【正文】 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 選擇輸入 通道 REF+與 REF— 差模 1 0 1 1 內(nèi)部 測(cè)試 REF— 單端 1 1 0 0 REF+單端 1 1 0 1 軟件斷電 1 1 1 0 輸出 8 位 輸出 12 位 輸出 16 位 0 ╳ 1 1 0 1 輸出數(shù) 據(jù)長度 MSB 先出 LSB 先出 0 1 順序 輸出 單極性 雙極性 0 1 極性 表 TLC2543 的輸入寄存器格式 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 14 頁 原理圖中電壓和電流各個(gè)通道 與 之 對(duì) 應(yīng) 的TLC2543 的通道 通道地址以及控制格式 電壓小量程通道 IN3 20H 電壓大量程通道 IN4 30H 電流小量程通道 IN1 00H 電流大量程通道 IN2 10H 表 各個(gè)量程通道對(duì)應(yīng)地址和控制格式 人機(jī)接口電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常都需要進(jìn)行人 機(jī)對(duì)話。 ③ 可變輸出數(shù)據(jù)長度。 TLC2543可通過軟件設(shè)置為下列輸出方式： ① 單極性或雙極性輸出。在 允許的溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 10US，線性誤差小于 LSB1? 。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 12 頁 輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。除有通用的數(shù)字控制能力外，該器件有一個(gè)片內(nèi)的 14 路模擬開關(guān)，可選擇 11 個(gè)輸入中的任何1 個(gè)或 3 個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)。以下是對(duì)該芯片的簡單介紹： TLC2543 是 12 位開關(guān)電容逐次逼近模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于已知本系統(tǒng)所測(cè)量的電路頻率主要為 50HZ的交流電，在系統(tǒng)中電壓接入外部中斷 0（單片機(jī)的 P32 管腳），電流接入外部中斷 1（單片機(jī)的 P33 管腳），這樣根據(jù)電壓和電流過零的時(shí)間差，再通過軟件編程我們可以計(jì)算出電壓和電流之間相差的相位角，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，從而滿足了系統(tǒng)要求。當(dāng)外電路電壓（或電流）通過互感器變換后的采樣電壓（電流）值大于 0 時(shí)，則 1 點(diǎn)（ 14 點(diǎn)）的電位小于零，發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光電耦合器作用導(dǎo)致 P32 輸出低電平。電壓（或者電流）的量程的自動(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。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁 （ 3） 大量程采樣通道 圖 電壓大量程采樣通道 圖 電流大量程采樣通道 當(dāng)通過互感器變換后電壓比較大時(shí)候系統(tǒng)將選擇大量程通道，該通道變換過程如下：變換后的交流電壓（電流）首先經(jīng)過二極管整流電路進(jìn)行整流，得到 0 到 10V 范圍內(nèi)的直流電壓，但由于 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作電壓為 0 到 +5V，所以要通過電阻進(jìn)行分壓 。而選小量程通道則不同，我們將通過互感器變換后的交流電壓放大十倍再通過像大量程通道一樣的電路進(jìn)行重新采樣測(cè)量則誤差會(huì)減小很多，這樣測(cè)量誤差就只有原來誤差的十分之一。同樣南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 9 頁 因?yàn)槲覀冞x用的電流互感器為 TVA14203，按圖 所接法有當(dāng)輸入為 0～ 10A對(duì)應(yīng)的輸出就為 0～ 10V，輸入和輸出兩者之間成線性變化。即外部電壓或電流先經(jīng)過互感電路變換、整流電路整流、分壓電路分壓最后才可以被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。 圖 3..2 24C16在本系統(tǒng)中 的接法 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 系統(tǒng)的前向通道 用單片機(jī)組成測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，即前向通道，用來采集必要的輸入信息。 24C16再根據(jù)讀寫控制位（ R/W）的狀態(tài)進(jìn)行讀或?qū)懖僮??！?1”表示對(duì)從器件進(jìn)行讀操作，“ 0”表示對(duì)從器件進(jìn)行寫操作。 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)。 由于在本次軟件系統(tǒng)中要編制 24C16的讀寫程序所以在此有必要介紹一下24C16的一些時(shí)序。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。其管腳配置如下所示： 管腳名稱 功能 A0、 A A2 器件地址選擇 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時(shí)鐘 WP 寫保護(hù) Vcc + 到 工作電壓 Vss 地 表 24C16的功能描述 ： 24C16支持 I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議， I2C總線規(guī)定，任何 將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件稱為發(fā) 送器。當(dāng)然它也有一定的不足，就是在軟件編程時(shí)比較麻煩。以下是 89C52的引腳圖以及它的主要性能參數(shù)： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 24C16 的擴(kuò)展 由于我們所設(shè)計(jì)的數(shù)字功率表的系統(tǒng)并不是很大，所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也并不南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 是非常多，所以我們?cè)谶x擇片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候我們選用了串行 E2PPOM 24C16。就像人類的大腦一樣可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，處理，輸出，或是產(chǎn)生一系列控制信號(hào)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁 第三章 系統(tǒng)硬件分析 單片機(jī)電路測(cè)試系統(tǒng)的分析 單片機(jī)電路測(cè)試系統(tǒng)主要由一塊 AT89C5一塊 24C16 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、以及人機(jī)接口電路（主要是鍵盤電路）以及前向測(cè)試通道構(gòu)成。 根據(jù)儀表的功能要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，由大到小地按儀表功能層次把軟件分為若干個(gè)模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后把各個(gè)模塊連接起來形成整個(gè)系統(tǒng)，最后與系統(tǒng)的硬件聯(lián)調(diào)。再通過功能鍵的調(diào)用可以將當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)保存到片外存儲(chǔ)器中，也可以將當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)從片外存儲(chǔ)器中刪除，也可以顯示上組數(shù)據(jù)或者下組數(shù)據(jù)。而對(duì)于功率因數(shù)的測(cè)量則相對(duì)簡單，由于相位角 ? 經(jīng)被測(cè)量得到，所以可以通過功率因數(shù)等于 COS? 來查表得到 .功率的測(cè)量則是通過公式 P=U*I*COS ? 計(jì)算出來的。這個(gè) N i u + 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總的思路如下：對(duì)于電路中的電壓和電流的測(cè)量，可以通過系統(tǒng)的前置電路把其轉(zhuǎn)換成可供采樣電壓信號(hào)，再通過 AD 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理，由軟件讀出，然后進(jìn)行處理，處理后參數(shù)由液晶顯示器顯示出來。 圖 第二節(jié) 基本設(shè)計(jì)思想 由于這個(gè)課題要求就是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)電路正在運(yùn)行時(shí)的參量進(jìn)行測(cè)量、保存、顯示，對(duì)于單片機(jī)軟件的開發(fā)，可以選用 C 語言或者匯編語言。則網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)功率為 p=ui= 2 Usin(ωt+φ)? 2 Isinωt=UI[cosφcos(2ωt+φ)]= UIcosφ UI cos(2ωt+φ)，其中 U、 I 分別是電路中電壓和電流的有效值， U 的范圍為0~600V， I 的范圍為 0~10A。為保證儀表質(zhì)量和提高效率，應(yīng)在正確的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)由我和侯東東同學(xué)共同完成，他主要負(fù)責(zé)的是硬件電路方面 的設(shè)計(jì) ,而我則是要在他硬件基礎(chǔ)上完成數(shù)字功率軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 ，利用 SE52 單片機(jī)調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行軟件的調(diào)試。 ，要熟悉相應(yīng)的開發(fā)語言，主要是熟悉匯編語言的語法結(jié)構(gòu)，開發(fā)和調(diào)試方法。 ，南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 設(shè)計(jì)方案基本形成之后，完成開題報(bào)告的寫作。在完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理后能在液晶顯示器上顯示出電路中的電壓、電流、功率因數(shù)、功率。但由于數(shù)字功率表使用方便、功能強(qiáng)大、體積小，在市場(chǎng)上還是很受歡迎。 數(shù)字功率表的測(cè)量能力隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，表內(nèi)硬件已越來越多地用集成電路代替。除測(cè)量準(zhǔn)確外，因數(shù)字儀表具有自動(dòng)保護(hù)和自動(dòng)選擇量程的功能，因此減少了 由于過載而損壞儀表的可能性。數(shù)字顯示消除了在模擬標(biāo)尺上讀取指針位置時(shí)的人為誤 差。數(shù)字功率表也是一種簡單的智能儀表。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 第一章 概 述 第一節(jié) 概 述 在測(cè)量、控制儀表中引入微機(jī)，不僅能解決傳統(tǒng)儀表不能解決或不易解決的問題，而且能簡化電路、增加功能、提高精度和可靠性、降低售價(jià)以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。由于這類儀表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)人腦的一部分功能，例如四則運(yùn)算、邏輯判斷、命令識(shí)別等，有的還能夠進(jìn)行自教正、自診斷，并具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，因此人們習(xí)慣上稱它們?yōu)橹悄軆x表。 功率表一直 以來都是 重要的工業(yè) 測(cè)量 儀表， 而數(shù)字功率表在原有的基礎(chǔ)上比以前的更方便。與傳統(tǒng)的其他儀表相比，數(shù)字功率表的測(cè)量準(zhǔn)確度顯著提高。此外，本次所設(shè)計(jì)的數(shù)字功率表還具有 自動(dòng)記錄 數(shù)據(jù) 和進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的能力，能方便地使用在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。另一方面，在改善特性的同時(shí)，由于許多集成芯片還需進(jìn)口，成本也有所增加。 第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 本次畢 業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是與做硬件的同學(xué)配合，用匯編語言編制出一套數(shù)字功率表系統(tǒng)軟件用來測(cè)量頻率為 50Hz 的交流電路的各種參數(shù)，包括電壓有效值、電流有效值、功率、功率因數(shù)。為了能夠圓滿的完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在這段時(shí)間里，需要完成以下幾個(gè)任務(wù)： ，通過課題的分析，明確主要任務(wù)； ，有些難以下手的，或是沒有碰到過的問題要及時(shí)地向指導(dǎo)老師請(qǐng)教，并且充分的利用學(xué)校圖書館這一龐大的資源，查找有關(guān)資料，熟悉有關(guān)方 面的內(nèi)容。 文資料，并把它們翻譯成中文。 主要模塊的編制，涉及到的一些通用的子程序的編程，寄存器的定義，一些測(cè)量算法的確定。 ，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁 第二章 總體方案簡介 研制一臺(tái)智能儀表是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，這一過程包括分析儀表的功能需求和擬定總體設(shè)計(jì)方案，確定硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，研制硬件電路和編制軟件程序，以及儀表的調(diào)試和性能測(cè)試等等。 第一節(jié) 系統(tǒng)測(cè)量的基本原理 本次所設(shè)計(jì)的數(shù)字功率表就是對(duì)于如圖 所示的二端網(wǎng)絡(luò)中的電路參數(shù) 進(jìn) 行測(cè) 量 ，假 設(shè)端 電流 i 及 端電 壓 u 是在 關(guān) 聯(lián)參 考下 ，并 分 別為2i= 2 Isinωt,u= 2 Usin(ωt+φ)，式子中 φ 是電壓超前于電流的相位角。由于 二端網(wǎng)絡(luò)能量消耗表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)中存在有功功率，故有功功率 P 為 P= UIcosφ，式子中的 U， I， P， cosφ 就是本次設(shè)計(jì)的數(shù)字功率表所要測(cè)量的量。在這次設(shè)計(jì)中本人選擇了匯編語言來進(jìn)行開發(fā)，因?yàn)閰R編語言具有指令簡單，運(yùn)行速度快，便于開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，而且在學(xué)單片機(jī)編程的時(shí)候主要學(xué)的語言就是匯編語言，雖 然感覺它不像高級(jí)語言那樣通用性強(qiáng)，但是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)來說并不需要考慮它的移植性，所以選用匯編語言來開發(fā)這個(gè)系統(tǒng)是完全可以的。對(duì)相位角 ? 的測(cè)量，采用過零比較的方法利用單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)電壓與電流的過零點(diǎn)的時(shí)間差進(jìn)行確定，再通過計(jì)算就可以確定電壓與電流的相位差，此時(shí)定時(shí)器如果采用定 時(shí)的方式就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，所以在軟件編程時(shí)選用定時(shí)器計(jì)數(shù)的方式而不是定時(shí)方式。這樣用這個(gè)系統(tǒng)就可以測(cè)量出電路在運(yùn)行時(shí)候的各個(gè)參數(shù)，并可以將電路每一個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)四個(gè)參數(shù)當(dāng)成一組數(shù)據(jù)通過液晶顯示器顯 示出來。另外與傳統(tǒng)儀表不相同的一個(gè)地方就是它可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送要求與儀表進(jìn)行通信的請(qǐng)求信號(hào)后，數(shù)字功率表可以把我們保存在片外存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。 根據(jù)數(shù)字功率表的硬件電路和上面所述的軟件設(shè)計(jì)思路將軟 件分為監(jiān)控主程序、相位角測(cè)量子程序、電壓有效值測(cè)量子程序、電流有效值測(cè)量子程序、顯示子程序、鍵盤處理子程序、通信子程序等幾個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后將它們整體連接起來進(jìn)行形成總的軟件系統(tǒng)與硬件電路聯(lián)調(diào)觀測(cè)能否達(dá)到預(yù)先要求的功能。它要完成的主要任務(wù)就是把系統(tǒng)從前向通道輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，通過內(nèi)部總線送給片外的24C16 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行儲(chǔ)存，并要能將處理過的數(shù)據(jù)通過液晶顯示器的顯示電路顯示出來。 AT89C52 單片機(jī)簡介 : AT89C52是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有 8KB快閃可編程 /擦除只讀存儲(chǔ)器的 8位 CMOS微控制器和 256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52單片機(jī) 適合于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。選用它的原因是在系統(tǒng)掉電后它所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不消失，并且它與單片機(jī)相連的管腳也比較少 ,節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源。下面是對(duì) 24C16 的簡單介紹： 24C16 是一個(gè) 16K 位的串行 E2PPOM，內(nèi)部含有 2048 個(gè) 8 位字節(jié)，該器件通過 I2C 總線進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件稱