【文章內(nèi)容簡介】 ROM 的容量是不會發(fā)生變化的，即使發(fā)生掉電，也不會消失。當(dāng)然， STC89C51 單片機(jī)還為用戶提供了很全面的運(yùn)算指令，在本文功率計(jì)的設(shè)計(jì)中，就用到了指令中的乘法運(yùn)算。 STC89C51 單片機(jī)的引腳圖如圖 4所示： 圖 4 STC89C51 單片機(jī)的原理圖 相應(yīng)的引腳功能如表 1 所示。 表 1 STC89C51 單片引 腳的功能圖 名稱 功能 描述 P0 I/O 口 P0 是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口 P1 I/O 口 P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，其輸出緩沖級可以驅(qū)動 4 個 TTL 門電路。 P2 I/O 口 P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，作為輸入接口時，因具有上拉電阻，某引腳被外信號拉低時會輸出電流 RST 復(fù)位輸入 振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 9— 電平將單片機(jī)復(fù)位 ALE/PROG 地址鎖存 ALE 是地址允許信號端，且低電平有效 EA/VPP 控制 信號 從外部程序存儲器讀取指令， EA 接地；執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 接 Vcc；閃爍編程器件， EA接 12 伏 VPP電壓。 XTAL1 輸入端 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端 XTAL2 輸出端 振蕩器反相放大器的輸出端 Vcc+ 電源端 接 +5V 電源 GND 接地端 接地，保護(hù) 通過上圖，可以清晰的了解 8051 單片機(jī)構(gòu)成，功率計(jì)所采集到的信號就要通過該單片機(jī)的處理和傳送，最終在 LCD 上顯示。單片機(jī)的模塊電路如圖 5 所示： 圖 5 單片機(jī)模塊電路圖 其中， P00P07 口與 LCD 液晶顯示屏進(jìn)行 連接， P13P16 四個引腳分別接入系統(tǒng)中的四個按鍵， XTAL1 與 XTAL2 分別接入晶振電路的輸入端和輸出端，電源模塊的 VCC 端接入到單片機(jī)的 VCC 端。 單片機(jī)可以視為該功率計(jì)運(yùn)行的核心，可以通過軟件編程將程序下載到單片機(jī)中，這樣其就可以按照預(yù)先設(shè)定好的程序，對采樣信號進(jìn)行計(jì)算和處理，最終完成我們想要實(shí)現(xiàn)的功能，和想要得到的數(shù)據(jù)。這樣智能化的操作都依賴于單片機(jī)強(qiáng)大的硬件集成電路部分 [16]。在本次設(shè)計(jì)中，為單片機(jī)增加了一個晶振電路，其作用就是產(chǎn)生單片機(jī)工作所必須的時鐘信號，同時，單片機(jī)還可以分周期來運(yùn)行 [7]。只有通過晶體振蕩器產(chǎn)生特定的時鐘頻率，才能確保單片機(jī)按照事先預(yù)設(shè)好的程序有序的運(yùn)行，完成設(shè)計(jì)的內(nèi)容并達(dá)到預(yù)期的效果。 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 10— 液晶顯示模塊電路 若要使處理計(jì)算后的功率值值得到顯示，可以有兩種選擇。一種是用數(shù)碼管顯示，一種是 LCD 液晶顯示。為了追求顯示效果，本設(shè)計(jì)中選擇了利用 LCD 顯示，即利用 LCD1602 液晶，這種液晶可以同時顯示 16*02 個字符。 1602 液晶也叫 1602字符型液晶，這種液晶的功能很單一，只是用來顯示數(shù)字、字母和符號的點(diǎn)陣型液晶模塊。它的缺點(diǎn)是不能降圖形顯示的淋漓盡致，這是因?yàn)樵撘壕У拿?個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行距的作用 [17]。但是 1602 可以很好的顯示字符、字母和數(shù)字等，就是因?yàn)檫@種具體的特性，使得 LCD1602 使用在一般的設(shè)計(jì)當(dāng)中，是與 51 單片機(jī)完美結(jié)合的液晶顯示器。其最佳的工作電壓在 5V左右。 LCD1602 各引腳接口說明如表 41 所示 : 表 1 液晶顯示的引腳接口 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 由于 LCD1602 的成熟度比較高，故其工作原理相對來說也比較簡單，只需按照引腳說明與單片機(jī)進(jìn)行連接，就可達(dá)到顯示的效果。其引腳圖如圖 6 所示： 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 11— 圖 6 LCD1602 引腳圖 按鍵電路 該系統(tǒng)包括四個按鍵設(shè)計(jì)，這四個按鍵的功能分別為開始按鍵、復(fù)位按鍵、增大按鍵和減小按鍵。 第一個按鍵為開始測量按鍵，當(dāng)設(shè)置好測量范圍時，按下該鍵，即可進(jìn)入到測量模式；第二個按鍵為復(fù)位按鍵，當(dāng)按下該鍵時，系統(tǒng)恢復(fù)到初始化狀態(tài)，液晶顯示屏上的功率值顯示為 0；第三個和第四個按鍵為設(shè)置測量范圍時的增大和減小按鍵，但不管范圍如何增大，都不能超過系統(tǒng)自身的最大測量范圍。按鍵電路圖如圖 7 所示。 圖 7 按鍵電路 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 12— 電源模塊電路 對于一個完整的電子設(shè)計(jì)來講，需要通過以單片機(jī)為核心來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)某種功能的電路，首先我們應(yīng)該解決的問題是如何為整個電路系統(tǒng)進(jìn)行供電，由于電路系統(tǒng)自身以及外部的干擾問題，設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定 可靠的電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電是保證整個電路正常工作的必要前提， 51 單片機(jī)雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，也正是由于其使用廣泛，年代比較久遠(yuǎn)，所以在設(shè)計(jì)的時候以及實(shí)際使用過程中，特別是相較于經(jīng)過現(xiàn)代技術(shù)改進(jìn)的單片機(jī)系統(tǒng)來說， 51 單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序無法正常運(yùn)行，為整個電路配置一個穩(wěn)定的外部電源是解決單片機(jī)干擾的一個重要方法 [17]。 該功率計(jì)使用 USB 供電，也可使用外部穩(wěn)定的 5V電源供電。同時，該設(shè)計(jì)為電源配置了 LED 指示燈，使功率計(jì)電源狀態(tài)更直觀的展示出來。 P2為電源的輸入端口， L1 為電源開 關(guān)。電源模塊的電路如如圖 8 所示： 圖 8 電源模塊電路 報警電路系統(tǒng) 出于要考慮系統(tǒng)工作狀態(tài)下的安全，本設(shè)計(jì)中還增加了一個報警模塊，即如果電路中的電壓或電流超過了預(yù)先設(shè)置的閥值，報警電路會啟動工作，這時蜂鳴器會自動響起，并且報警指示燈閃爍，提示操作人員做相應(yīng)的應(yīng)急處理，最重要的是保證了整個電路的安全性。報警電路模塊如圖 9 所示： 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 13— 圖 9 報警模塊電路 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 14— 4 功率計(jì)的硬件測試及問題 采樣電路測量 本設(shè)計(jì)的調(diào)試選用電阻為 200R 的電阻，測量其 2 端的電流電壓，繼而通過單片機(jī)的處理 可得到電阻的功率，由測量的數(shù)字顯示，電阻二端的電壓差不多 ，電阻為 200R 理論的電流應(yīng)為 實(shí)際測量的是 誤差為 6% ,誤差是由于電阻的變化以及元器件的影響和系統(tǒng)測量的誤差所致，電阻的理論值是 200R，實(shí)際是有誤差的，所以需要通過萬用表進(jìn)行測量器電阻。 按鍵電路的調(diào)試 電路的按鍵從左到右依次是： SET 按鍵，表示模式的的切換按鍵第二個按鍵表示選擇按鍵，可以通過此按鍵調(diào)整電壓電流功率的測量范圍，第三個按鍵表示增加按鍵，表示增大測量量程的范圍，不過不管怎么增大依然不能夠超過 本身的設(shè)計(jì)的電壓的做大的測量范圍，否則測量也是無效，并且有可能導(dǎo)致電路的損壞，第四個按鍵表示減少測量的量程，設(shè)置好了量程，再按第一個鍵進(jìn)入 now 測量模塊，這樣就可以測量元器件的功率了 [18]。 本課題設(shè)置了四個物理按鍵。既然是物理按鍵就需要需要解決按鍵抖動的問題 ,由于按鍵的彈性作用，有可能一會閉合一會斷開，雖然這個時間很短，人們根本無法辨別出來 ,但是會被單片機(jī)捕捉，造成單片機(jī)的誤讀，一般消除按鍵抖動的辦法可以從硬件和軟件著手，不過對于硬件來說，這需要很高的要求，并且成本比較高，即使硬件做的非常好，也不能完全 避免按鍵的抖動，所以我們可以從軟件著手，一般按鍵的抖動時間是 5ms～ 10ms 這樣可以在軟件中設(shè)計(jì)一個延遲 5ms～ 10ms，這樣當(dāng)按鍵抖 1 動的時間結(jié)束了，才開始執(zhí)行程序，這樣就有效避免了按鍵抖動所造成的問題，做到按鍵消抖的目的 [19]。 功率計(jì)的誤差分析 本實(shí)驗(yàn)的測量的電壓的上限是 100V，電流的上限是 200mA，功率是 20W，超過電流電壓功率的上限，報警模塊自動報警。在功率計(jì)的使用當(dāng)中可能會受到外界環(huán)境的干擾，比如來自元器件自身的誤差，或是電壓不穩(wěn)定存在的的干擾，這些因素都會影響測量的精準(zhǔn)度，因此在 這次設(shè)計(jì)中，將誤差設(shè)定在 5%的范圍內(nèi)。 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 15— 解決辦法 為了提高功率計(jì)的測量精度，不僅要選擇誤差小的電子元器件，還可以從軟件編程方面出發(fā)，解決誤差的問題。例如，設(shè)置單片機(jī)的延遲時間，還有在焊接電路時盡量做到規(guī)范、準(zhǔn)確的焊接。這些簡單的操作，都會避免系統(tǒng)發(fā)生較大的測量誤差。 提高測量范圍 如果想要提升功率計(jì)的測量范圍，那么就需要在最開始通過電壓變送器和電流變送器來增大電壓和電流的采樣值，但是增大電壓和電流的同時，還要保證電壓值不能超過 A/D轉(zhuǎn)換器的最大承受電壓，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 16— 5 軟件 的調(diào)試 通常對于程序的設(shè)計(jì)主要是用 C 語言和匯編語言，運(yùn)用 C 語言編寫的程序比較容易做出復(fù)雜的運(yùn)算。匯編語言寫的程序可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算出程序運(yùn)行所耗費(fèi)的時間并且效率相對較高，本次設(shè)計(jì)的程序運(yùn)算相對來說比較簡單，只需將單片機(jī)處理后的電壓和電流值進(jìn)行相乘運(yùn)算，就可得出所測量元器件的功率值。因此，本次設(shè)計(jì)采用 C 語言來編程。 Keil 是在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時最常用到的開發(fā)軟件，并且，應(yīng)用 Keil編寫出的程序代碼簡潔明了，為單片機(jī)開發(fā)者提供了一個良好的開發(fā)和學(xué)習(xí)環(huán)境。 整體軟件流程圖 圖 10 程序流程圖 定時器 T0 開始 電壓 A/D 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換完否 外中斷 0 存電壓 定時器 T0 電流 A/D 轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換完否 電流電壓處理 功率運(yùn)算 顯示電壓電流功率 返回 單片機(jī)初始化 N N Y Y N Y N Y 黑龍江八一 農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 17— 軟件程序的調(diào)試 系統(tǒng)軟件的調(diào)試需要軟硬件的共同配合，保證系統(tǒng)功能的正確實(shí)現(xiàn)。在調(diào)試之前，首先應(yīng)該確保的是整個硬件電路能夠正常的工作。通過數(shù)據(jù)線，將寫好的軟件程序下載到單片機(jī)內(nèi)部，并運(yùn)行系統(tǒng)，查看系統(tǒng)的各部分是否達(dá)到欲求的效果，正確無誤的完成對元器件功率的測量。在系統(tǒng)整體的調(diào)試過程中，我們可以選擇對整個系統(tǒng)調(diào)試，或是對系統(tǒng)的某一模塊進(jìn)行調(diào)試，這樣就可以準(zhǔn)確及時的排查出某一模塊可能存在的問題，進(jìn)行及時的修改，以確保系統(tǒng)整體的順利運(yùn)行。本次的設(shè)計(jì)采用了模塊化 的程序編寫，這樣不僅方便查看，同時還對程序的修改提供了方便 [20]。 數(shù)據(jù)的校正 數(shù)據(jù)的校正就是通過與標(biāo)準(zhǔn)的功率表測量出的功率值進(jìn)行比較，如果功率值相差很大，就說明設(shè)計(jì)的功率計(jì)存在很大的誤差，需要通過調(diào)試進(jìn)行系統(tǒng)誤差的整體排查；如果誤差很小，就說明該功率計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的測量效果，便可以進(jìn)行一般實(shí)驗(yàn)中元器件的功率測量。 結(jié)論 — 18— 結(jié)論 功率計(jì)在工業(yè)的生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)當(dāng)中的應(yīng)用價值很高，本文就設(shè)計(jì)了這種數(shù)字式的功率測量計(jì)。設(shè)計(jì)初期，經(jīng)過查閱大量有關(guān)單片機(jī)、功率計(jì)的相關(guān)書籍和資料 ，設(shè)計(jì)出了一套可行且有效的方案來完成功率的測量。 該功率的硬件部分總共由 有六部分組成，分別包括電壓和電流的采樣模塊、模擬信號與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、 LCD 顯示模塊、電源模塊和報警模塊。單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，功能是完成電壓和電流信號的計(jì)算處理，這里用到了乘法計(jì)算，最后將計(jì)算得出了功率值交由 LCD1602 液晶屏顯示。在完成了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，還對系統(tǒng)可能存在的誤差進(jìn)行了分析，并對這些存在誤差提出了一些列的解決方案，為功率計(jì)的準(zhǔn)確測量提供了保障。同時軟件部分的調(diào)試，可以及時的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，以 便快速、準(zhǔn)確的解決。經(jīng)過整體的測量與分析，可以得出本文中所設(shè)計(jì)的功率基本滿足設(shè)計(jì)最初的預(yù)想，快速、有效的測量出電子元器件的功率值。