【文章內(nèi)容簡介】 (24)由式(24)可見，只要能檢測出i和Im，用一除法器即可得到cosφ，所以，關(guān)鍵問題是測量i和Im　u為來自電壓互感器的電壓信號(hào)，i為來自電流互感器的信號(hào)，i通過二階有源濾波器后有90176。的滯后，故，i′=(ωt)= I msin(ωtπ/2Ф)= Imsin(ωtπ/2)cosФimcos(ωtπ/2)sinФ (25)當(dāng) ωt=π時(shí)，i′=Imcosφ因此　　　　　　　　cosφ=i′/Im　　 (26)用電壓信號(hào)u控制采樣保持器，采集ωt=π時(shí)刻的電流信號(hào)i′(π)，峰值檢測電路的輸出為Im，除法器的輸出為i′/Im，通過信號(hào)調(diào)理電路，將除法器的輸出調(diào)制為0～1V，調(diào)試時(shí)，輸入相位差90176。的u,i信號(hào)，通過調(diào)整信號(hào)調(diào)理電路，使其輸出為0V，輸入同相的u,i信號(hào)，使其輸出為1V，通過A/D轉(zhuǎn)換、譯碼，即可顯示功率因數(shù)。 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換本次設(shè)計(jì)是一次數(shù)字式電工儀表的設(shè)計(jì)，單測量的對象卻是模擬信號(hào)，因此將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器件是本次設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)重要元件。模數(shù)轉(zhuǎn)換常見的幾種位積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、∑Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。（1）積分型（如TLC7135）積分型AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。（2）逐次比較型（如TLC0831）逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（大于12位）時(shí)價(jià)格很高。 （3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法并行比較型AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash（快速）型。轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash（半快速）型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。（4）∑Δ調(diào)制型（如AD7705）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 ∑Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。∑Δ型AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。（5）電容陣列逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。（6）壓頻變換型（如AD650）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 壓頻變換型是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。壓頻變換型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。 本設(shè)計(jì)中，要求精度小于1%，因此選用ADC0809式A/D轉(zhuǎn)換器它是一種逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中采用的是8段LED數(shù)碼管來顯示電壓值。LED具有耗電低、亮度高、視角大、線路簡單、耐震及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，它由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)按‘8’字型排列，另一個(gè)發(fā)光二極管為圓點(diǎn)形狀，位于右下角，常用于顯示小數(shù)點(diǎn)。把8個(gè)發(fā)光二極管連在一起，公共端接高電平，叫共陽極接法，相反，公共端接低電平的叫共陰極接法，我們采用共陽極接法。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆畫或點(diǎn)就發(fā)亮，從而形成不同的發(fā)光字符。其8段分別命名為dp g f e d c b a。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N8根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩中方式。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的數(shù)據(jù)。只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無須理睬數(shù)碼顯示管。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)具有瑣存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字型數(shù)據(jù)代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示要發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的字型碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開銷小。單使用單片機(jī)的I/O接口較多動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個(gè)筆畫字段（a~g和dp）同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM各自獨(dú)立接受I/O線控制。CPU向字段輸出端口輸出字型碼時(shí)，所有顯示器接受相同的字型碼，但究竟使那一位則由I/O線決定。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制每個(gè)顯示器的COM端，使每個(gè)顯示器輪流電亮。在輪流點(diǎn)亮過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)介紹單片機(jī)的全稱是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microputer）。為了使用方便，它把組成計(jì)算機(jī)的主要功能部件：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和各種輸入/輸出接口電路等都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與通用的計(jì)算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此它又被稱為微控制器。MCS51系列單片機(jī)是美國Intel公司于1980年推出的一種8位單片機(jī)系列。該系列的基本型產(chǎn)品是8058031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去；8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器；8751內(nèi)部包含有用作程序存儲(chǔ)器的4KB的EPROM。由于8051的編程需要制造商的支持，8751的價(jià)格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的使用。MCS51系列單片機(jī)優(yōu)異的性能/價(jià)格比使得它從面世以來就獲得用戶的認(rèn)可。Intel公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即8051內(nèi)核，以出售或互換專利的方式授權(quán)給一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。這些公司的這類產(chǎn)品也被稱為8051兼容芯片，這些8051兼容芯片在原來的基礎(chǔ)上增加了許多特性。本文采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它與MCS51單片機(jī)指令集兼容，同時(shí)它的內(nèi)部包含用作程序存儲(chǔ)器的4KB的基于FLASH技術(shù)的只讀存儲(chǔ)器。采用這款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存儲(chǔ)器導(dǎo)致電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，又克服了采用8751導(dǎo)致電路制作成本高的缺點(diǎn)。 AT89C51 單片機(jī)的特性Atmel公司的AT89C51芯片具有以下特性：216。 指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容；216。 4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器；216。 時(shí)鐘頻率為0～33MHz；216。 128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）；216。 32個(gè)可編程輸入/輸出引腳；216。 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；216。 6個(gè)中斷源，2級優(yōu)先級；216。 全雙工串行通信接口；216。 監(jiān)視定時(shí)器；216。 2個(gè)數(shù)據(jù)指針。 AT89C51 單片機(jī)的封裝AT89C51單片機(jī)具有多種封裝形式，包括PDIPPDIP4PLCC44和TQFP44。最適合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室使用的是PDIP40封裝形式。PDIP40封裝形式的單片機(jī)芯片可以很方便地使用面包板來組成應(yīng)用電路。 74LS273簡介74LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，他是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器。 (1)1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位。 74LS273管腳圖（2)當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳11118的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上1D～8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q～8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。 ADC0809簡介 ADC0809 管教圖IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道ALE——地址鎖存允許信號(hào)。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。160