【導讀】本文主要講述了基于單片機的單相數(shù)字電功率表的設計。該單相數(shù)字功率表。法利用單片機的定時器計算出相位角?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。另外本文介紹了其相關硬件電路和軟件。單片機應用與編程、液晶顯示。隨著社會的發(fā)展，電子產(chǎn)品逐漸朝著數(shù)字化、信

　　

【正文】 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。 系統(tǒng)的主程序設計 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，運行過程必須構成一個循環(huán)，這樣才能不斷的運行程序。主程序應不斷地順序查詢，并根據(jù)其功能調用相關的子程序并執(zhí)行其命令，以完成對各種實時控制事件的處 19 理。 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)。 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。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 A/D 采樣的次數(shù) N 需要計數(shù)器 T0,所以在初始化時，假設定時器 T1 的工作方式 2， T0 的工作方式 1。波特率的設置是非常開始初始化程序調用顯示子程序調用測量子程序調用鍵盤掃描子程序是否有鍵按下YN調用測量子程序顯示功率顯示功率因數(shù)顯示電流顯示電壓 20 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 T1 的計數(shù)器初值為 X，依據(jù)公式： 波特率 = )256(12322 XfoscSM OD ??? （其中 oscf 為系統(tǒng)的振蕩頻率為 ） 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。 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。在此我們主要完成的任務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： 22 測 量 相 位 差查 表 求 功 率 因 數(shù)測 量 電 壓 有 效 值計 算 功 率測 量 電 流 有 效 值顯 示 處 理調 用 顯 示 子 程 序置 顯 示 標 志 位 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 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 INT1 由 0 變成 1時，電流波形產(chǎn)生正跳變，此時關閉定時器 T0。當 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 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?？汕蟪鱿辔唤?x?的大?。? TTxx 2360?? ，（ 42）即 2360/ ?? ?T Txx? ，（ 43）其中 T 為電路的周期，可以得到其中 ??T ， 23 （ 44）。將公式 44 帶入公式 43，所以便可以計算出相位角 x? 。然后再通過查表便可以求出功率因數(shù)。 T 1T 2U 1 / VU 2 / VI 1 / AI 2 / At / m st / m st / m st / m s 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： 24 YNI N T 0 = 1 ?設 初 值計 算 相 位 差計 算 功 率 因 數(shù)等 待啟 動 T 0 開 始 計 數(shù)YNI N T 1 = 1 ?等 待關 閉 T 0 ， 停 止 計 數(shù)YNI N T 0 = 0 ?等 待重 新 啟 動 T 0 ， 開 始 計 數(shù)YNI N T 0 = 0 ?等 待關 閉 T 0 ， 停 止 計 數(shù) 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，假設輸入電壓、電流與輸出電壓、電流成線性關系。 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。本系統(tǒng)電壓電流信號周期 f=50HZ、 T=20ms， A/D 轉換的時間為 10us，設信號在一個周期內 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： ? ????? 1021 NkkuNU （ 45） 電流有效值： ? ????? 1021 NkkiNI （ 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。 25 開 始選 定 電 壓 量 程 通 道調 用 采 樣 子 程 序計 算 電 壓 有 效 值N 1 = 0？YN輸 出 電 壓 有 效 值返 回 圖 47 電壓有效值測量 開 始選 定 電 流 量 程 通 道調 用 采 樣 子 程 序計 算 電 流 有 效 值N 1 = 0 ？YN輸 出 電 流 有 效 值返 回 圖 48 電流有效值測量 三、功率的測量 在本設計中，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 ?cos??? IUP 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。 26 開 始取 電 壓 有 效 值取 功 率 因 數(shù) 值相 乘 結 果 存 入 GLSZ單 元取 電 流 有 效 值乘 以 GLSZ結 果 送 入 GLSZ單 元 圖 49 功率測試流程圖 液晶顯示子程序 本設計中使用 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 4 43 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=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。 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 工作方式的設定、輸入方式設定、清屏等。其初始化流程圖如圖 27 411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。 表 44 RAM 地址 行數(shù) 地址 第一行 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F / / / 第二行 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4A 4B 4C 4D 4E 4F / / / 第三行 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20 .. 27 第四行 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 5A 5B 5C 5D 5E 5F 60 .. 67 電 壓 值 取 出轉 換 成 S Z D 碼轉 換 成 ASCAL碼 送 往 緩 沖 區(qū)模 式 符 號 I送 緩 沖 區(qū)電 壓 值 取 出轉 成 BZD碼模 式 符 號 U 送 緩 存 區(qū)轉 換 成 ASCAL碼 送 往 緩 沖 區(qū)模 式 符 號 P送 緩 沖 區(qū)功 率 值 取 出轉 成 BZD碼轉 換 成 ASCAL碼 送 往 緩 沖 區(qū)模 式 符 號 COS送 緩 沖 區(qū)功 率 因 數(shù) 值 取 出轉 成 BZD碼轉 換 成 ASCAL碼 送 往 緩 沖 區(qū) 圖 410 LCD 顯示流程圖 28 循 環(huán) 設 置 三 次設 置 工 作 方 式清 屏設 置 輸 入 方 式設 置 顯 示 方 式返 回工 作 方 式 設 置 指 令 碼 圖 411 初始化流程圖 送 第 一 行 要 顯 示 數(shù) 據(jù)設 置 R A M 地 址 2送 第 二 行 要 顯 示 數(shù) 據(jù)設 置 R A M 地 址 1設 置 R A M 地 址 3送 第 三 行 要 顯 示 數(shù) 據(jù)設 置 R A M 地 址 4送 第 四 行 要 顯 示 數(shù) 據(jù)返 回 圖 412 顯示子程序具體流程圖 鍵盤掃描子程序 本次設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。在本設計中，鍵盤掃描 主要是掃描 、 、 、 這四個按鍵。軟件流程圖如圖 413所示。 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。下面我將從軟件調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）的應用。 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。該軟件是一款單片機和電路仿真（ SPICE）相結合的仿真軟件，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、電流采集模塊調試 在第 節(jié)中，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