǎn)換結(jié)束。 TLC1543 硬件電路圖為 312 所示， TLC1543 的輸入寄存器格式如表 32 所示，根據(jù)硬件原理圖和表格 32 可以確定出各個(gè)量程的的通道地址以及 TLC1543 的控制格式如表 33 所示。由于 51 單片機(jī) P0 口作為接口使用時(shí)需要接 10 千歐的電阻，所以每個(gè)按鍵各接一個(gè)電阻和一根輸入線，各個(gè)按鍵之間互不影響。 E A / V P3 1X 11 9X 21 8R E S E T9R D1 7W R1 6I N T 01 2I N T 11 3T 01 4T 11 5P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 03 9P 0 13 8P 0 23 7P 0 33 6P 0 43 5P 0 53 4P 0 63 3P 0 73 2P 2 02 1P 2 12 2P 2 22 3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E / P3 0T X D1 1R X D1 0U 18 0 5 1+ 5RR / WP 3 . 2P 3 . 3R SP 3 . 4S 2電 壓S 3電 流S 4功 率 因 數(shù)S 5功 率R 410KR 610KR 710KR 810K+ 5E O CC L KC SA D D RS D OP 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7 圖 313 鍵盤電路 液晶顯示電路 本設(shè)計(jì)中，在顯示器的選擇上我選擇字符型 的 可編程 的 字符液晶顯示控制器，其型號(hào)是 SMC1604A，因?yàn)樗粌H有其專用的指令集，易于編程，而且用它最多可以用來顯示四行字符，與我設(shè)計(jì)的功率表功能相符合。 16 圖 314 標(biāo)準(zhǔn)字符型液晶顯示 器 示意圖 DB01DB12DB23DB34DB45DB56DB67DB78E9R/W10RS11V012BLA13BLK14RP15GND16S M C 1 6 0 4 A 圖 315 SMC1604A 引腳圖 表 34 引腳說明 液晶顯示器電路如圖 316 所示。本章主要針對(duì)數(shù)字功率表的測(cè)量詳細(xì)的介紹了軟件實(shí)現(xiàn)的過程。 Keil 界面圖如圖41所示。 本系統(tǒng)中，主程序的主要功能是測(cè)量和調(diào)用鍵盤掃描子程序，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量完成后我們調(diào)用鍵盤掃描子程序，根據(jù)掃描子程序得到所按的鍵的鍵值，按鍵值跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能鍵子程序?qū)崿F(xiàn)各種功能，并在返回主程序后調(diào)用顯示子程序在顯示器輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)。波特率的設(shè)置是非常開始初始化程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用測(cè)量子程序調(diào)用鍵盤掃描子程序是否有鍵按下YN調(diào)用測(cè)量子程序顯示功率顯示功率因數(shù)顯示電流顯示電壓 20 必要的，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們選用 T0 工作于方式 1 作為波特率發(fā)生器，設(shè) T1 的計(jì)數(shù)器初值為 X，依據(jù)公式： 波特率 = )256(12322 XfoscSM OD ??? （其中 oscf 為系統(tǒng)的振蕩頻率為 ） 由于在本系統(tǒng)中下我們選擇的波特率為 9600，所以由上式計(jì)算得 X=0xFDH。 21 開 始確 定 堆 棧 ， 清 寫 保 護(hù)讀 取 標(biāo) 志 寄 存 器 的 內(nèi) 容標(biāo) 志 寄 存 器 送 0 A A HYN設(shè) 定 時(shí) 器 的 工 作 方 式系 統(tǒng) 是 否 是 第 一 次 上 電清 計(jì) 數(shù) 內(nèi) 容清 數(shù) 據(jù) 處 理 區(qū)設(shè) 置 波 特 率 ， 串 口 工 作 方 式初 始 化 液 晶 顯 示 器顯 示 初 始 畫 面結(jié) 束 圖 43 初始化流程圖 測(cè)量子程序 測(cè)量程序是整個(gè)系統(tǒng)的主要程序，是整個(gè)循環(huán)程序的主體內(nèi)容。當(dāng) INT1 再次由 0 變成 1，即電壓波形產(chǎn)生正跳變時(shí)，再次打開定時(shí)器 T0，這是個(gè)循環(huán)的過程。然后再通過查表便可以求出功率因數(shù)。公式如下： 電壓有效值： ? ????? 1021 NkkuNU （ 45） 電流有效值： ? ????? 1021 NkkiNI （ 46） 注： k 為采樣序列順序號(hào)， u(k)為 k 時(shí)刻電壓瞬時(shí)值， i(k)為 k 時(shí)刻電流瞬時(shí)值。功率測(cè)試流程圖如圖 49 所示。 本系統(tǒng)中 LCD 顯示子程序包括兩個(gè)部分，即液晶初始化子程序和液晶顯示字符子程序。 LCD 顯示子程序的 LCD 顯示字符子程序，其功能就是將要顯示的數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示器的顯示 RAM 中，在這個(gè)過程中最關(guān)鍵的事就是要確定顯示 RAM 的地址，在本次設(shè)計(jì)中，LCD 顯示器 RAM 地址如表 44 所示，顯示子程序具體流程圖如圖 412 所示。軟件流程圖如圖 413所示。 Proteus 軟件應(yīng)用 Proteus ISIS 是英國(guó) Labcenter 公司開發(fā)的一種可以對(duì)電路進(jìn)行分析、對(duì)實(shí)物進(jìn)行仿真的軟件。 圖 51 Proteus 工作界面 電壓、電流采集模塊調(diào)試 在第 節(jié)中，我詳細(xì)的介紹了電壓電流采集模塊所用到的各種元器件作用及在電路中的作用，故在本節(jié)中不在做詳細(xì)的分析。在本次設(shè)計(jì)中我選擇對(duì)課題進(jìn)行部分仿真，故選用 Proteus仿真軟件。下面我將從軟件調(diào)試方面進(jìn)行部分分析。 鍵盤使用 P0口，由于 51單片機(jī) P0 具有漏電保護(hù)的作用，所以在使用的時(shí) 候要加入上拉電阻。 LCD 初始化包括 LCD 工作方式的設(shè)定、輸入方式設(shè)定、清屏等。 表 41 基本操作時(shí)序 命令 輸入 輸出 讀狀態(tài) RS=L， RW=H， E=H D0D7=狀態(tài)字 寫指令