【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8位二進(jìn)制代碼來(lái)說(shuō)，處理起來(lái)得心應(yīng)手，在整個(gè)單元系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理的元件就是CPU，并且讓它們工作在合適的位置,完成了運(yùn)算和I/O控制和其他的一些操作。在本次設(shè)計(jì)中我們選的是STC89C52單片機(jī)，它是一種微處理器，既可以編程又可以去除的高性能存儲(chǔ)器。這種單片機(jī)采用了高保密的技術(shù)制造，而且不容易丟失程序，罪重要的是它跟原來(lái)設(shè)計(jì)的單片機(jī)的輸出口等等都是兼容的。所以在本次設(shè)計(jì)中， 我們選的STC89C52是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，并且這是一種很方便，有很經(jīng)濟(jì)的方案。如圖8所示是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為STC89C52。圖8 STC89C52管腳分布●VCC：是為單片機(jī)運(yùn)行提供電壓的， ●GND：為了安全，所以需要有接地。 ●P0口：這些口其實(shí)是八位的漏級(jí)輸入/輸出口。如果在P1口輸入高電平的時(shí)候，那么我們可以確定為高電阻輸入。當(dāng)進(jìn)行程序編譯的時(shí)候，它可以當(dāng)做原碼的輸入，當(dāng)運(yùn)行的時(shí)候，它就當(dāng)做原碼的輸出，這個(gè)時(shí)候它的外部就需要拉高?！馪1口：是一個(gè)八位的雙向輸入/輸出口，并且可以提供上拉電阻。 ●P2口：P2口跟P1口差不多。但是當(dāng)它作為外面存儲(chǔ)器的時(shí)候，在輸出地址1，它就可以用里面的上拉電阻，當(dāng)作為外面存儲(chǔ)器進(jìn)行工作的時(shí)候，它就會(huì)輸出其存儲(chǔ)的內(nèi)容。 ●P3口：P3口的基本物理性質(zhì)跟P1和P2差不多。當(dāng)它被輸入1之后，就可以上拉成高電平信號(hào)，而且可以作為輸入P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口。（2）振蕩器特性：XTAL1口是反向放大器的的輸入口，而另外一個(gè)口XTAL2是反向放大器的輸出口。在實(shí)際中，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，我們就可以把這個(gè)放大器作為內(nèi)置的振蕩器。在本次設(shè)計(jì)中，我們需要用外面的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器件，所以，我們對(duì)XTAL2口應(yīng)采取閑置。如果有需要的信號(hào)要輸送到里面，那么時(shí)鐘信號(hào)就必須要流過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，所以，對(duì)于外面信號(hào)的脈沖寬度我們可以不做要求，但是我們一定要確定這個(gè)信號(hào)的電平的寬度。（3）STC89C52的特點(diǎn)和應(yīng)用它有如下一些特點(diǎn)：1）、它能跟其他的51系列元件很好的組合；2）、它的flash memory是可以多次編程的；3）、它的工作電壓很低，； 4）、可以在靜態(tài)的狀態(tài)下面工作；5）、它的memory有鎖定的功能，可以防止篡改；6）、它的輸入/輸出數(shù)據(jù)線有15條之多；7）、Timer/Counter都是16位的，并且每樣都有2個(gè)；8）、為了工作方便，中斷源也有6個(gè)；9）、它有3個(gè)電壓比較器，且都是準(zhǔn)確度很高的高精度；10）、它還有直接可以讓LCD動(dòng)作的接口。 根據(jù)上面的介紹，我們知道，單片機(jī)有很多的好處比如體積不大，消耗的能量小，很容易和其他的設(shè)備組合起來(lái)，所以如果能跟各種傳輸設(shè)備連接，可以對(duì)各種需要進(jìn)行測(cè)量的進(jìn)行測(cè)量，比如電壓，功率等等。所以，在實(shí)際中，如果用單片機(jī)代替電子電路控制的話，那樣就會(huì)智能多了；用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣化的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用STC89C52的外部中斷和定時(shí)器中斷等片上自帶的外部資源 中斷系統(tǒng) 一個(gè)外部的突發(fā)情況進(jìn)入到處理器中，那么處理器就會(huì)中斷，這是一個(gè)對(duì)處理器很重要的一個(gè)技術(shù)。處理器在正常的運(yùn)行中的時(shí)候，如果外面有個(gè)中斷的請(qǐng)求道那里面，就能夠很迅速的地進(jìn)行反應(yīng)，而在反應(yīng)完成后又可以馬上回到斷點(diǎn)，繼續(xù)去完成原來(lái)未完成的事。而中斷源就是我們對(duì)于引起中斷或者發(fā)出中斷的這一類來(lái)源的稱呼。很明顯，中斷源可以分為兩個(gè)大類，就是發(fā)生在硬件中的或者軟件中，而在硬件中的中斷源還可以分成發(fā)生在外部的和發(fā)生在內(nèi)部的兩種。 在本設(shè)計(jì)中我們就可以運(yùn)用到外部中斷，因?yàn)橥獠恐袛嗍峭獠吭O(shè)備發(fā)出的，比如：Timer發(fā)出的中斷信號(hào)等。并且由外部中斷的原理來(lái)說(shuō)，外部中斷在我們想讓它不發(fā)生的時(shí)候可以不發(fā)生，所以，我們可以運(yùn)用一種中斷管理器來(lái)控制中斷。 定時(shí)器 在單片機(jī)的定時(shí)器里面有兩個(gè)十六位的Timer/counter，在它們里面有些特殊的寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它們都是可以被編程的，所以，我們可以通過(guò)編程用來(lái)控制這些寄存器，這樣就可以讓單片機(jī)工作在我們想要的狀態(tài)。下面我們對(duì)它們的特性進(jìn)行闡述。51單片機(jī)內(nèi)部的Timer/counter兩個(gè)結(jié)構(gòu)是相似的，TL0和TH0兩個(gè)功能相反的寄存器構(gòu)成了Timer的其中一個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器T0，同樣的是TL1和TH1這兩個(gè)功能相反的寄存器就組成了Timer的另外一個(gè)寄存器T1。而用來(lái)對(duì)Timer進(jìn)行控制，使它工作在我們需要的方式的寄存器是TMOD，而用來(lái)控制Timer的兩個(gè)寄存器T0和T1的動(dòng)作則是TCON。所以由上面可以知道，在我們進(jìn)行程序仿真的時(shí)候，為了防止上一次的仿真對(duì)本次的仿真造成影響，在一開(kāi)始時(shí)我們就要對(duì)Timer里面所有的寄存器進(jìn)行初始化，這樣我們才能確定Timer的運(yùn)行狀態(tài)和T1和T0的動(dòng)作。 顯示部分在這次設(shè)計(jì)中， 我們選擇LCD1602圖9 LCD1602液晶這個(gè)液晶顯示器是一個(gè)用在工業(yè)中顯示字符的顯示器，32個(gè)字符是它所能一起顯示出來(lái)的極限。字符型液晶又是LCD1602的另一個(gè)稱呼，如圖8所示。26個(gè)字母、10個(gè)數(shù)字、還有不同的符號(hào)等這些都能被它顯示出來(lái)。很多個(gè)5x1之類的點(diǎn)陣位構(gòu)成了1602，而每一個(gè)要顯示的東西都能被這些點(diǎn)陣位顯示出來(lái)，而且這些位里面無(wú)論是橫著的位還是豎之間的位都有一定的距離，這樣就有了了字符之間的行間距的用處，但是也正因?yàn)槭沁@樣的，所以顯示出來(lái)的圖形的效果就不是很好了（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD的意義是指它能顯示的東西是16x2,也就是說(shuō)它可以讓需要顯示的東西變?yōu)閮尚?，而在每一行中都有十六個(gè)用來(lái)顯示數(shù)據(jù)的模塊來(lái)顯示內(nèi)容。 在當(dāng)前，我們所知道的的大多數(shù)液晶顯示器都是根據(jù)HD44780來(lái)設(shè)計(jì)的，雖然型號(hào)可能不相同，但是大多數(shù)的運(yùn)行原理是相同的，所以這些顯示器的控制程序都可以用那控制44780的程序。 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖10所示為系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)電路原理圖。又C1,S3，R10組成復(fù)位電路，由數(shù)據(jù)手冊(cè)知51單片機(jī)為高電平復(fù)位，單片機(jī)上電時(shí)，電容C1和R10組成的RC電路中電容緩慢充電，使RST端保持一個(gè)幾個(gè)微秒的高電平，使單片機(jī)上電復(fù)位，當(dāng)電容C1充滿電后RST腳電平通過(guò)下拉電阻將電平拉低為零，單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，復(fù)位完成。當(dāng)單片機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)按下按鍵S3也可以形成一個(gè)高電平狀態(tài)，使單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位。電路中為了計(jì)時(shí)方便計(jì)算，本設(shè)計(jì)的晶振選用12MHz無(wú)源外部晶振。配合兩個(gè)起振電容C2,C3。形成晶體諧振電路為單片機(jī)提供一個(gè)12MHz的穩(wěn)定的時(shí)鐘源。為了方便起振，起振電容選用22pF。電壓電流的信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較電路后，直接送到單片機(jī)的INT0和INT1口。這樣單片機(jī)就能及時(shí)的捕捉到傳感器信號(hào)。LCD液晶接口電路如圖10右所示。本設(shè)計(jì)中液晶主要用于功率因數(shù)和電壓電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)顯示。由于液晶顯示以及程序設(shè)計(jì)靈活，可以省去數(shù)碼管顯示的繁瑣操作。同時(shí)液晶顯示顯得更人性化。加上現(xiàn)在液晶成本低廉，在本設(shè)計(jì)中是一個(gè)很好的選擇。圖中單片機(jī)的P0口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)端口。由于51單片機(jī)設(shè)計(jì)者為了滿足多電平的兼容性。在這次設(shè)計(jì)中，P0口作為顯示電路的輸出口，因?yàn)檩敵隹陔娐返氖羌姌O開(kāi)路，所以可以當(dāng)做液晶的數(shù)據(jù)端口。以保證單片機(jī)輸出1時(shí)，液晶數(shù)據(jù)口接收到的信號(hào)為高電平。由于LED的導(dǎo)通電流為10mA所以需在電路上加上限流電阻，因電源電壓為5V，所以在此為保證燈的亮度，選擇470Ω的電阻限流，此電路用做顯示中斷進(jìn)入成功。圖10 控制器最小系統(tǒng) 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)本次電路中使用64位非遺失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，它是一種串行非易失性記憶體，它的邏輯結(jié)構(gòu)為8192*8位，接口為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線接口，與串行EEPROM的功能操作相似，不同之處在于鐵電存儲(chǔ)器比EEPROM寫(xiě)的速度快的多，無(wú)延時(shí),如圖11所示。圖11 存儲(chǔ)電路圖 在本次設(shè)計(jì)中，采用工業(yè)上傳統(tǒng)的二線接口，通過(guò)I2C協(xié)議進(jìn)行通信，由于本次設(shè)計(jì)中擁有大量的需要單片機(jī)控制的電路，所以使用此種存儲(chǔ)器可以有效的解決單片機(jī)I/O口不夠用的情況。在本次電路中，將單片機(jī)的P36和P37分別用來(lái)讀寫(xiě)FM24C64，可以充分利用單片機(jī)資源，先使用I2C協(xié)議將此款存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)函數(shù)寫(xiě)出來(lái)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)的時(shí)候，調(diào)用寫(xiě)命令，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到指定的存儲(chǔ)單元，當(dāng)要讀存儲(chǔ)器的數(shù)值的時(shí)候，調(diào)用讀命令將對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)值賦給一個(gè)變量即可，另外在本設(shè)計(jì)中使用此款存儲(chǔ)電路用來(lái)存儲(chǔ)前一次的功率因數(shù)，并且在數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程中，將存儲(chǔ)的功率因數(shù)顯示到屏幕中去。 在本次設(shè)計(jì)中，核心部分就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜魍肚须娐返脑O(shè)計(jì)，并且核心控制程序也是關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)。 電容投切原理根據(jù)設(shè)計(jì)的要求每次投切都需保證功率因素cos∮，所以此裝置設(shè)計(jì)了幾乎每種可能的需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r。，計(jì)算出電容值，用來(lái)確定電容容量的具體的分配。通過(guò)計(jì)算功率因數(shù)，把計(jì)算出來(lái)的數(shù)字和我們?cè)瓉?lái)設(shè)定好的數(shù)字比較下，根據(jù)比較的結(jié)果，送到單片機(jī)里面，讓單片機(jī)自己運(yùn)行需要幾組電容器。為了防止其他器件的干擾和電路里面可能出現(xiàn)的電流電壓的震蕩，所以我們用來(lái)投切器件用SSR50DA固態(tài)繼電器。而SSR50DA固態(tài)繼電器為雙向可控硅輸出，零電壓開(kāi)啟，零電流關(guān)斷；輸入回路與輸出回路之間有光電隔離很好的保證了抗干擾性。SSR50DA的控制電壓大概是3到32伏特的直流電壓,因此，要讓它正常的運(yùn)行，那么需要在輸入端加上1個(gè)TTL信號(hào)。而且為了實(shí)現(xiàn)這次設(shè)計(jì)，在單片機(jī)的輸出投切信號(hào)的端口要跟1個(gè)三極管相連，所以三極管和繼電器可以進(jìn)行同時(shí)的導(dǎo)通和斷開(kāi)。負(fù)載電壓能達(dá)到24380VAC，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。本次設(shè)計(jì)中就選用SSR50DA固態(tài)繼電器作為電容投切的繼電器，通過(guò)使用單片機(jī)輸出電平信號(hào)來(lái)控制繼電器的通斷。單元電路原理圖如圖12所示。圖12 SSR固態(tài)繼電器及驅(qū)動(dòng)電路圖在本次設(shè)計(jì)中，使用的是PNP型的三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。在電路中一共使用了八組繼電器，每個(gè)繼電器控制一個(gè)電容的投切，分別用單片機(jī)的P2口控制，電容的值呈現(xiàn)二進(jìn)制編排，選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電阻R12可以控制驅(qū)動(dòng)電流的大小，設(shè)置100完全可以使繼電器工作。圖13 無(wú)功補(bǔ)償電容投切電路及其控制電路電路圖 如圖13所示：無(wú)功補(bǔ)償電容投切電路由繼電器，三極管以及電容構(gòu)成，其工作原理如下，由三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷，從而控制電容是否投切到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為HH的線路中，三極管截止，繼電器斷開(kāi)，電容不投切，三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，電容投切到電路中。在本次設(shè)計(jì)中選取8路此種電容投切電路并聯(lián)，由于電容并聯(lián)是相當(dāng)于容值相加，所以選取不同容值到投切到電路中，可以組成一系列的電容值，可以方便的程序的控制。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)供電電源為5V，由于運(yùn)放和外部存儲(chǔ)單元以及ADC電路都屬對(duì)電源的紋波要求較高，所以系統(tǒng)供電采用線性電源。系統(tǒng)電源電路如圖14所示。所接電源為220V交流市電。通過(guò)工頻變壓器將電壓降壓到9V后，整流濾波為直流電，然后再經(jīng)過(guò)5V的三端穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定為5V的直流電壓輸出為信號(hào)調(diào)理電路，單片機(jī)電路等整個(gè)系統(tǒng)供電。圖14 系統(tǒng)電源電路 如圖14所示，電路圖的原理如下，220V交流電經(jīng)過(guò)線性變壓器T1變壓后轉(zhuǎn)換成一個(gè)峰值比較小的交流信號(hào)，通過(guò)整流橋后，交流小信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)的直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)后級(jí)的電容C14和C11的濾波，信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)很小的直流信號(hào)，通過(guò)5V的穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路后，輸出5V的直流電壓，后級(jí)接兩個(gè)電容用于穩(wěn)壓以及減少輸出電壓的的脈動(dòng)。建立起這個(gè)一個(gè)系統(tǒng)供電電源后，便可以向存儲(chǔ)單元，單片機(jī)以及液晶，還有ADC和運(yùn)放供電，使他們正常的工作。 在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)于220V交流電的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)要計(jì)算電容的補(bǔ)償量，需要對(duì)系統(tǒng)的各種阻抗分析，所以這個(gè)輔助電源最好不能接到電網(wǎng)中，接到電網(wǎng)中將給電網(wǎng)帶來(lái)很大的不確定因素，導(dǎo)致不能定量的分析，但是當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，可以將這個(gè)輔助電源上掛到系統(tǒng)中。第 40 頁(yè) 共 65 頁(yè)4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹本設(shè)計(jì)中選用德國(guó)KEIL公司推出的uVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計(jì)的編譯器。在這個(gè)軟件中，我們可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，生成HEX文件用在其他的仿真軟件中進(jìn)行仿真。 C語(yǔ)言介紹C語(yǔ)言在發(fā)展初就是為了方便人們使用的，所以，在開(kāi)始就讓它結(jié)構(gòu)化。其次，它豐富的運(yùn)算和數(shù)據(jù)類型，便于實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)解耦。不僅可用于系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也適用于應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。另外，C語(yǔ)言還有效率高的，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。例如，原來(lái)使用的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，由于別人編寫(xiě)的程序不易被讀懂，在一段時(shí)間后再去做升級(jí)和維護(hù)就會(huì)感覺(jué)非常的不方便。但在使用和維護(hù)C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序時(shí)，就不會(huì)遇到這樣的困擾，這時(shí)候C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)就大大的體現(xiàn)出來(lái)了。 軟件總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)兩大部分。其中主程序主要完成電容的投切，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及顯示，中斷程序?yàn)閮蓚€(gè)外部中斷，分別用于ADC0832測(cè)量系統(tǒng)的電壓以及電流，最主要的是測(cè)量電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差。本節(jié)將分別對(duì)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)作詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。同時(shí)對(duì)于電容投切理論以及程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。本設(shè)計(jì)中主程序流程圖如圖13所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行初始化,包括定時(shí)器,中斷,ADC，存儲(chǔ)器以及液晶顯示器的初始化。通過(guò)初始化，將系統(tǒng)的一切外設(shè)配置好。將定時(shí)器的定時(shí)值配置好，初始化完成后，開(kāi)啟中斷。此時(shí)ADC開(kāi)始實(shí)時(shí)電壓電流的數(shù)據(jù)，并將電壓電流數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示器上。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。具體如圖15所示。圖15系統(tǒng)主程序流程圖用戶設(shè)置完成