【正文】 、可利用專門的IC來實現(xiàn)，如AD534芯片，該芯片既可采樣電壓，又可采樣電流，并將相應的模擬電壓，電流轉換為對應的數字量，再將轉換后的電壓，電流相乘，便可得到所求功率。鎖相就是相位同步的自動控制，完成兩個電信號相位同步自動控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)（簡稱PLL）。由下圖可見，鎖相環(huán)由3個基本單元構成：相位比較器PC、電壓控制震蕩器VCO、低通濾波器LPF如圖24。當鎖定后，VCO能使其輸出信號的頻率跟隨輸入信號頻率變化。每個周波的采樣點數可根據需要選擇。這僅僅只是電壓和電流的變量的計算（計算是通過軟件的控制），再把電壓和電流的采樣通過過零比較器進行轉換成方波然后送往單片機的INT0口和INT1口就可以計算出電壓和電流之間的角度從而可以通過軟件的控制就可以算出采樣過來的功率。本設計選用方案5。 方案一：使用獨立式鍵盤。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單。矩陣式鍵盤是由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，行線、列線分別連接到按鍵開關的兩端。根據以上論述，因為本系統(tǒng)需要的按鍵不多，有電壓顯示，電流顯示，功率顯示以及功率因數顯示，共四個按鍵，要求簡單。 顯示模塊的選擇方案一：使用傳統(tǒng)的LED數碼管顯示。數碼管采用BCD編碼顯示數字，程序編譯容易。在本設計中若使用LED數碼管顯示，則電路原理圖規(guī)模龐大復雜，效果不是很理想。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射、平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，而且具有可視面積大，簡化電路，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。程序是模塊化的，清晰易懂，若想實現(xiàn)新增功能，只需添加（或刪除）程序，因此應用比較廣泛。在本系統(tǒng)中，24位LM016L液晶顯示器。 總體方案論證按照系統(tǒng)設計功能的要求，初步確定系統(tǒng)由主控制模塊、數據采樣模塊、A/D轉化模塊以及數據顯示模塊。數據采集選擇電壓互感器和電流互感器，A/D轉化模塊澤選擇MAX197的模擬信號輸入電路擁有5MHz的信號帶寬，當使用內部采集控制模式并使用外接2MHz時鐘時，可達到100kSa/s的通過速率，顯示模塊則用24位LM016L液晶顯示器如圖26。第3章 系統(tǒng)硬件電路設計本章主要講的是系統(tǒng)硬件電路的設計，運用電壓、電流采樣電路，將采樣的電壓和電流送往A/D轉換芯片MAX197把模擬量轉換成數字量然后再送往AT89S52通過軟件編程算出電壓和電流的乘積。然后再把算出的結果通過LCD1602液晶顯示器顯示結果，我們再通過按鍵的切換來顯示電壓、電流、功率和功率因數。 單片機電路測試系統(tǒng)的分析 AT89S52為ATMEL 所生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flsah存儲器。 AT89S52各引腳功能介紹：AT89S52的引腳圖如圖31系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。 VSS：電源地端。 XTAL2：AT89S52的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序[9]。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內部無程序存儲器空間。此外，在將程序代碼燒錄至8751內部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。AT89S52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）鎖進鎖存器中，因為AT89S52是以多工的方式送出地址及數據。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。AT89S52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。其他三個I/O端口（PPP3）則不具有此電路組態(tài)，而是內部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。設計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。如果是使用8052或是8032的話，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位[12]。其引腳分配如下：：RXD，串行通信輸入。：INT0，外部中斷0輸入。：T0，計時計數器0輸入。：WR：外部數據存儲器的寫入信號。RST：復位輸入。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖32單片機最小系統(tǒng) 電壓電流的取樣電路 用單片機組成測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)必須有被測電信號的輸入通道，即前向通道，用來采集必要的輸入信息。即外部電壓或電流先經過互感電路變換、整流電路整流、分壓電路分壓最后才可以被模數轉換器采樣。圖33 電壓變換電路圖 34 電流變換電路 電流取樣采用高精度電流微型互感器CT，電路結構圖如圖34所示，與A/D轉化器相連。 A/D轉化模塊 MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D轉換芯片。引腳圖如圖35所示?！? （2）可軟件選擇模擬量輸入范圍：177。5v,0v～10v,0v～5v。（4) 6μs轉換時間,100ksps采樣速率。 (6）兩種電源關斷模式。 (8) 內部4．096v參考電源或外界參考電源。 引腳功能如表31所示。2CS片選信號低電平有效3WR寫信號低電平有效4RD讀信號低電平有效5HBEN轉換結果復用控制，低電平低8位有效，高電平高四位有效6SHDN關斷控制端，低電平有效710D7D4三態(tài)數字I/O口端11D3/D11三態(tài)數字I/O口端，D3輸出（HBEN為低電平）D11輸出時（HBEN為高電平）12D2/D10三態(tài)數字I/O口端，D2輸出（HBEN為低電平）D10輸出時（HBEN為高電平）13D1/D9三態(tài)數字I/O口端，D1輸出（HBEN為低電平）D9輸出時（HBEN為高電平）max197既可以使用內部參考電壓源,也可以使用外部參考電壓源。這時應在ref與agnd之間接入一個4．7μf電容,在refadj與agnd之間接入一個0．01μf電容。如果參考源噪聲較大,應在ref端與模擬信號地之間接一個4．7μf電容。16．5v的過電壓保護,即使在關斷狀態(tài)下,保護也有效。表32 寄存器控制格式 D7 D6PD1 PD0D5ACQMODD4RNGD3BIPD2 D1 D0A2 A1 A0時鐘及電源關斷模式內部/外部采集控制選擇模擬輸入 量程選擇模擬輸入 極性選擇模擬輸入 通道選擇下面我們重點討論不同的時鐘模式、采集控制模式、電源關斷模式以及轉換結果的讀取。一旦選定時鐘模式,除非斷電（不包括電源關斷模式）,否則,所選時鐘模式不可再改變。當芯片上電時,初始狀態(tài)為外部時鐘模式。工作時鐘的最大值為2mhz。在內部采集控制模式下,寫信號脈沖將開始一個由內部定時控制長度的采集間隔。在內部采集控制模式下,max197的模擬信號輸入電路擁有5mhz的信號帶寬,當使用內部采集控制模式并使用外接2mhz時鐘時,可達到100ksps的通過速率。采用外部采集控制模式是為了精確控制采樣孔徑或獨立控制采集和轉換時間。第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的acqmod位置0,結束采集間隔并開始轉換。在第一個寫信號脈沖和第二個寫信號脈沖時,控制寄存器中的模擬通道選擇位必須置相同的值。（3） 電源關斷模式 為節(jié)省能源,max197可以在兩次轉換之間工作于低電流關斷模式。當stbypd關斷模式被設置后,只有在轉換結束后才生效。當fullpd關斷模式被設置且shdn端變?yōu)榈碗娖綍r,芯片處于硬件全關斷狀態(tài)（fullpd）,此時將馬上中止轉換。軟件設計時,必須充分考慮到這一特點。因此,可以在這種模式時選擇任何采樣速率而不用考慮恢復正常狀態(tài)時的延遲。然而,在fullpd模式下,只有帶隙參考源在工作,芯片由關斷到恢復正常狀態(tài)時存在一個過渡過程。（4） 轉換結果的讀取 輸出數據采用無符號二進制模式（單極性輸入方式）或二進制補碼形式（雙極性輸入方式）。當轉換結束并且結果有效時,轉換完成中斷信號端int發(fā)出一個低電平信號,當讀信號結束或一個新的控制字節(jié)被寫入時,int端重新變?yōu)楦唠娖健?顯示模塊的設計 在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數碼管、液晶顯示器。 在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：（1） 顯示質量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。（2） 數字式接口 液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。（3） 功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。③ 液晶顯示器各種圖形的顯示原理：線段的顯示：點陣圖形式液晶由MN個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。這就是LCD顯示的基本原理。這樣一來就組成某個字符。漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為5……右邊為6……根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數可找出顯示RAM對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。第2腳：VDD接5V正電源。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。第16腳：背光源負極。1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令2：光標復位，光標返回到地址00H。高電平表示有效，低電平則無效。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令8：DDRAM地址設置。指令10：寫數據。 LM016L的接線圖 由于LM016L與LM1602的管腳基本相似只是后者比前者多了兩個管腳即調亮度的管腳，所以本實驗采用LM016L芯片比較簡單。圖37顯示器顯示模塊 MAX232芯片簡介利用PC機配置的異步通信適配器，可以很方便的完成IBMPC系列機與AT89S51單片機的數據通信。 MAX232芯片是MAXIM公司生產的、包含兩路接收器和驅動器的IC芯片。所以，采用此芯片接口的穿行通信系統(tǒng)只需要單一的+5V電源就可以了。圖中C1+、CC2+、C2及VS+、VS是電源變換電路部分。因此，VS+、VS必須加對地去耦電容CC7，其值為1uF。采用RS232接口僅需3根線便可在兩個數字設備之間全雙工的傳送數據，應注意其發(fā)送、接收的引腳要對應,如圖37所示。R1OUT和R2OUT可直接接TTL/COMS電平的AT89S51單片機的串行接收端RXD。但該方法需要寄存器來實現(xiàn)串行數據的傳送及RS232設備之間的握手與流量控制。圖39串口通信電路圖 本系統(tǒng)上下位機通信波特率為9600bit／s，晶振為24MHz，通信的數據格式如前所述，共11位：1位啟動位，8位數據位(低位在前)，1位可控的第9位和1位停止位。 5v電源的設計LM7805三端穩(wěn)壓集成電路是78系列的三端穩(wěn)壓集成塊，例如