【正文】 6所示，對(duì)電壓、電流分別在USUD、IPID、。05A正弦電流信號(hào)經(jīng)電流互感器變?yōu)?1V，在經(jīng)過電流信號(hào)處理電路后可得出05V左右電壓信號(hào)，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51 Proteus工作界面 電壓、電流采集模塊調(diào)試，我詳細(xì)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(xì)的分析。在本次設(shè)計(jì)中我選擇對(duì)課題進(jìn)行部分仿真，故選用Proteus仿真軟件。 Proteus軟件應(yīng)用Proteus ISIS是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的一種可以對(duì)電路進(jìn)行分析、對(duì)實(shí)物進(jìn)行仿真的軟件。下面我將從軟件調(diào)試方面進(jìn)行部分分析。軟件流程圖如圖413所示。鍵盤使用P0口，由于51單片機(jī)P0具有漏電保護(hù)的作用，所以在使用的時(shí)候要加入上拉電阻。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(gè)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(jì)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。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。本系統(tǒng)中LCD顯示子程序包括兩個(gè)部分，即液晶初始化子程序和液晶顯示字符子程序。表41 基本操作時(shí)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(wú)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(wú)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(duì)控制器每次進(jìn)行讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測(cè)，確保STA7為0。功率測(cè)試流程圖如圖 49所示。圖47 電壓有效值測(cè)量圖48 電流有效值測(cè)量三、功率的測(cè)量在本設(shè)計(jì)中，功率并不是直接測(cè)出來的，而是通過軟件間接的算出來的。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(hào)，u(k)為k時(shí)刻電壓瞬時(shí)值，i(k)為k時(shí)刻電流瞬時(shí)值。0300V輸入電壓對(duì)應(yīng)05V的輸出電壓，05A的輸入電流對(duì)應(yīng)05V的電壓。然后再通過查表便可以求出功率因數(shù)?？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）。當(dāng)INT1再次由0變成1，即電壓波形產(chǎn)生正跳變時(shí)，再次打開定時(shí)器T0，這是個(gè)循環(huán)的過程。電路實(shí)測(cè)輸出的波形如圖45所示。圖43 初始化流程圖 測(cè)量子程序測(cè)量程序是整個(gè)系統(tǒng)的主要程序，是整個(gè)循環(huán)程序的主體內(nèi)容。初始化液晶顯示器，液晶顯示器再次上電后必須重新進(jìn)行初始化才能顯示字符。波特率的設(shè)置是非常必要的，在這個(gè)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(jì)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(jì)算得X=0xFDH。圖42 主程序流程圖 初始化子程序的設(shè)計(jì)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(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行清零，設(shè)定定時(shí)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(jī)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(hù)，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(yùn)行的狀態(tài)，否則清除以前狀態(tài)；3) 設(shè)置定時(shí)器工作方式和波特率。本系統(tǒng)中，主程序的主要功能是測(cè)量和調(diào)用鍵盤掃描子程序，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)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)。 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主程序是整個(gè)數(shù)字功率表系統(tǒng)控制程序的主要框架，它是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)的程序，運(yùn)行過程必須構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，這樣才能不斷的運(yùn)行程序。Keil界面圖如圖41所示。最后還對(duì)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。本章主要針對(duì)數(shù)字功率表的測(cè)量詳細(xì)的介紹了軟件實(shí)現(xiàn)的過程。圖 316 液晶顯示器電路圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章對(duì)系統(tǒng)的硬件作了較為簡(jiǎn)單的分析，軟件與硬件是相輔相成的即硬件的運(yùn)作離不開軟件的支持，所以這一章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的過程。圖314 標(biāo)準(zhǔn)字符型液晶顯示器示意圖圖315 SMC1604A引腳圖表34 引腳說明符號(hào)引腳說明符號(hào)引腳說明VSS電源地D2Data I/OVDD電源正極D3Data I/OV0LCD偏壓輸入D4Data I/ORS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）D5Data I/OR/W讀寫控制信號(hào)（H/L）D6Data I/OE使能信號(hào)D7Data I/OD0Data I/OBLAData I/OD1Data I/OBLK背光源負(fù)極液晶顯示器電路如圖316所示。SMC1604A是標(biāo)準(zhǔn)字符型的液晶顯示器，其利用點(diǎn)陣型的液晶顯示器(LCD)，可以顯示16個(gè)字符*4行的西文字符，*(WXH)mm，內(nèi)置HD44780接口，可與單片機(jī)的接口直接相連，應(yīng)用于各類儀器儀表及電子設(shè)備。圖313 鍵盤電路 液晶顯示電路本設(shè)計(jì)中，在顯示器的選擇上我選擇字符型的可編程的字符液晶顯示控制器，其型號(hào)是SMC1604A，因?yàn)樗粌H有其專用的指令集，易于編程，而且用它最多可以用來顯示四行字符，與我設(shè)計(jì)的功率表功能相符合。本設(shè)計(jì)中，我將這五個(gè)按鍵分別定義為控制測(cè)試系統(tǒng)的顯示電壓、顯示電流、顯示功率因數(shù)、顯示功率、復(fù)位。由于51單片機(jī)P0口作為接口使用時(shí)需要接10千歐的電阻，所以每個(gè)按鍵各接一個(gè)電阻和一根輸入線，各個(gè)按鍵之間互不影響。鍵盤的各個(gè)功能依據(jù)具體的設(shè)計(jì)來定。TLC1543硬件電路圖為312所示，TLC1543的輸入寄存器格式如表32所示，根據(jù)硬件原理圖和表格32可以確定出各個(gè)量程的的通道地址以及TLC1543的控制格式如表33所示。三、硬件設(shè)計(jì)TLC1543的基準(zhǔn)由外電路提供，在本設(shè)計(jì)中由于對(duì)采樣的精度要求較高，所以在編程的時(shí)候軟件要將TLC1543設(shè)置成單極性輸出，MSB做前導(dǎo)輸出并且輸出的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10位。圖311 TLC1543時(shí)序圖時(shí)序使用方法：（1）片選CS高電平，EOC高電平，CLK時(shí)鐘低電平；（2）片選CS低電平，開始讀出第一位數(shù)據(jù)；（3）在第一個(gè)時(shí)鐘上升沿，輸入一個(gè)地址數(shù)據(jù)；（4）之后在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿輸出AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在上升沿輸入地址數(shù)據(jù)；（5）TLC1543是10位轉(zhuǎn)換器，因此有10個(gè)時(shí)鐘；（6）一個(gè)操作過程結(jié)束后，片選CS高電平，EOC會(huì)在最后第10個(gè)時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)低電平，開始AD轉(zhuǎn)換，此時(shí)，輸出被禁止，等到轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC置位1，代表轉(zhuǎn)換結(jié)束。（6）片內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)換器，使該器件具有以下特點(diǎn)：高速（單次轉(zhuǎn)換的時(shí)間10us）、高精度（10位的分辨率、最大+LSB線性的誤差）和低噪聲。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。（3）片內(nèi)部含有一個(gè)14路多路的選擇器，可供選擇的有：在11個(gè)輸入中的可以選擇1個(gè)，在內(nèi)部含有3個(gè)帶有自測(cè)試的電壓可以選擇一個(gè)。（2）輸入端有三個(gè)和三態(tài)輸出端有一個(gè)：片選（CS）、輸入/輸出時(shí)鐘（I/O CLOCK）、地址輸入端（ADDRESS）以及數(shù)據(jù)輸出端（DATA OUT）。一、TLC1543簡(jiǎn)介（1）TLC1543是20腳封裝的CMOS芯片，也是10位開關(guān)電容按逐次逼近的方法進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器。本次設(shè)計(jì)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片作為處理器，在此選擇有11路模擬量輸入的TLC1543轉(zhuǎn)換器，因?yàn)門LC1543不僅轉(zhuǎn)換時(shí)間很快、采樣的精度高而且使用單片機(jī)I/O接口少，完全可以滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。由此可看出在這個(gè)電路中光電耦合器有兩種作用：電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓（電流）的負(fù)半軸經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，1點(diǎn)（7點(diǎn)）的電位大于零且近似為5V，這個(gè)時(shí)候發(fā)光二極管不導(dǎo)通。在前面一節(jié)中，對(duì)于電壓與電流的采集，我們是通過互感器來獲得的，在本節(jié)中我還是采用互感器來獲得電壓電流的真實(shí)值。對(duì)于某一正弦信號(hào)，都會(huì)出現(xiàn)周期性的出現(xiàn)過零點(diǎn)，我們只要測(cè)出過零點(diǎn)的時(shí)間就可以得出電壓、電流的相位差。電壓（或者電流）量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換則通過軟件來實(shí)現(xiàn)，關(guān)于量程轉(zhuǎn)換將在第四章軟件設(shè)計(jì)中具體介紹，在此就不再敘述。由于交流電壓或交流電流信號(hào)經(jīng)互感器變換后電壓值比較小，所以應(yīng)先將電壓電流值放大再經(jīng)過二極管整流電路進(jìn)行整流，得到010V范圍內(nèi)的直流電壓，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器只接收05V的直流電壓，所以要通過電阻進(jìn)行分壓。 圖37 電壓采集信號(hào)處理電路由電壓采樣可知，互感器變換后電壓UD為01V，經(jīng)運(yùn)算放大器放大5倍，在經(jīng)過整流、濾波、分壓后，可得到05V的交流電壓。圖36 電流采樣電路三、信號(hào)處理分析該模塊主要是將電壓電流采樣模塊采樣到的交流電壓信號(hào)進(jìn)行整流和平波處理，使其能被A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的05V直流電壓信號(hào)。TVA142102型作為電流互感器時(shí)，額定電壓為9A時(shí)，輸出額定電流為6mA,故額定輸入電流5A時(shí)，此時(shí)采樣電阻選用300歐姆，二次測(cè)輸出電壓為01V。采樣電流為5A的交流電，所以選擇TVA142101型電流互感器來實(shí)現(xiàn)。電壓采樣電路如圖35所示。一、電壓采樣將0300V的交流電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓，此時(shí)采用TVA142101型電壓互感器來實(shí)現(xiàn)。 電壓、電流采樣的前置電路由于本系統(tǒng)測(cè)量電壓的有效值范圍是0V到300V，電流有效值的范圍是0A到5A，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣電壓僅僅為0到5V的直流電壓，所以在硬件上需要設(shè)計(jì)電壓和電流的前置通道完成強(qiáng)電到弱電的轉(zhuǎn)換。圖34 24C16在系統(tǒng)電路中接法 系統(tǒng)的前向通道每個(gè)系統(tǒng)都有自己的輸入信號(hào)，不然整個(gè)系統(tǒng)都是失敗的，所以在本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，即前向通道，以此來采集必要的輸入信息。24C16再依據(jù)讀寫的控制位（R/W）的狀態(tài)進(jìn)行讀或?qū)懖僮??！?”表示對(duì)控制字進(jìn)行讀的操作，“0”表示對(duì)控制字進(jìn)行寫的操作。2．24C16的停止信號(hào)：時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為24C16的停止信號(hào)。任意一個(gè)主器件或者從器件都能稱為發(fā)送器或者接收器，但傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式是由主器件來控制。任意一個(gè)從I2C總線接收數(shù)據(jù)的器件叫做接收器。24C16具有一個(gè)16字節(jié)頁(yè)的寫緩沖器，該緩沖器是通過I2C總線的接口來完成操作的，另外還具有一個(gè)特定功能的寫保護(hù)引腳。當(dāng)然它也有一定的不足，就是在軟件編程時(shí)比較麻煩。圖31 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24C16一、24C16說明在本設(shè)計(jì)中，數(shù)字功率表的系統(tǒng)很小，所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較小，所以我選用了串行E2PPOM 24C16片外存儲(chǔ)器。51單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響到單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般情況下采用1030uF，C1越大需要的復(fù)位時(shí)間越短，故本設(shè)計(jì)中采用10uF；，一般在正常運(yùn)行的情況下都選則較大頻率的晶振，因?yàn)閱纹瑱C(jī)CPU的處理速度直接受到晶振振蕩頻率的影響，頻率越大的晶振處理的速度就越快，；晶振電路中的起振電容CC3一般采用1533pF，且起振電容越接近晶振越好，而晶振的位置離單片機(jī)的距離越近越好，一般CC3取相同值30PF。 單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的芯片。第3章 系統(tǒng)硬件分析 電路測(cè)試系統(tǒng)的分析單片機(jī)電路測(cè)試系統(tǒng)主要由AT89C524C16數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤電路以及前向測(cè)試通道（電壓電流采樣電路）和液晶顯示電路構(gòu)成。方案二：通過傅式濾波的方法來求相位角該方法完全考慮系統(tǒng)不對(duì)稱性所造成的諧波對(duì)測(cè)量精度的影響，但只適用于無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)。 相位角測(cè)量模塊功率因數(shù)是指正弦信號(hào)的電壓超前于電流的相角的余弦值。其片內(nèi)設(shè)有自動(dòng)保持電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換器采用11通道10位TLC1543串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 信號(hào)處理模塊首先電壓電流互感器二次測(cè)電壓比較小，且A/D轉(zhuǎn)換器只接收05V直流電壓信號(hào)進(jìn)行處理，故需要對(duì)采樣到的小交流信號(hào)進(jìn)行放大、整流，整流出來的電壓電流信號(hào)通常含比較大的紋波，所以需要電容和電阻來設(shè)計(jì)平波電路。方案二適用于一些大電壓、大電流的采樣，功率損耗低，能很好的實(shí)現(xiàn)電氣隔離，采樣過程對(duì)原信號(hào)無(wú)影響。同時(shí)互感器能夠隔開高壓電力系統(tǒng)，從而人身和設(shè)備的安全得到保證。方案二：電壓電