【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行整流和平波處理，使其能被 A/D轉換模塊可接收的 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，我們只要測出過零點的時間就可以得出電壓、電流的相位差。本次設計選用的 A/D 轉換芯片作為處理器，在此選擇有 11 路模擬量輸入的 TLC1543 轉換器，因為 TLC1543 不僅轉換時間很快、采樣的精度高而且使用單片機 I/O 接口少，完全可以滿足系統(tǒng)的測量要求。在轉換結束時， EOC 輸出端變高以指示轉換的完成。 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的介紹了軟件實現(xiàn)的過程。 本系統(tǒng)中，主程序的主要功能是測量和調用鍵盤掃描子程序，當系統(tǒng)測量完成后我們調用鍵盤掃描子程序，根據(jù)掃描子程序得到所按的鍵的鍵值，按鍵值跳轉到相應的功能鍵子程序實現(xiàn)各種功能，并在返回主程序后調用顯示子程序在顯示器輸出相應數(shù)據(jù)。 21 開 始確 定 堆 棧 ， 清 寫 保 護讀 取 標 志 寄 存 器 的 內 容標 志 寄 存 器 送 0 A A HYN設 定 時 器 的 工 作 方 式系 統(tǒng) 是 否 是 第 一 次 上 電清 計 數(shù) 內 容清 數(shù) 據(jù) 處 理 區(qū)設 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 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，在這個過程中最關鍵的事就是要確定顯示 RAM 的地址，在本次設計中，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 軟件應用 Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的一種可以對電路進行分析、對實物進行仿真的軟件。在本次設計中我選擇對課題進行部分仿真，故選用 Proteus仿真軟件。 鍵盤使用 P0口，由于 51單片機 P0 具有漏電保護的作用，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：對控制器每次進行讀寫操作之前，都必須進行讀寫檢測，確保 STA7 為 0。 0300V 輸入電壓對應 05V的輸出電壓， 05A 的輸入電流對應 05V 的電壓。 電路實測輸出的波形如圖 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，對相應的存儲單元進行清零，設定定時器工作方式等等，初始化程序的具體步驟如下： 1) 由于單片機在復位后堆棧為 07H，所以在系統(tǒng)開始后應該重新設置 堆棧； 2) 清 24C16 寫保護，讀取標志寄存器的內容，比較標志寄存器中的內容是否等于0AAH，如果相等則保持系統(tǒng)上次運行的狀態(tài)，否則清除以前狀態(tài)； 3) 設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 是標準字符型 的 液晶顯示 器 ，其 利 用點陣型 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，內置 HD44780 接口 ， 可與單片機 的接口 直接相連，應用于各類儀器儀表 及電子設備。鍵盤的各個功能依據(jù)具體的設計來定。 （ 6）片內 設有 轉換器 ， 使該器 件具有 以下特點： 高速（單次轉換 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 位開關電容 按 逐次逼近 的方法進行模 /數(shù)轉換 的轉換 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)進行讀或寫操作。任 意一個 從 I2C 總線接收數(shù)據(jù)的器件 叫做 接收器。 51 單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容 C1 的大小直接影響 到 單片機的復位時間，一般 情況下 采用 1030uF， C1 越大需要的復位時間越短， 故 本設計中采用 10uF；晶振 Y1即 可采用 6MHz 也可采用 ， 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，故本設計中采用 ； 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 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，能很好的實現(xiàn)電氣隔離，采樣過程對原信號無影響。對輸出結果進行顯示。本設計中我選擇利用 C 語言進行編程。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。這些工作狀態(tài)主要包括電網(wǎng)電壓、設備工作電流、工作環(huán)境、壓力、濕度等，只有滿足所有用電設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) ?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，廣泛被應用于電工與電子技術領域，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。在制作硬件系統(tǒng)的平臺上編寫相關的程序并實現(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Ａ / Ｄ電壓采樣電流采樣存儲獨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)結構圖 設計方 案及技術分析 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計整流電路和平波電路。 綜上，本設計采用方案一。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)前向通道的構成及接口。 TVA142101 型電流互感器中間有一個通孔，應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，要保護測量設備，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行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在 05V以內的范圍，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（單片機的 管腳），電流接入 INT1（單片機的 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 程序設計 在總的設計思想和硬件設計確定之后，我就可以開始軟件設計，根據(jù)前面介紹的工作原理和技術指標，軟件設計應完成的主要任務有以下幾個模塊。根據(jù)上面所述我們設定 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 志 位 0 7 H 置 1 圖 413 鍵盤掃描流程圖 30 第 5 章 系統(tǒng)調試過程 本次設計考慮到各方面原因，沒有做實物，所以硬件調試在本設計中將不在講述。 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