【文章內(nèi)容簡介】 到現(xiàn)成的模塊，這些都是前人的經(jīng)驗結(jié)晶，在這個系統(tǒng)中我是直接對它們進行調(diào)試后引用的。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。 Keil編程軟件介紹Keil C51是美國Keil Software公司生產(chǎn)的一種51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，也可以使用匯編進行編寫，兩者相比較，C語言功能更加強大。Keil界面圖如圖41所示。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。 系統(tǒng)的主程序設(shè)計主程序是整個數(shù)字功率表系統(tǒng)控制程序的主要框架，它是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)的程序，運行過程必須構(gòu)成一個循環(huán)，這樣才能不斷的運行程序。主程序應(yīng)不斷地順序查詢，并根據(jù)其功能調(diào)用相關(guān)的子程序并執(zhí)行其命令，以完成對各種實時控制事件的處理。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)。主程序流程圖如圖42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，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。在這個系統(tǒng)中由于我們在測量電壓和電流之間相位差的時候需要用到定時器T1和記錄一個信號周期內(nèi)A/D采樣的次數(shù)N需要計數(shù)器T0,所以在初始化時，假設(shè)定時器T1的工作方式2，T0的工作方式1。波特率的設(shè)置是非常必要的，在這個系統(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的計數(shù)器初值為X，依據(jù)公式：波特率=（）由于在本系統(tǒng)中下我們選擇的波特率為9600，所以由上式計算得X=0xFDH。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。初始化液晶顯示器，液晶顯示器再次上電后必須重新進行初始化才能顯示字符。整個系統(tǒng)的初始化子程序流程圖如圖43所示。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。在此我們主要完成的任務(wù)有電壓和電流之間相位差的測量、功率因數(shù)的計算，電壓有效值的測量、電流有效值的測量以及功率的計算，整個測量子程序的流程圖如圖44所示：圖44 測量子程序流程圖其中測量子程序中又包含如下子程序：一、功率因數(shù)的測量子程序首先要完成電壓與電流之間時間差的測量，由上一章可知，單片機的定時器TO工作于計數(shù)方式1，定時器T1工作于定時方式2。電路實測輸出的波形如圖45所示。當(dāng)INT0由0變成1時，電壓波形產(chǎn)生正跳變，打開定時器T0，開始計數(shù)；當(dāng)INT1由0變成1時，電流波形產(chǎn)生正跳變，此時關(guān)閉定時器T0。當(dāng)INT1再次由0變成1，即電壓波形產(chǎn)生正跳變時，再次打開定時器T0，這是個循環(huán)的過程。這樣，根據(jù)定時器T0中所保存的數(shù)值，通過公式（41）注：T指交流電路周期（f=50HZ），指電壓和電流之間的相位差?？汕蟪鱿辔唤堑拇笮。?，（42）即，（43）其中T為電路的周期，可以得到其中，（44）。將公式44帶入公式43，所以便可以計算出相位角。然后再通過查表便可以求出功率因數(shù)。圖45 實測輸出電壓電流波形圖對功率因數(shù)的測量子程序流程圖如46所示：圖46 功率因數(shù)測量子程序二、電壓、電流有效值的測量在測量電壓、電流有效值的過程中，假設(shè)輸入電壓、電流與輸出電壓、電流成線性關(guān)系。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。本系統(tǒng)電壓電流信號周期f=50HZ、T=20ms，A/D轉(zhuǎn)換的時間為10us，設(shè)信號在一個周期內(nèi)采樣的次數(shù)為N，在對輸入信號進行采樣的同時，進行計算電壓電流有效值。公式如下：電壓有效值：（45）電流有效值：（46）注：k為采樣序列順序號，u(k)為k時刻電壓瞬時值，i(k)為k時刻電流瞬時值。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。圖47 電壓有效值測量圖48 電流有效值測量三、功率的測量在本設(shè)計中，功率并不是直接測出來的，而是通過軟件間接的算出來的。首先，先通過測量得到電壓有效值U、電流有效值I，然后根據(jù)公式便可計算出功率的數(shù)值，然后再送入GLSZ單元。功率測試流程圖如圖 49所示。圖49 功率測試流程圖 液晶顯示子程序本設(shè)計中使用SMC1604A液晶顯示器，其基本的操作時序如表41所示，狀態(tài)字說明如表443所示。表41 基本操作時序命令輸入輸出讀狀態(tài)RS=L，RW=H，E=HD0D7=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=HD0D7=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STA7STA6STA5STA47STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0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：對控制器每次進行讀寫操作之前，都必須進行讀寫檢測，確保STA7為0。SMC1604A顯示處理流程圖如圖410所示。本系統(tǒng)中LCD顯示子程序包括兩個部分，即液晶初始化子程序和液晶顯示字符子程序。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。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。其初始化流程圖如圖411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。表44 RAM地址行數(shù)地址第一行000102030405060708090A0B0C0D0E0F///第二行404142434445464748494A4B4C4D4E4F///第三行101112131415161718191A1B1C1D1E1F20..27第四行505152535455565758595A5B5C5D5E5F60..67圖410 LCD顯示流程圖圖411 初始化流程圖圖412 顯示子程序具體流程圖 鍵盤掃描子程序本次設(shè)計中我選用獨立鍵盤，共4個按鍵，可以通過檢測輸入線的電平狀態(tài)便可以判斷哪個按鍵被按下了。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。在本設(shè)計中，、。軟件流程圖如圖413所示。圖413 鍵盤掃描流程圖第5章 系統(tǒng)調(diào)試過程本次設(shè)計考慮到各方面原因，沒有做實物，所以硬件調(diào)試在本設(shè)計中將不在講述。下面我將從軟件調(diào)試方面進行部分分析。第四章講述了編寫程序的軟件KEIL，在此介紹仿真軟件（Proteus）的應(yīng)用。 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行分析、對實物進行仿真的軟件。該軟件是一款單片機和電路仿真（SPICE）相結(jié)合的仿真軟件，其功能強大，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真等，這些是其他任何一款軟件不能相比的。在本次設(shè)計中我選擇對課題進行部分仿真，故選用Proteus仿真軟件。Proteus工作界面如圖51所示。圖51 Proteus工作界面 電壓、電流采集模塊調(diào)試，我詳細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)中不在做詳細的分析。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所示，電壓采集到最大值如圖53所示。05A正弦電流信號經(jīng)電流互感器變?yōu)?1V，在經(jīng)過電流信號處理電路后可得出05V左右電壓信號，電流采集到最小值如圖54所示，電流采集到最大值如圖55所示。圖52 電壓采集到最小值圖53 電壓采集到最大值圖54 電流采集到最小值圖54 電流采集到最大值 相位角測量模塊調(diào)試相位角測量電路在整個設(shè)計中是屬于比較基礎(chǔ)的部分，對本設(shè)計中相位角的測量電路進行詳細的介紹與說明，從軟件方面講解了功率因數(shù)的計算：同頻率的兩個正弦信號，電壓與電流，采用過零比較法通過測量兩個正弦信號經(jīng)過零點的時間T1和T2，計算兩者之間的時間差ΔT=T2T1，從而。本章從電路方面做一些仿真，如下圖556所示，對電壓、電流分別在USUD、IPID、。圖55 電壓相位采集波形圖56 電流相位采集波形 液晶顯示模塊調(diào)試，在本章中我將對其進行簡單的模擬仿真。SMC1604A的仿真圖如圖57所示。圖57 SMC1604A仿真圖由于仿真軟件具有局限性，不能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的仿真，所以仿真時只能以單個模塊進行仿真，在本第五章中，我只對部分模塊進行仿真（前面的章節(jié)已經(jīng)作出詳細的解說）。在本章節(jié)中，本系統(tǒng)仿真電路圖如圖58所示。圖58 系統(tǒng)仿真電路圖第6章 總結(jié)將近一學(xué)期的努力，本次畢業(yè)設(shè)計也走到了終點，在張老師的指導(dǎo)下，我順利地完成了基于單片機的單相數(shù)字電功率表的設(shè)計，將系統(tǒng)的軟件與系統(tǒng)的硬件電路相結(jié)合后我們便得到了一個完整的數(shù)字功率表，這就是我們此次畢業(yè)設(shè)計的成果。本次畢業(yè)設(shè)計中，我主要從上面五章對其做了詳細的解釋與說明，設(shè)計的主要任務(wù)是：（1）完成電壓信號采集、電流信號采集；（2） 完成相位角的測量；（3） 計算功率，并顯示在液晶顯示器上。通過設(shè)計畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)書、查閱各種文獻、向老師咨詢等方式，在自己不斷的嘗試與驗證下，我最終成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計。下面我將對前面五個章節(jié)進行總結(jié)。第1章 ：概述，主要通過了解功率表在當(dāng)代人們生活中的一種現(xiàn)狀，分析其對人類的影響與優(yōu)缺點，從而總結(jié)出功率表在人們生活中是不可或缺的，另外在這個電力時代，我們所用到的電最后都是通過功率表來計算的，例如：一個家挺每天、每月消耗多少電能，一間工廠一天消耗多少電能等，這些都是以功率的形式來體現(xiàn)的。故功率表在生活中是必不可少的。第2章 ：系統(tǒng)方案設(shè)計，首先講了設(shè)計的基本思想，通過查閱各種資料，再對比幾種方案，最終確定各個模塊具體的設(shè)計方案。本章是整個畢業(yè)設(shè)計的基本理論思想，也是設(shè)計的大體方向，對下面幾個章節(jié)的介紹具有深遠的理想。第3章 ：系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與分析，本章節(jié)是設(shè)計的重中之重。在本次設(shè)計中，可將其分為以下幾個模塊：電壓與電流采集電路模塊、相位角測量電路模塊、AD轉(zhuǎn)換電路模塊、液晶顯示電路模塊、鍵盤電路模塊。本章分別對其進行詳細的設(shè)計與說明，在每一小節(jié)中都有電路圖的展示和電路中元器件的選擇說明，最后還有畢業(yè)設(shè)計系統(tǒng)中電路的基本原理圖，另外，電路的正確性決定了硬件電路的正確性。第4章 ：系統(tǒng)軟件設(shè)計，依據(jù)第三章的電路原理圖，分別對每個模塊進行軟件設(shè)計，主要利用到KEIL軟件進行編程，利用VISIO繪制模塊流程圖，本章節(jié)是重點分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括一些數(shù)據(jù)的計算等，本章節(jié)在整個系統(tǒng)中的設(shè)計也是無法替換的。第5章 ：系統(tǒng)仿真設(shè)計，在本次設(shè)計中我沒有做實物電路，所以在本章節(jié)中我只做了部分軟件仿真調(diào)試。主要利用的是Proteus仿真軟件，我在本章節(jié)中也有簡單的介紹。我主要介紹了電壓與電流采集仿真、相位角測量仿真以及液晶顯示仿真，在本章節(jié)中也有圖片添加，可以清楚的看到本設(shè)計的成果。在本次設(shè)計中，我遇到了很多困難，如電路設(shè)計原理、如何選擇各種元器件、如何應(yīng)用軟件編程、如何應(yīng)用軟件進行仿真等，在種種的困難下、在老師的幫助下，我終于完成了我的畢業(yè)