【正文】 三、信號處理分析 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。對于某一正弦信號，都會出現(xiàn) 周期性的出現(xiàn)過零點(diǎn)，我們只要測出過零點(diǎn)的時間就可以得出電壓、電流的相位差。本次設(shè)計選用的 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，因為 TLC1543 不僅轉(zhuǎn)換時間很快、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)的測量要求。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時， EOC 輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。 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 可以確定出各個量程的的通道地址以及 TLC1543 的控制格式如表 33 所示。 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，其型號是 SMC1604A，因為它不僅有其專用的指令集，易于編程，而且用它最多可以用來顯示四行字符，與我設(shè)計的功率表功能相符合。本章主要針對數(shù)字功率表的測量詳細(xì)的介紹了軟件實(shí)現(xiàn)的過程。 本系統(tǒng)中，主程序的主要功能是測量和調(diào)用鍵盤掃描子程序，當(dāng)系統(tǒng)測量完成后我們調(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)。 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 器 的 工 作 方 式系 統(tǒng) 是 否 是 第 一 次 上 電清 計 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 測量子程序 測量程序是整個系統(tǒng)的主要程序，是整個循環(huán)程序的主體內(nèi)容。然后再通過查表便可以求出功率因數(shù)。功率測試流程圖如圖 49 所示。 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。 Proteus 軟件應(yīng)用 Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的一種可以對電路進(jìn)行分析、對實(shí)物進(jìn)行仿真的軟件。在本次設(shè)計中我選擇對課題進(jìn)行部分仿真，故選用 Proteus仿真軟件。 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 候要加入上拉電阻。 表 41 基本操作時序 命令 輸入 輸出 讀狀態(tài) RS=L， RW=H， E=H D0D7=狀態(tài)字 寫指令 RS=L， RW=H， D0D7=指令碼， E=高脈沖 無 讀數(shù)據(jù) RS=H， RW=H， E=H D0D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) RS=H， RW=L， D0D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 無 表 42 狀態(tài)字說明 STA7 STA6 STA5 STA47 STA3 STA2 STA1 STA0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 表 43 狀態(tài)字說明 STA06 當(dāng)前數(shù)據(jù)地址指針的數(shù)值 STA7 讀寫操作使能 1 禁止 0 允許 注：對控制器每次進(jìn)行讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測，確保 STA7 為 0。 0300V 輸入電壓對應(yīng) 05V的輸出電壓， 05A 的輸入電流對應(yīng) 05V 的電壓。 電路實(shí)測輸出的波形如圖 45 所示。 圖 42 主程序流程圖 初始化子程序的設(shè)計 初始化程序主要用來確定程序的初始堆棧，程序狀態(tài)字，對相應(yīng)的存儲單元進(jìn)行清零，設(shè)定定時器工作方式等等，初始化程序的具體步驟如下： 1) 由于單片機(jī)在復(fù)位后堆棧為 07H，所以在系統(tǒng)開始后應(yīng)該重新設(shè)置 堆棧； 2) 清 24C16 寫保護(hù)，讀取標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，比較標(biāo)志寄存器中的內(nèi)容是否等于0AAH，如果相等則保持系統(tǒng)上次運(yùn)行的狀態(tài)，否則清除以前狀態(tài)； 3) 設(shè)置定時器工作方式和波特率。最后還對本次軟件開發(fā)工具，即軟件開發(fā)工具 仿真器 Proteus 作了一定的介紹。 SMC1604A 是標(biāo)準(zhǔn)字符型 的 液晶顯示 器 ，其 利 用點(diǎn)陣型 的 液晶顯示器 (LCD)，可以顯示16 個字符 *4 行 的 西文字符，字符尺寸為 *(WXH)mm，內(nèi)置 HD44780 接口 ， 可與單片機(jī) 的接口 直接相連，應(yīng)用于各類儀器儀表 及電子設(shè)備。鍵盤的各個功能依據(jù)具體的設(shè)計來定。 （ 6）片內(nèi) 設(shè)有 轉(zhuǎn)換器 ， 使該器 件具有 以下特點(diǎn)： 高速（單次轉(zhuǎn)換 的 時間 10us）、高精度（ 10 位 的 分辨率、最大 +LSB 線性 的 誤差）和低噪聲。 一、 TLC1543 簡介 （ 1） TLC1543 是 20腳封裝的 CMOS 芯片 ，也是 10 位開關(guān)電容 按 逐次逼近 的方法進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 的轉(zhuǎn)換 器。在前面一節(jié)中，對于電壓與電流的采集，我們是通過互感器來獲得的，在本節(jié)中我還是采用互感器來獲得電壓電流的真實(shí)值。 567U 2 BLM 35832184U 2 ALM 358R 283 KR2310KR 2210 KR 2110 KR 2010 KD5C 9204C84.7uFW 520 K+ 5UD IN 1R 210 K電壓信號處理電路 圖 37 電壓采集信號處理電路 由電壓采樣可知，互感器變換后電壓 UD 為 01V，經(jīng)運(yùn)算放大器放大 5倍，在經(jīng)過整流、濾波、分壓后，可得到 05V的交流電壓。電壓采樣電路如圖 35 所示。 24C16 再 依 據(jù)讀寫 的 控制位（ R/W）的狀態(tài)進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。?意一個 從 I2C 總線接收數(shù)據(jù)的器件 叫做 接收器。 51 單片機(jī)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(jī)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；晶振 Y1即 可采用 6MHz 也可采用 ， 一般 在正常 運(yùn)行 的情況下 都選則較大 頻率的晶振，因為 單片機(jī) 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，故本設(shè)計中采用 ； 晶 振電 路中的起振電 容 C C3 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(jī) 的距離 越近越好，一般 C C3 取相同值 30PF。 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(shí)現(xiàn)電氣隔離，采樣過程對原信號無影響。對輸出結(jié)果進(jìn)行顯示。本設(shè)計中我選擇利用 C 語言進(jìn)行編程。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(jī)的數(shù)字功率表，精度高、抗干擾能力強(qiáng)、集成方便，還可與 PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊。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。該單相數(shù)字功率表采用 AT89C52 單片機(jī)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(jī)的定時器計算出相位角 ? ，最后依據(jù) ?UICOSP? 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。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(shí)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(jìn)行同時采樣，以獲得較高的精度。在制作硬件系統(tǒng)的平臺上編寫相關(guān)的程序并實(shí)現(xiàn)功率的計算與顯示。最后，功率的測量則是通過公式 ?UICOSP? 計算出來的。 單片機(jī)Ａ / Ｄ電壓采樣電流采樣存儲獨(dú)立鍵盤液晶顯示電流采樣 整流過零比較器電壓采樣 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。 綜上，信號處理模塊需要設(shè)計整流電路和平波電路。 綜上，本設(shè)計采用方案一。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(jī)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。 三、 24C16的時序描述 1． 24C16 的起始信號： 時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為 24C16 的起始信號。下面是講述本次系統(tǒng)前向通道的構(gòu)成及接口。 TVA142101 型電流互感器中間有一個通孔，應(yīng)用時可將待測電線穿過此孔，它輸出的小信號電流也是與輸入的電流成線性比例的，使用時在二次端串接電阻，即可采樣到電壓。在處理信號時，要保護(hù)測量設(shè)備，所以在信號送入 TLC1543 之前并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管以對直流電壓信號進(jìn)行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在 05V以內(nèi)的范圍，經(jīng)過上面一系列的處理得出的電壓值才能與電路的真實(shí)值相等。由于已知本系統(tǒng)所測量的電路頻率主要為 50HZ 的交流電，在系統(tǒng)中電壓接入 INT0（單片機(jī)的 管腳），電流接入 INT1（單片機(jī)的 管腳），這樣根據(jù)電壓和電流過零的時間差，再通過軟件編程我們可以計算出電壓和電流之間相差的相位角，從而滿足了設(shè)計要求。 具有一個 四線接口 ， 可以直接與主處理器或其他 的 外圍串行口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。等到 CS 片選再次低電平，開始第二次操作。因此通過檢測輸入線的電平狀態(tài)便可以很容易的判斷哪個按鍵工作了。 D0D7 與 P2口相接， E、 RW、 RS分別與 、 、 相接。 圖 41 Keil 界面圖 程序設(shè)計 在總的設(shè)計思想和硬件設(shè)計確定之后，我就可以開始軟件設(shè)計，根據(jù)前面介紹的工作原理和技術(shù)指標(biāo)，軟件設(shè)計應(yīng)完成的主要任務(wù)有以下幾個模塊。根據(jù)上面所述我們設(shè)定 T1工作于定時方式 2， T0 計數(shù)方式 1，串口工作于方式 1。這樣，根據(jù)定時器 T0中所保存的數(shù)值 xT ，通過公式 xxTT ?23600 ? （ 41） 注： T 指交流電路周期（ f=50HZ）， x? 指電壓和電流之間的相位差。 通過上面的公式我可以求出任意時刻的電壓電流有效值，電壓有效值測量子程序流程圖如圖 47 所示，電流有效值測量子程序流程圖如圖 48 所示。 LCD 顯示如果不經(jīng)過初始 化即使將顯示數(shù)據(jù)送到 LCD 數(shù)據(jù)存儲器上 LCD 也不能顯示數(shù)據(jù)，所以我們編制程序的時候系統(tǒng)初始化的時候最重要的一個環(huán)節(jié)就包括了液晶的初始化。 29 P 0 . 4 是 否 按 下 累 加 器 置 0P S W . 5 清 零返 回YNP 0 . 5 是 否 按 下 累 加 器 置 1YNP 0 . 6 是 否 按 下 累 加 器 置 2YNP 0 . 7 是 否 按 下 累 加 器 置 3YNP S W . 5 置 1 標(biāo) 志 位 0 7 H 置 1 圖 413 鍵盤掃描流程圖 30 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試過程 本次設(shè)計考慮到各方面原因，沒有做實(shí)物，所以硬件調(diào)試在本設(shè)計中將不在講述。 0300V 正弦電壓信號經(jīng)過電壓互感器變?yōu)?1V，在經(jīng)過信號處理電路可以得出 05V 左右電壓信號，電壓采集到最小值如圖 52所